SPEKTROSKOPIA

Spektroskopia

to dziedzina nauki, która obejmuje

metody badania materii przy użyciu

promieniowania

elektromagnetycznego

, które może być w danym układzie

wytworzone (emisja) lub może z tym układem oddziaływać
(adsorbcja).

Definicje wybranych terminów:

Zakres nadfioletu

, UV (ang. Ultraviolet) –zakres widma

elektromagnetycznego od 10 do 380nm, zwykle 200-380nm.

Zakres widzialny

, VIS (ang. Visible) –zakres widma

elektromagnetycznego widzialny dla oka 380 do 780nm.

Absorpcja

–przekształcenie energii promienistej w inne

formy energii wskutek oddziaływania z materią.

Przepuszczanie

–przejście promieniowania przez dane

środowisko bez zmiany częstości monochromatycznych
składowych promieniowania.

Wiązka promieniowania

–promieniowanie rozchodzące się

w przestrzeni w określonym kącie bryłowym.

Promieniowanie

monochromatyczne

–wiązka

promieniowania widma elektromagnetycznego o jednakowych
kwantach energii.

Natężenie, I

0

–natężenie promieniowania padajacego.

Natężenie, I

S

–natężenie wiązki pomiarowej, po przejściu

przez kuwetę zawierającą próbkę badaną.

Natężenie, I

r

–natężenie wiązki odniesienia, po przejściu

przez roztwór odniesienia (ślepą próbę).

Kuweta

–naczyńko optyczne stosowane do pomiarów.

Ślepa próba

–roztwór przygotowany w ten sposób aby

kompensował absorbancję pochodzącą od odczynników lub
też składników próbki różnych od oznaczanego.

Tło

–absorbcja wszystkich nieznanych, lub znanych ale nie

oznaczanych, składników próbki.

Grubość warstwy absorbującej, b

–w przypadku cieczy i

gazów odległość między wewnętrznymi powierzchniami ścian
naczyńka zawierającego ośrodek absorbujacy.

Transmitancja,

T

–stosunek

natężenia

wiązki

promieniowania przepuszczanego przez próbkę do natężenia
wiązki padającej T = I/I

0

w praktyce T = I

S

/I

r

.

Absorbancja

A

–logarytm

dziesiętny

odwrotności

transmitancji; A = log(1/T).

Współczynnik absorbcji właściwej, a

S

–stosunek absorbancji

(A) do grubości warstwy absorbującej (b) i stężenia substancji
absorbującej (c); a

S

= A/bc; b [cm], c [gdm

-3

].

Współczynnik absorbcji molowy,

ε

–wsp. dla którego

stężenie substancji absorbującej (c) jest wyrażone [mol

⋅

dm

-3

].

Widmo

–uporządkowana

zależność

między

moca

promieniowania absorbowanego lub emitowanego i jego
liczbą falową, długością promieniowania bądź częstością.

Widmo absorbcji

–widmo, które powstaje w wyniku

przejścia promieniowania przez ośrodek absorbujący.

Krzywa wzorcowa

–wykres zależności pomiędzy mierzona

wielkością (absorbcją, transmitancją) a stężeniem oznaczanej
substancji.

SPEKTROMETRIA

Spektrometria

zajmuje się rejestracją i pomiarami

efektów wytwarzania bądź oddziaływania promieniowania
elektromagnetycznego z badaną materią.

Za podstawę podziału spektroskopii przyjmuje się

następujące trzy kryteria:

1.forma wymiany energii miedzy promieniowaniem i

materią,

• zwiększenie energii układu w wyniku pochłaniania

promieniowania -

spektroskopia absorpcyjna

• oddanie części energii przez układ drogą emisji

promieniowania -

spektroskopia emisyjna

2. właściwości składników materii, dotyczą istoty badanych

przemian zachodzących w składnikach materii,

•

spektroskopię jądrową,

•

spektroskopię atomową,

•

spektroskopię cząsteczkową,

3. podstawę podziału wg. zakresu promieniowania stanowi

wielkość fotonu, który jest pochłaniany lub emitowany, a
tym samym obszar w którym jest zawarte badane widmo:

•

spektroskopię rentgenowską

,

•

spektroskopię optyczną,

•

radiospektroskopię: mikro, krótko i długofalową,

PRAWA ABSORPCJI

Prawo Lamberta-Beera:

Dla równoległej ściśle monochromatycznej wiązki

promieniowania elektromagnetycznego, w przypadku
nieabsorbującego

rozpuszczalnika,

kiedy

brak

jest

jakichkolwiek

oddziaływań

między

cząsteczkami

substancji absorbujacej czy też między cząsteczkami tej
substancji i rozpuszczalnika:

absorbancja

A

jest proporcjonalna do stężenia roztworu

c

i grubości warstwy absorbującej

b

m

bc

abc

I

I

A

ε

=

=

=

0

log

Prawo addytywności absorbancji

dotyczy roztworów i

mieszanin wieloskładnikowych. Wyraża ono absorbancje
całkowitą środowiska, A, jako sume niezależnych absorbancji
poszczególnych składników (A

1

, A

2

, .....A

n

)

∑

=

=

+

+

+

=

n

i

i

n

A

A

A

A

A

1

2

1

....

Odstępstwa od praw absorpcji:

1.

związane z próbką

, zależą od charakteru środowiska;

• zmiana współczynnika załamania promieniowania,

• zbyt wysokie stężenie (oddziaływanie składników

roztworu; hydroliza, solwatacja, polimeryzacja),

• nakładanie się przekrojów czynnych cząstek

2.

instrumentalne

;

• brak monochromatyzacji wiązki promieniowania,
• niska klasa przyrządu

APARATURA SPEKTROFOTOMETRYCZNA NA

ZAKRES UV/VIS

Spektrofotometr

jest przyrządem pomiarowym, którego

zasadniczym przeznaczeniem jest pomiar transmitancji i/lub
absorbancji ciał stałych, ciekłych i gazowych.

Do

najważniejszych

części

składowych

spektrofotometrów należą:

1.

źródło promieniowania

–powinno się charakteryzować

ciągłym widmem emisji, o równomiernym rozkładzie
energetycznym

w

całym

zakresie

stosowania

i

odpowiednio dużej mocy,

2.

monochromator

–jego zadaniem jest rozszczepienie

promieniowania

polichromatycznego,

emitowanego

przez

źródło

promieniowania,

i

wyodrębnienie

z

otrzymanego

widma

fragmentu

zawierającego

promieniowanie o żądanej długości fali

λ

,

3.

komora próbki -

z kuwetami pomiarowymi w których

umieszcza się próbki ciekle i gazowe, stanowią w
procesie pomiarowym integralna część spektrofotometru,

4.

detektor promieniowania

–pełnią funkcję

przetwarzania

energii promienistej na energię elektryczną, powinny
wykazywać wysoką czułość, niski poziom szumów i
liniowość przetwarzania sygnałów,

5.

układ pomiarowy

–wychyleniowe i kompensacyjne

Typy metod spektrofotometrycznych:

1. metoda krzywej wzorcowej,
2. metoda dodatku wzorca,
3. metoda porównania z wzorcem,
4. metoda spektrofotometrii różnicowej

Zalety metod spektrofotometrycznych:

1.

dostępna, prosta w obsłudze i stosunkowo tania

aparatura,

2. wysoka czułość pomiaru,

3.

duża

dokładność

[1-5%]

[0.2-0.5%

dla

metod

różnicowych] i precyzja pomiaru dla stężeń >10

-4

%

[<10%] dla śladów >10

-7

[<30%] ,

4.uniwersalność, absorbancja powinna się mieścić w

zakresie od 0.1 do 1.0

Układy barwne stosowane spektroskopii UV/VIS

Zabarwienie substancji pochodzi stąd, że z całego

zakresu długości fal światła białego tylko pewna część jest
pochłaniana przez substancję i światło wychodzące ma barwę
dopełniającą.

Pochłanianie światła jest uwarunkowane przejściami

elektronów walencyjnych z poziomu podstawowego na
poziom wzbudzony w pewnych grupach funkcyjnych w
molekule –stąd nazwa widma elektronowe.

Większość układów barwnych powstaje w wyniku

reakcji tworzenia się kompleksów zarówno z odczynnikami
nieorganicznymi jak i organicznymi:

1.

Rodanki

[NH

4

SCN, KSCN lub NaSCN] tworzą barwne

kompleksy z Fe, Co, Ni, Cu, Ti, V, W. Rozpuszczalne w
wodzie i rozpuszczalnikach organicznych.

2.

Nadtlenek wodoru

z Ti, V, Mo, W;

chlorki, bromki

i

jodki

z Bi Sb, Pd, Fe, Cu, Ag;

molibdenian

z Si, As, P.

3.

Własne zabarwienie:

Cu

2+

, MnO

4

-

, Cr

2

O

7-

4.

Odczynniki organiczne jak np.:

Ditizon [

Pb, Zn, Cd,

Bi, Ag ,Cu

], barwniki azowe [

Mn, Zn, Cd, Ni, Co, In, U,

Fe

], Na-DDTK [

Cu, Bi, Mn, Mo, Co

].

SPEKTROSKOPIA ATOMOWA

Stan podstawowy

–stan atomu charakteryzujący się

najmniejszą energią dla podstawowej konfiguracji elektronów,

Stan wzbudzony

–dostarczenie do atomu odpowiedniej

charakterystycznej dla niego energii powoduje przeniesienie
elektronu walencyjnego do poziomu o wyższej energii.

Metody analityczne oparte na spektroskopii atomowej

obejmują trzy różne techniki analityczne:

1.

emisję

atomową

–wzbudzenie

atomów

poprzez

dostarczenie im energii termicznej (płomień, łuk
elektryczny, plazma) -

pomiar emisji (długości i

intensywności) promieniowania

,

2.

absorpcję

atomową

–atomy

będące

w

stanie

podstawowym są wzbudzane wiązką promieniowania
o odpowiadającej im energii -

pomiar (zmiany

intensywności wiązki I

0

) absorpcji

,

3.

fluoroscencję atomową

–wzbudzenie jak w absorpcji

atomowej, pomiar sygnału jak emisji atomowej,

lampa

lampa

atomizer

atomizer

atomizer

detektor

detektor

detektor

monochromator

monochromator

monochromator

1

2

3

OGÓLNA BUDOWA SPEKTROMETRU ABSORPCJI

ATOMOWEJ

1.

Źródło promieniowania

, lampy emitujące wąskie linie

atomowe oznaczanego pierwiastka

•

lampy

z

katoda

wnękową

jedno

i

wielopierwiastkowe

• bezelektrodowe lampy wyładowcze z generatorem

częstości radiowej

2.

Modulator

, pozwala wyeliminować promieniowanie

emitowane przez atomizer

3.

Atomizer,

wytworzenie odpowiedniej ilości atomów w

stanie podstawowym poprzez dostarczenie im energii
termicznej

•

atomizery

płomieniowe

,

rozpylacz,

komora

mieszania, głowica palnika

•

atomizery

bezpłomieniowe,

piece

grafitowe

ogrzewane prądem elektrycznym

4.

Monochromator

–służy do wyodrębnienia wybranego

pasma o odpowiedniej długości fali z wiązki
promieniowania emitowanego przez lampę i atomizer

5.

Detektor,

urządzenie (zwykle fotopowielacz) służące do

zamiany energii elektromagnetycznej (promieniowania)
na energię elektryczną (prąd) proporcjonalną do
intensywności promieniowania

6.

Inne jak

: soczewki, zwierciadła, układy elektroniczne,

zliczające, uśredniające i rejestrujące

Układy optyczne:

• układy jednowiązkowe,
• układy dwuwiązkowe

PROCESY ZACHODZACE W ATOMIZERZE

M

+

+

A

−

(roztwór)

1. rozpylenie

M

+

+

A

−

(aerozol)

2. desolwatacja

MA

(ciało stałe)

3. topnienie

MA

(ciecz)

4. parowanie

MA

(gaz)

5.

atomizacja

M

0

+

A

0

(gaz)

6.

wzbudzenie

M

*

(gaz)

7. jonizacja

M

+

+

e

−

(gaz)

INTERFERENCJE

Konsekwencją prowadzenia pomiarów bez korekcji

lub/i kompensacji interferencji są błędne wyniki pomiarów
zawartości analitu w próbce.

•

interferencje spektralne

–absorpcja promieniowania

przez obecne w próbce składniki inne niż oznaczany
pierwiastek

•

interferencje spektralne

–związane z nieodtwarzalnymi

procesami tworzenia wolnych atomów analitu w stanie
podstawowym (zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura
atomizacji, jonizacja, powstawanie trudnodysocjujących
związków chemicznych, itp.)

•

interferencje

fizyczne,

-wywołane

różnymi

właściwościami próbki (lepkość, gęstość, obecność sp-a)

MIARECZKOWANIE POTENCJOMETRYCZNE

Polega na

pomiarze różnicy potencjałów

pomiędzy

elektrodą wskaźnikową i elektrodą odniesienia po dodaniu
każdej porcji odczynnika miareczkującego.

Jest możliwe do wykonania wówczas gdy dobierze się

elektrodę wskaźnikowa, która będzie reagowała bezpośrednio
na zmiany składnika oznaczanego lub miareczkującego
zachodzące podczas miareczkowania.

Krzywa miareczkowania potencjometrycznego

jest

analogiczna do klasycznej krzywej miareczkowania z tym, że
w

PR

obserwujemy gwałtowny skok potencjału.

Instrumentalne

a

nie

wizualne

określenie

PK

miareczkowania

jest

ścisłe,

obiektywne,

dokładne

i

precyzyjne.

Typy miareczkowań potencjometrycznych:

•

miareczkowanie

alkacymetryczne

–wykonywane

wobec elektrod wskaźnikowych czułych na zmiany
stężenia jonów wodorowych, np. elektroda szklana

•

miareczkowanie redoks

–wykonywane wobec elektrody

platynowej, przyjmuje się, że potencjał tej elektrody jest
proporcjonalny do logarytmu stosunku stężeń postaci
utlenionej do zredukowanej danego układu utl-red,

•

miareczkowanie kompleksometryczne

–wykonywane

wobec elektrod jonoselektywnych. Stosowane do
oznaczania metali i badania reakcji tworzenia i rozpadu
kompleksów. Stężenie kationu nie związanego w
kompleks (np. wolnego jonu metalu) maleje początkowo
stopniowo a w pobliżu PR w sposób gwałtowny,

•

miareczkowanie

strąceniowe

–badanie

reakcji

polegających

na

strącaniu

osadów

–iloczyn

rozpuszczalności osadu musi mieć dużą wartość. Np.

strącanie jonów srebra za pomocą jonów chlorkowych
wobec elektrody srebrowej (I rodzaju).

Sposoby wyznaczania punktu końcowego PK

•

metoda graficzna

•

metoda pierwszej pochodnej,

-wyznaczenie stosunku

przyrostu potencjału do przyrostu objetości w funkcji

objetości

( )

V

f

dV

dE

=

•

metoda drugiej pochodnej,

-druga pochodna

∆

2

E/

∆

V

2

ma inny znak przed PK (

dodatni

) niż po przekroczeniu

PK (

ujemny

).