Spektroskopia absorpcyjna UV/VIS

Podstawy teoretyczne

Metoda ta obejmuje zakres promieniowania: 200 - 1 100 nm

(25 000 - 12 500 cm-1)

100 - 200 nm daleki (próżniowy) nadfiolet (absorpcja O₂)

200 - 400 nm bliski nadfiolet

400 - 1 100 nm promieniowanie widzialne (VIS)

Podstawą metod jest selektywna absorpcja promieniowania, powodująca zmiany energii elektronowej ΔE_e cząsteczki na skutek przeniesienia elektronów walencyjnych z niższego (praktycznie podstawowego) stanu elektronowego na wyższy poziom energii elektronowej.

Absorpcja promieniowania przez cząsteczki jest selektywna - częsteczki absorbują tylko określone (charakterystyczne dla nich ) kwanty promieniowania (określone przez E, λ, ν).

Warunki absorpcji promieniowania (reguły wyboru)

1. ∆E_e = hν (energia, kwant promieniowania absorbowanego musi odpowiadać różnicy poziomów energetycznych dla elektronów walencyjnych cząsteczki - energia przejścia (warunek niewystarczajacy)

2. Prawdopodobieństwo przejścia absorpcyjnego (moment przejścia) między stanami elektronowymi R_lm # 0 jest określone zmiana momentu dipolowego czasteczki. Przejscie elektronowe jest dozwolone jeśli towarzyszy mu zmiana symetrii gęstości elektronowej

3. Dozwolone są przejścia między stanami o tej samej multipletowości (singlet-singlet, dublet-dublet, itd.)

W wyniku naruszenia tych reguł w widmie mogą pojawić się pasma wzbronione

Mimo tych ograniczeń, liczba możliwych przejść w widmie elektronowym jest bardzo duża, pełna struktura widma elektronowego czasteczkowego jest skomplikowana. Można ją zaobserwować dla małych (dwuatomowych) cząsteczek w fazie gazowej. Np. widmo jodu na rys.

Prawa absorpcji

b

I₀ I

I₀ - natężenie promieniowania padającego

I - natężenie promieniowania po przejściu przez warstwę absorbującą o grubości b

I_a - natężenie promieniowania zaabsorbowanego

I₀ = I_a + I ( jeśli I _odb = 0) /: I₀

1 = I_a/ I₀ + I/ I₀ gdzie I/ I₀ = T transmitancja, przepuszczalność

100 I/ I₀ = T%

1. I = I₀ e ^-kb albo ln I/I₀ = -kb

Natężenie promieniowania monochromatycznego, przechodzącego przez jednorodny ośrodek ulega osłabieniu proporcjonalnie do grubości warstwy,

k = współczynnik absorpcji, zależny od λ oraz rodzaju ośrodka absorbującego.

A

2. I = I₀ e ^-cab albo lg I/I₀ = A = a c b stąd c = a b

Absorbancja lub ekstynkcja A = lg 1/T lub A = lg 100/T

k = 2.303 a

Natężenie promieniowania monochromatycznego po przejściu przez warstwę roztworu o gr. b oraz stężeniu c ulega osłabieniu proporcjonalnie do b oraz c.

a - współczynnik absorpcji (A/bc), charakterystyczny dla substancji absorbującej, rozpuszczalnika, zależy od λ, nie zależy od c

jeżeli c [g/cm3] oraz b[cm] - a = właściwy wsp. absorpcji

jeżeli c[mol/l] - a = ξ = molowy wsp. absorpcji

a A

c c

T % zmienia się w zakresie 0 - 100%

A zmienia się w zakresie 0 - praktycznie 2, 3

3. A = lg I/I₀ = A₁ + A₂ = A₃......

Absorbancja mieszaniny jest równa sumie absorbancji poszczególnych składników w mieszaninie

Dla mieszaniny dwuskładnikowej As = [(k1 -k2)/ 100] c = k2

c - stężenie jednego składnika w %

100-c - stężenie drugiego składnika

k₁ oraz k₂ są współczynnikami kalibracji k = ab lun ع b

Odstępstwa od praw absorpcji

Selektywność absorpcji

Selektywność absorpcji - czyli pochłanianie określonych, charakterystycznych dla danego związku chemicznego, długości fal, wiąże się z wrażeniem barwy jakiej doznaje się w widzialnym zakresie widma 400-1100nm.

Substancje chemiczne mogą:

- przepuszczać cały zakres widma widzialnego (barwa biała)

- absorbować cały obszar tego promieniowania (barwa czarna), lun

- absorbować selektywnie, niektóre, określone dla tej substancji długości fal.

Barwa wynika z selektywnej absorpcji przez cząsteczki chemiczne.

Po przejściu promieniowania przez taką substancję, określona część (długości fal) zostanie zaabsorbowana, zaś do oczu trafia promieniowanie, które nie zostało zaabsorbowane. Widać barwę dopełniającą , na którą składają się poszczególne długości fali promieniowania przepuszczonego.

Dla substancji nieprzeźroczystych barwa zależy od rodzaju promieniowania odbitego.

Zakres promieniowania widzialnego i odpowiadajace im barwy i barwy dopełniające

∆λ [nm] dl. fali (barwa) promieniowania barwa

absorbowanego dopełniająca

400-450 fiolet żółto-zielona

450-480 niebieska żółta

480-490 zielono-niebieska pomarańczowa

490-500 niebiesko-zielona czerwona

500-560 zielona purpurowa

itd....

Chlor absorbuje zakres bliskiego nadfioletu, fioletu i błękitu (300-450 nm), zaś promieniowanie przepuszczone daje barwą zielonożółtą; brom absorbuje fale 360-600 nm promieniowanie przepuszczane daje wrażenie barwy czerwonobrunatnej

Jaki jest związek pomiędzy barwą substancji a jej budową chemiczną?

Badania Witta wykazały, że zjawisko selektywnej absorpcji przez związki barwne wiąże się z obecnością w ich cząsteczkach pewnych nienasyconych grup funkcyjnych, zwanych chromoforami (chroma - barwa)

Zatem zdolność selektywnej absorpcji promieniowania UV/VIS uwarunkowana jest obecnością w strukturze określonych grup funkcyjnych -chromoforów.

• W zależności od rodzaju chromoforu cząsteczka absorbuje określoną, charakterystyczną dla niego część promieniowania Δλ i w widmie cząsteczkowym pojawia się pasmo o charakterystycznej dla tego chromoforu długości fali

Dany chromofor w różnych cząsteczkach absorbuje w przybliżeniu

promieniowanie o tej samej długości fali np. -CH=CH- - 165 nm,

-C=O - 154, 187, 280 nm

C₆H₆ - 189, 299, 255 nm

• Na podstawie znajomości położenia pasma (maximum absorpcji) w widmie danej substancji można zidentyfikować chromofor, odpowiedzialny za tę absorpcję.

Niektóre grupy funkcyjne - auksochromy (gr. kowalencyjnie nasycone z wolnymi parami elektronowymi), przyłączone do chromoforu powodują zmianę położenia pasma chromoforu oraz jego intensywność.

Położenie pasma danego chromoforu może zmieniać się na skutek wpływu:

• otoczenia strukturalnego, które poprzez efekty elektronowe i steryczne zmienia energie elektronów w danym chromoforze,

• rozpuszczalnika

• pH

Przesunięcie maximum absorpcji

- w kierunku fal dłuższych - przesunięcie batochromowe,

- w kierunku fal krótszych - przesunięcie hipsochromowe

Podwyższenie maximum absorpcji - efekt hiperchromowy

Obniżenie maximum absorpcji - efekt hipochromowy

lgξ

λ λ

Słabe chromofory (np. grupa benzenowa, etylenowa) asbsorbują w zakresie dalekiego nadfioletu (195 nm). Sprzężenie grup etylenowych przesuwa absorpcję w kierunku fal dłuższych: ( -CH=CH-)₅ - 326 nm,

(-CH=CH-)₁₁ - 420-480 nm

Widmo UV/VIS a struktura cząsteczki

1. Selektywna absorpcja promieniowania i odpowiadające tej absorpcji pasma w widmie UV/VIS danej cząsteczki, zależy od przejść elektronów walencyjnych z poziomu podstawowego na wzbudzony w określonych grupach funkcyjnych zwanych chromoforami.

2. Własności spektralne danej cząsteczki można wyjaśnić w oparciu o klasyfikacje jej elektronów walencyjnych

Elektrony walencyjne w cząsteczce:

δ - tworzące wiązania pojedyncze

π - wiązań podwójnych, potrójnych, aromatycznych

n - niewiążące

Utworzenie wiązania δ lub π oznacza wydzielenie energii, zatem energie stanów

δ oraz π są niższe niż stanu n. Ponieważ wiązanie δ jest mocniejsze niż π, więc energia stanu δ jest niższa niż π

Po absorpcji kwantu promieniowania nastąpi powstanie orbitali antywiążących odpowiednio δ* oraz π* o energii wyższej od energii stanu n (Oznacza to odpychanie pomiędzy atomami czyli osłabienie lub nawet rozerwanie wiązania)

δ*

π*

n

π

δ

δ- δ* > n- δ* > π- π* > n- π*

przejście δ- δ*

C-C, C-H, leżą w obszarze nadfioletu próżniowego <190 nm (CH₄ , 125 nm)

przejście π- π* (pasma o dużej intensywności)

wzbudzenie elektronów (słabiej związanych od ) wymaga mniejszej energii, stąd odpowiadąjace pasma występują w bardziej długofalowym obszarze widma

(160-220 nm) , np. etylen - 165 nm,

butadien - 217 nm,

benzen - 180, 200, 255 nm

przejście n- δ* (są wzbronione, ich natężenie jest mniejsze)

charakterystyczne dla związków z wolnymi parami elektronowymi, np.

H₂0 - 167 nm

formaldehyd - 190 nm

metyloamina - 215 nm

trójmetyloamina - 227 nm

przejście n- π* (bliski nadfiolet i światło widzialne)

charakterystyczne dla grup z wiązaniami podwójnymi w których obecne sa heteroatomy, np. C=O, N=N, N=O

aldehyd octowy - 294 nm

aceton - 279 nm

Wpływ czynników na położenie pasma w widmie UV/VIS

Etylen etylen butadien

π*

δ- δ*

π- π* π*

π π

165 nm 217 nm

Oddziaływania międzycząsteczkowe oraz wewnątrz cząsteczkowe - przejawiają się silniej w widmach elektronowych niż w innych widmach cząsteczkowych

1. Im większa liczba sprzężonych wiązań podwójnych, tym niższa energia wzbudzenia elektronów π i odpowiednie pasmo przesunięte w stronę dłuższych fal (przesunięcie batochromowe), dla 5, 6 wiązań sprzężonych pojawia się w obszarze światła widzialnego.

butadien - 217 nm

heksatrien - 258

2. Podstawienie grupami alkilowymi (dodatni efekt indukcyjny)

Ładunki jąder przyciągające elektrony π są silniej ekranowane i przejście

π- π* jest łatwiejsze ze względów elektrostatycznych (ef. batochromowy)

3. Wprowadzenie podstawników auksochromowych

powoduje przesunięcie batochromowe (na skutek efektu indukcyjnego i

rezonansowego, obniża się energia wzbudzenia, np.

C=C - X X = -O-CO Δλ = 0 (dla π- π*)

X = - OR Δλ = 6 nm (elektroujemność = 3.5)

X = - SR Δλ = 30 nm (elektroujemność = 2.5)

X = - Cl Δλ = 5 nm

X = -NR₂ Δλ = 60 nm

4. Wpływ polarnego rozpuszczalnika na przejście π-π* oraz n-π*

Dla większości przejść stan wzbudzony π* jest bardziej polarny niż

podstawowy, a więc bardziej stabilizowany przez polarny rozpuszczalnik

niż stan podstawowy.

Rozpuszczalnik polarny zbliża do siebie poziomy energetyczne π-π* co

powoduje efekt batochromowy

Gdy cząsteczka zawiera heteroatomy to mogą one oddziaływać

z rozpuszczalnikiem tworząc wiązanie wodorowe. Rozpuszczalnik

polarny w większym stopniu stabilizuje orbital n niż π* w rezultacie

powoduje zwiększenie odległości n-π* (efekt hipsochromowy)

π* π* π*

n

π*

n

π π π π

brak polarnego oddziaływania z hexan etanol

rozpuszczalnika polarnym rozpuszcz.

5. Wpływ efektów sterycznych

Koplanarnośc układu wiązań podwójnych jest warunkiem maksymalnego rezonansu tj. najbardziej efektywnego nakładania się orbitali π i w związku z tym łatwości przejścia π-π*

izomery cis i trans (łatwiej odróżnić na podstawie widma IR)

izomer trans pochłania silniej przy większej długości fali

izomer cis łatwiej przyjmuje konfigurację nieplanarną

cis 222 nm trans 229 nm

283 nm 295 nm

zakryte 308 nm

Odchylenie układu sprzężonego od położenia płaskiego (zmniejsza natężenie pasma oraz energię rezonansu co powoduje przesunięcie hipsochromowe

Przejścia z przeniesieniem ładunku

W wyniku absorpcji fotonu elektron (najczęściej s lub p) z cząsteczki -

donora przenosi się na niezajęty orbital drugiej molekuły - akceptora.

Po wyemitowaniu pochłoniętego fotonu molekuły wracają do stanu

pierwotnego (to znaczy, że nie nastąpiło utlenienie/redukcja czasteczek.

Przykładem są kompleksy z przeniesieniem ładunku np. kompleksy jodu z benzenem, pirydyną, eterem i in. donorami elektronów.

Charakterystyczną cechą tego przeniesienia jest pojawienie się nowego pasma absorpcji, które nie występuje w widmach oddzielnych składników. Pasmo to jest znacznie oddalone od pasm składników i pojawia się w widzialnej części widma lub bliskim nadfiolecie. To oznacza obniżenie energii stanów elektronowych w kompleksie w stosunku do energii składników. Pasma te charakteryzuje duża intensywność i szerokość.

Zastosowania spektroskopii UV/VIS

Podstawa zastosowań analitycznych jest charakterystyczność położenia i intensywności pasm. Pasma przejść elektronowych są bardzo wrażliwe na oddziaływania wewnątrz oraz międzycząsteczkowe i tylko pełna identyczność widma substancji oraz wzorca w tym samym środowisku (rozpuszczalnik, pH) pozwala na identyfikację substancji.

Oprócz typowych zastosowań metody te mają duże znaczenie w badaniu równowag tworzenia się i struktury kompleksów jonów metali przejściowych (pasma przejść d-d oraz pasma przeniesienia ładunku charakterystyczne dla kompleksów)

Odróżnienie izomerów cis- oraz trans- w widmie UV/VIS umożliwia analizę zawartości tych izomerów.

Badania równowag kwasowo-zasadowych

Widma związków zawierających grupy kwasowe lub zasadowe często zależą od pH roztworu. Wynika to z równowagi form protonizowanej i nieprotonizowanej, z których każda ma inne pasmo absorpcji. Zmiana pH wywołuje przesunięcie równowagi i zwiększenie intensywności pasma jednej formy kosztem pasma drugiej. Przy skrajnych wartościach pH równowaga przesuwa się całkowicie w stronę jednej z form.

Śledząc zależność absorpcji dla wybranej długości fali od pH środowiska (miareczkowanie spektrometryczne)możemy określić stałą dysocjacji pK, która jest równa wartości pH wówczas gdy stężenia obu form są równe.

---