SPEKTROSKOPIA

UV/VIS,

SPEKTROSKOPIA IR

SPEKTROSKOPIA

to nauka o

powstawaniu i interpretacji widm

powstających w wyniku oddziaływań

wszelkiego rodzaju promieniowań na

materię rozumianą jako zbiorowisko

atomów i cząsteczek. Spektroskopia

jest też często rozumiana jako

ogólna nazwa wszelkich technik

analitycznych polegających na

generowaniu widm.

PODZIAŁ TECHNIK

SPEKTROSKOPOWYCH

Ze względu na naturę promieniowania stosowanego w
danej technice:
1.Techniki oparte na promieniowaniu
elektromagnetycznym:

spektroskopia Ramana
spektroskopia IR
spektroskopia UV-VIS
spektroskopia fourierowska
spektroskopia rentgenowska
spektroskopia NMR
spektroskopia EPR
spektroskopia dielektryczna
spektroskopia plazmowa
dichroizm kołowy

PODZIAŁ TECHNIK

SPEKTROSKOPOWYCH c.d

2.Techniki oparte na promieniowaniu cząstkami:

spektroskopia elektronowa

spektroskopia neutronowa
spektroskopia mas
spektroskopia sił atomowych

3.Techniki oparte na falach akustycznych

spektroskopia akustyczna

PODZIAŁ TECHNIK

SPEKTROSKOPOWYCH c.d

Ze względu na rodzaj oddziaływania promieniowania z

badanym ciałem:

1.Spektroskopia inwazyjna

2.Spektroskopia absorpcyjna

ESA – absorpcja ze stanów wzbudzonych

3.Spektroskopia emisyjna
4.Spektroskopia odbiciowa

spektroskopia rozproszeniowa

PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE

FALĘ ELEKTROMAGNETYCZNĄ

➲

Spektroskopia UV/VIS oraz spektroskopia IR są oparte na
oddziaływaniu z falą elektromagnetyczną o różnej długości
i energii.

➲

Promieniowanie elektromagnetyczne można
scharakteryzować przez:
długość fali,
częstość (częstotliwość)
fali, amplitudę fali.

➲

Mnożąc długość fali wyrażoną w centymetrach przez
częstość wyrażoną w odwrotnych sekundach, otrzymujemy
prędkość poruszania się fali elektromagnetycznej w cm/s.

➲

Energia jednego fotonu zmienia się wprost proporcjonalnie
do częstości fali elektromagnetycznej, a jest odwrotnie
proporcjonalna do długości fali.

WIDMO PROMIENIOWANIA

ELEKTROMAGNETYCZNEGO

➲

Fale elektromagnetyczne można podzielić ze względu na
częstotliwość lub długość, taki podział nazywa się widmem
fal elektromagnetycznych.

➲

Obejmuje ono fale radiowe, mikrofale, promieniowanie
podczerwone, światło widzialne, promieniowanie
ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie,
promieniowanie gamma.

➲

Zakresy poszczególnych rodzajów promieniowania:
Fale radiowe - od kilku mm do kilku km,
Mikrofale – 1mm-30cm,
Podczerwień - 780nm-1mm,
Światło widzialne – 380-780nm,
Ultrafiolet – 100-380nm,
Promieniowanie rentgenowskie – 5pm-10nm,
Promieniowanie gamma - <124pm.

Podstawowe terminy i

prawa rządzące

technikami

spektroskopowymi

opartymi na

promieniowaniu UV,

VIS i IR

WIDMA OPTYCZNE

➲

Zależność natężenia promieniowania
elektromagnetycznego od częstości lub
długości fali nazywamy widmem tego
promieniowania.

➲

Widmo promieniowania, obejmujące zakres
długości fal od ultrafioletu poprzez przedział
widzialny do podczerwieni, nazywane jest
widmem optycznym.

KLASYFIKACJA WIDM

OPTYCZNYCH

➲

Istnieją zasadniczo dwa rodzaje widm:
emisyjne absorpcyjne

➲

Z kolei, zarówno widma emisyjne, jak i absorpcyjne, dzieli
się na widma:
liniowe – składające się z wyraźnych oddzielonych
linii, występujące w przypadku świecenia rozrzedzonych
gazów jednoatomowych,
pasmowe – składające się z szeregu posiadających
wyraźne brzegi pasm, obserwowane przy świeceniu
cząsteczek par (pasma składają się z bardzo dużej ilości
linii), ciągłe – wysyłane przez atomy ogrzanych do
wysokiej temperatury ciał stałych i cieczy.

Liniowe widmo emisyjne azotu

POZIOMY ENERGETYCZNE

ELEKTRONU W ATOMIE

➲

Atom znajduje się w stanie stacjonarnym wtedy, gdy nie
wypromieniowuje energii.

➲

Stan stacjonarny o najniższej, dopuszczalnej dla danego
atomu, energii nazywa się stanem podstawowym.

➲

Aby elektron mógł przejść do któregoś stanu o wyższej
energii (stanu wzbudzonego), atom musi pochłonąć
określoną porcję energii.

➲

Elektron przebywa w stanie wzbudzonym bardzo krótko
po czym wraca do stanu o mniejszej energii
wypromieniowując jej nadmiar w postaci fali świetnej.

➲

Częstość drgań emitowanego promieniowania związana
jest z różnicą energii stanów, między którymi następuje
przejście promieniste wzorem:

ORBITALE MOLEKULARNE I

PRZEJŚCIA ELEKTRONOWE

➲

Orbitale dzielimy na:

1.orbitale atomowe - orbitale te opisują wszystkie

elektrony, które w danym momencie nie uczestniczą w

tworzeniu wiązań chemicznych, ale są przypisane do

określonych jąder atomowych.

2.orbitale molekularne - orbitale

te opisują elektrony w cząsteczce, które w danym

momencie mogą (ale nie muszą) tworzyć wiązania

chemiczne. Orbitale molekularne dzielą się z kolei na:

orbitale wiążące,

orbitale antywiążące,

orbitale niewiążące

ORBITALE MOLEKULARNE I

PRZEJŚCIA ELEKTRONOWE c.d.

➲

Wśród orbitali atomowych wyróżnia się:

orbitale s - o kształcie sferycznym,

orbitale p - o kształcie "hantli" , orbitale

d i f - o bardziej złożonych kształtach w których

występuje kombinacja "hantli" i torusów.

➲

Orbitale molekularne wiążące klasyfikuje się najczęściej

na: orbitale σ - które powstają w wyniku czołowego

nałożenia się orbitali s lub p,

orbitale π - które powstają w wyniku bocznego

nałożenia się orbitali p, d lub f ,

orbitale δ - mają 2 płaszczyzny węzłowe zawierające

oś międzyjądrową.

ORBITALE MOLEKULARNE I

PRZEJŚCIA ELEKTRONOWE c.d.

➲

Dany orbital (poziom energetyczny) może pomieścić co

najwyżej dwa elektrony o różnym spinie. Podczas

wzbudzenia elektronowego elektron zostaje

przeniesiony z jednego orbitalu molekularnego na inny.

POZIOMY ENERGETYCZNE

CZĄSTECZKI

➲

Energia układu związanych ze sobą atomów, jakim jest
cząsteczka, to:
energia elektronów,
energia oscylacji,
energia rotacji cząsteczki.

➲

Energię całkowitą cząsteczki można opisać
następującym wzorem:

➲

Gdzie:

E

el

– energia elektronów,

E

os

– energia oscylacyjna,

E

r

– energia ruchu rotacyjnego.

POZIOMY ENERGETYCZNE

CZĄSTECZKI c.d.

Układ poziomów energetycznych cząsteczki można

przedstawić jako zespół poziomów elektronowych (różne

wartości E

el

, E

osc

= E

rot

= 0), każdemu z nich odpowiada

grupa poziomów oscylacyjnych (różne wartości E

osc

, E

rot

=

0), a każdemu poziomowi oscylacyjnemu odpowiadają

różne poziomy rotacyjne (różne wartości E

rot

).

SCHEMAT UKŁADU POZIOMÓW ENERGETYCZNYCH

MOLEKUŁY DWUATOMOWEJ

PRZEJŚCIA ENERGETYCZNE

➲

Podczas przechodzenia ze stanu o energii początkowej E

1

do stanu energii końcowej E

2

cząsteczka emituje bądź

absorbuje promieniowanie o częstości ν spełniającej relację:

➲

Jeżeli poziom energetyczny elektronów w cząsteczce
nie zmienia się i bez zmian pozostaje poziom oscylacji,
to równanie przybiera postać:

PRZEJŚCIA ENERGETYCZNE c.d.

➲

Obrazem tego są linie widma rotacyjnego w dalekiej
podczerwieni lub w zakresie mikrofalowym.

➲

Gdy zmienia się jednocześnie energia oscylacji i rotacji, wtedy
powstaje widmo złożone z poszczególnych pasm, przy czym
każde pasmo składa się z oddzielnych linii widmowych.

➲

Dla przejść oscylacyjno-rotacyjnych wzór przybiera postać:

➲

W tym przypadku do częstości oscylacyjnej dodaje się częstość

rotacyjna i widmo obserwuje się w bliskiej podczerwieni.

➲

W przypadku zmian energii w wyniku jednoczesnego przejścia

elektronowego, oscylacyjnego i rotacyjnego otrzymuje się pełne

widmo pasmowe obserwowane w zakresie widzialnym.

PRZEJŚCIA ENERGETYCZNE

ODPOWIEDZIALNE ZA POWSTAWANIE

WIDM ROTACYJNYCH I ROTACYJNO -

OSCYLACYJNYCH

DIAGRAM JABŁOŃSKIEGO

➲

Każda cząsteczka ma charakterystyczny dla siebie układ

poziomów energetycznych – elektronowych,

oscylacyjnych i rotacyjnych, przy czym tych ostatnich nie

obserwuje się w cieczach. W wyniku absorpcji

promieniowania UV i VIS cząsteczka przechodzi do

jednego ze stanów wzbudzonych, a następnie na różne

sposoby wytraca nadmiar energii. Procesy te przedstawia

się często schematycznie na tzw.diagramie Jabłońskiego.

ABSORPCJA I ROZPRASZANIE

ŚWIATŁA

Jeżeli na drodze równoległej wiązki promieniowania

świetlnego ustawimy próbkę w ten sposób, by światło

padało na nią prostopadle oraz oznaczymy natężenie

światła padającego przez I

0

, to okazuje się, że natężenie

światła wychodzącego I

t

jest mniejsze od I

0

( I

t

< I

0

). Dzieje

się tak, gdyż część padającego światła odbija się na

granicach ośrodków (ściankach próbki), część jest

pochłaniana przez materiał próbki a część rozproszona.

ABSORPCJA I ROZPRASZANIE

ŚWIATŁA c.d.

➲

Pochłanianie (absorpcja) światła polega na osłabieniu
wiązki padającego światła wskutek przekształcenia
części energii świetlnej w inne formy energii, w
szczególności w energię termicznych ruchów atomów i
cząsteczek ośrodka, przez który światło przechodzi.

➲

Przez rozpraszanie światła rozumie się zjawisko
polegające na osłabieniu równoległej wiązki światła
wskutek tworzenia się fal wtórnych, rozchodzących się
we wszystkich możliwych kierunkach. Zachodzi ono w
ośrodkach optycznie niejednorodnych gdzie
współczynnik załamania zmienia się nieregularnie od
punktu do punktu.

PRZECHODZENIE ŚWIATŁA PRZEZ

OŚRODKI JEDNORODNE

➲

Suma natężeń światła – odbitego I

r

, pochłoniętego I

a

i

przepuszczonego I

t

jest równa natężeniu światła padającego

I

0.

Ta relacja wynika z zasady zachowania energii.

➲

Po jej podzieleniu przez I

0

otrzymujemy:

T – współczynnik

przepuszczalnoś

ci lub transmisji

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA

➲

Przez nieskończenie cienką warstwę ośrodka biegnie

monochromatyczna wiązka promieni równoległych.

➲

Warstwa ta ma grubość dl i jest ograniczona równoległymi

powierzchniami prostopadłymi do kierunku rozchodzenia się

światła.

➲

Po przejściu przez tę warstwę natężenie światła zmniejszy

się o dI.

➲

Zmniejszenie to jest proporcjonalne do grubości warstwy dl i

do natężenia I światła wchodzącego do warstwy, a zatem

➲

Współczynnik proporcjonalności k, zależny od właściwości

substancji pochłaniającej, długości fali światła oraz

temperatury, nazywany jest współczynnikiem pochłaniania

(absorpcji) danego ośrodka.

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA c.d.

Ukazane wcześniej

równanie:

Przedstawia różniczkową postać prawa Lamberta.

Można je rozwiązać, skąd otrzymujemy:

oraz

gdzie:

I

1

= I

0

– I

R1

– natężenie światła, które weszło do próbki,

I

2

= I

t

+ I

R2

– natężenie światła, które dotarło do drugiej

powierzchni próbki o grubości l.

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA c.d.

➲

Zależność współczynnika absorpcji od długości fali

padającego promieniowania określa widmo absorpcyjne

danej substancji.

➲

Jeśli ośrodkiem pochłaniającym światło jest roztwór (w

nie pochłaniającym światła rozpuszczalniku), to

zazwyczaj współczynnik pochłaniania jest proporcjonalny

do koncentracji c rozpuszczonej substancji.

➲

Gdzie

c – stężenie [kmol/m

3

],

K – molarny współczynnik absorpcji.

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA c.d.

Zatem w przypadku roztworów równanie:

Ma postać:

Jest to prawo Lamberta - Burgera - Beera

PRAWA ABSORPCJI ŚWIATŁA c.d.

➲

Inną postać tego prawa otrzymuje się przez zmianę

znaku i wprowadzenie logarytmu dziesiętnego.

➲

Gdzie

ε – molowy współczynnik ekstynkcji,

E – ekstynkcja.

➲

Znając dla danej długości fali współczynnik ekstynkcji,

ekstynkcję oraz grubość badanej próbki, można

wyznaczyć stężenie absorbenta.

➲

Zarówno analiza spektralna jakościowa jak i ilościowa,

są bardzo czułymi metodami, pozwalającymi wykrywać

śladowe ilości substancji.

UKŁADY POMIAROWE

I ZASADY POMIARÓW

SPEKTROSKOP

Najprostszym i jednocześnie najstarszym

przyrządem spektralnym jest spektroskop

pryzmatyczny (Kirchhoffa i Bunsena). Schemat

budowy przyrządu:

SPEKTROMETR

SPEKTROGRAF

Do bardzo dokładnego wyznaczenia długości fal

świetlnych oraz współczynników załamania służy

spektrometr. Zarówno w spektroskopie, jak i

spektrometrze widma obserwuje się wizualnie.

Przyrząd, który pozwala na rejestrację widma, np. na

płycie fotograficznej, oraz na pomiar natężenia linii

widmowych nazywa się spektrografem.

SPEKTROFOTOMETR

Jest to przyrząd, w którym intensywność wiązki świetlnej

wychodzącej ze szczeliny monochromatora mierzy się

fotometrycznie w funkcji λ. Przyrząd ten służy głównie do

rejestracji widm abosrpcyjnych.

SPEKTROSKOPIA IR

ZAKRES PODCZERWIENI W

WIDMIE PROMIENIOWANIA

ELEKTROMAGNETYCZNEGO

➲

Fragment widma elektromagnetycznego pokrywający

obszar promieniowania podczerwonego odpowiada

długościom fali od 780nm do 1mm.

➲

Jednak do celów analitycznych wykorzystuje się jedynie

obszar od 2,5μm do 25μm.

➲

Częstość w obszarze podczerwieni najczęściej wyraża

się w liczbach falowych.

➲

Liczba falowa jest odwrotnością długości fali, a

jednostką, w której się ją wyraża, są odwrotne

centymetry.

➲

Tak więc użytecznym obszarem wykorzystywanym do

celów spektroskopii IR jest obszar od ok.4000cm

-1

do

400cm

-1

ZASADA POMIARU

➲

Kwanty energii niesione przez promieniowanie

zaliczane do zakresu podczerwieni są w stanie

zmieniać energię oscylacji i rotacji cząsteczki.

➲

Jeżeli potraktujemy dwie masy (dwie części cząsteczki)

powiązane wiązaniem chemicznym jak układ fizyczny

dwóch ciał połączonych sprężyną, to energia drgań

takiego układu zależy od wielkości tych mas i

sprężystości połączenia.

➲

Energia ta (a więc i pośrednio długość fali, która może

być pochłaniana przez dany układ) jest

charakterystyczna dla danego typu wiązań.

➲

W praktyce charakterystyczny jest dla danego typu

wiązań pewien, czasami nawet dość szeroki, zakres

długości fali. Taki zakres nazywamy częstością

grupową dotyczącą danego typu wiązań.

PRZYKŁADOWE WIDMO IR

INTERPRETACJA WIDM IR

➲

Pełna interpretacja widm IR jest trudna, ponieważ w

obrębie jednej cząsteczki występuje wiele różnych drgań

zginających i rozciągających, widmo zawiera bardzo wiele

różnych pików odpowiadających tym drganiom.

➲

W widmie IR obszar od ok1500cm

-1

do 400cm

-1

jest

nazywany regionem „odcisku palca”. Dlatego jeśli dwa

związki mają identyczne widma IR, prawie na pewno są

to dwa identyczne związki.

➲

Nie musimy interpretować w całości widma IR, aby

uzyskać informacje dotyczące struktury cząsteczki.

Większość grup funkcyjnych daje charakterystyczne

pasma absorpcyjne, których położenie w widmie nie

zależy od rodzaju cząsteczki.

➲

Przez znajdowanie w widmie IR charakterystycznych

pasm absorpcji odpowiadających grupom funkcyjnym,

można uzyskać informację dotyczącą struktury badanych

związków.

W celu łatwiejszego zapamiętania specyficznych

sygnałów absorpcyjnych w widmie IR warto podzielić

cały zakres widma IR od 4000cm

-1

do 400cm

-1

na cztery

części:

SPEKTROSKOPIA

UV/VIS

ZASADY POMIARU

➲

Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu ultrafioletu

(~100-380nm) i światła widzialnego (~380-780nm) niesie

kwanty energii zgodne, co do wielkości, z różnicami

poziomów energetycznych elektronów walencyjnych

cząsteczki.

➲

Z zakresu ultrafioletu wyodrębniamy tzw. zakres ultrafioletu

kwarcowego - 200-350nm. Jest to zakres wykorzystywany

do analizy spektralnej związków chemicznych.

➲

W zakresie tym pochłaniają energię układy zawierające

elektrony π (wiązania wielokrotne i pierścienie

aromatyczne) oraz układy z innymi elektronami o niskiej

energii przejścia od stanu podstawowego do wzbudzonego.

Zakres tych przejść rozciąga się dalej na zakres światła

widzialnego.

WIDMO UV 1,3-BUTADIENU

➲

1,3-butadien ma cztery orbitale molekularne π.

➲

W czasie naświetlania promieniowaniem UV 1,3-

butadien absorbuje promieniowanie i jeden z

elektronów π zostaje przeniesiony z najwyższego

obsadzonego orbitalu molekularnego (HOMO) na

najniższy nieobsadzony orbital molekularny (LUMO).

➲

Ponieważ elektron zostaje przeniesiony z orbitalu

wiążącego π na orbital antywiążący π*, przejście to

zapisujemy jako wzbudzenie π→ π*.

➲

W przypadku 1,3-butadienu różnica energii pomiędzy

HOMO i LUMO odpowiada energii promieniowania o

długości fali elektromagnetycznej λ=217nm, a więc

jest to energia potrzebna do wzbudzenia

elektronowego π→ π*.

WIDMO UV 1,3-BUTADIENU c.d.

WIDMO UV 1,3-BUTADIENU c.d.

➲

W odróżnieniu od widm IR, które wykazują wiele

sygnałów rezonansowych, widma UV są najczęściej

bardzo proste – często jest to jedynie jeden prosty

sygnał. Sygnał jest najczęściej szeroki, a do celów

analitycznych definiujemy jego pozycję określając

długość fali odpowiadającej maksimum piku λ

max

.

➲

Na podstawie znajomości λ

max

i molowego

współczynnika absorpcji możemy wnioskować o

istnieniu wiązań wielokrotnych, ich sprzęganiu

(wzajemne położenie) oraz istnieniu w cząsteczce

układów aromatycznych. Spektroskopia w ultrafiolecie i

świetle widzialnym jest dość prosta w wykonaniu i

interpretacji, niesie jednak stosunkowo niewiele

informacji o budowie cząsteczki i to na dość niskim

poziomie szczegółowości.

INTERPRETACJA WIDM UV

➲

Dokładna długość fali odpowiadająca wzbudzeniu π→ π*

zależy od różnicy energii pomiędzy poziomami

energetycznymi orbitali HOMO i LUMO, a różnica ta jest

z kolei odzwierciedleniem układu sprzężonych

elektronów w cząsteczce.

➲

Rejestrując widmo UV nieznanego związku, możemy

uzyskać informacje o strukturze związku, zwłaszcza o

jego układzie sprzężonych ze sobą elektronów π.

➲

Jednym z najistotniejszych czynników wpływających na

długość fali promieniowania UV, przy której następuje

absorpcja jest zasięg sprzężenia w obrębie cząsteczki.

➲

Np.:

1,3-butadien absorbuje przy λ

max=217nm,

benzen przy λmax=254nm,

naftalen przy λmax=275nm

➲

Dłuższa fala promieniowania oznacza mniejszą energię.

BARWNE ZWIĄZKI ORGANICZNE

➲

Związki barwne zawierają układy sprzężone rozciągnięte na

tak wiele wiązań w cząsteczce, że ich widmo absorpcyjne

przechodzi z obszaru UV aż w obszar światła widzialnego.

➲

np. β-karoten ma jedenaście sprzężonych wiązań C≡C, a jego

absorpcja występuje przy λ

max

=455nm.

➲

Światło białe promieniowania słonecznego jest mieszaniną

promieniowania w zakresie widzialnym o wszystkich

długościach fali. Kiedy światło białe pada na β-karoten,

wówczas absorpcji ulega światło w zakresie 400-500nm

(światło niebieskie), natomiast reszta zostaje odbita i dociera

do naszych oczu.

➲

W ten sposób dociera do oka światło białe zubożone o zakres

odpowiadający barwie niebieskiej, co nasze zmysły

postrzegają jako kolor pomarańczowy.

➲

Jest to słuszne również dla innych substancji barwnych:

wszystkie one najczęściej zawierają w swojej strukturze

sprzężony układ elektronów π, co powoduje, że wykazują

absorpcję w zakresie światła widzialnego.

LITERATURA

➲

John mcMurry „Chemia organiczna”,

➲

Edmund Szyszko „Instrumentalne metody analityczne”,

➲

Galen W. Ewing „Metody instrumentalne w analizie

chemicznej”,

➲

Strona internetowa:

http://pl.wikipedia.org

,

➲

Strona internetowa:

http://www.mlyniec.gda.pl