Analiza instrumentalna
Literatura:
R.M.Silverstein, Bassler  Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych
W.Szczepaniak  Metody instrumentalne w analizie chemicznej 1996
Metoda analityczna
I. Określony sposób postępowania według którego wykonuje się analizę
(wykrywanie lub oznaczanie składników próbki)
II. Grupa metod wykazujących pewne typowe procesy wspólne dla wielu procedur
analitycznych np. miareczkowanie
Sygnał analityczny- rejestrowany sygnał dla danego układu analitycznego, niosący
informację o składzie próbki, wykorzystywany do wykrywania lub oznaczania danego
składnika np. wystąpienie osadu, zabarwienie roztworu, absorpcja promieniowania itd.
Ostry podział na metody klasyczne i instrumentalne jest w rzeczywistości pozorny.
Chemiczna analiza instrumentalna- obejmuje metody pomiaru właściwości fizycznych lub
fizykochemicznych próbki, celem określenia jej składu jakościowego lub ilościowego.
Możliwość powiązania właściwości fizycznej lub fizykochemicznej substancji z jej składem
jakościowym pozwala wykorzystać metodę instrumentalną do identyfikacji tej substancji.
Podstawą instrumentalnych ilościowych metod analizy jest istnienie zależności pomiędzy
mierzoną właściwością a stężeniem
Zalety metod instrumentalnych:
-znacznie wyższa czułość w porównaniu do metod klasycznych, umożliwiająca np.
oznaczenie stężeń w zakresie ppb
-wykonanie pomiaru jest na ogół łatwe i szybkie ale czas przygotowania próbki w niektórych
przypadkach sięga nawet wielu godzin
-analiza może być łatwo zautomatyzowana
-często możliwe jest oznaczenie składnika nawet wtedy gdy towarzyszy mu skomplikowana
matryca
Wady:
-bardzo wysoki koszt aparatury
Tradycyjny podział metod instrumentalnych
Metody elektrochemiczne: konduktometria, potencjometria, kulometria, polarografia,
- związane z efektami towarzyszącymi przepływowi prądu przez badany roztwór lub
spowodowany reakcjami elektrod zanurzonych w roztworze
Metody termoanalityczne- za pomocą których badane są zmiany właściwości substancji
wraz ze zmianami temperatury
Metody radiometryczne- związane z efektami naturalnej lub sztucznej promieniotwórczości
oraz efektami współdziałania promieniowania jądrowego z badaną próbką
Metody chromatograficzne- umożliwiające przede wszystkim rozdzielenie składników
próbki w układzie z fazą stacjonarna
Metody spektroskopowe- pomiar zmian właściwości promieniowania elektromagnetycznego
oddziałującego z badaną materią
1
Etapy postępowania analitycznego:
Pobór próbki reprezentatywnej Ä…ð Wybór metody analitycznej Ä…ð Wybór sprzÄ™tu
analitycznego Ä…ðPrzygotowanie próbki (np. mielenie, suszenie, zatężenie itp.) Ä…ð pomiar Ä…ð
interpretacja wyników
Wybór odpowiedniej metody instrumentalnej
- właściwości metody, tj. jej dokładności, precyzji, czułości, wykrywalności, oznaczoności,
powtarzalności, odtwarzalności oraz specyficzności
- właściwości badanego materiału (np. składu matrycy, poziomu zwartości oznaczanego
składnika i jego rozkładu przestrzennego (znana orientacyjna zawartość oznaczonego
pierwiastka decyduje o koniecznej precyzji metody), wielkość próbki itp.
- rodzaju i celu analizy np. półilościowa czy dokładna
-czasu wykonania
- czynników ekonomicznych (koszt wykonania analizy)
- wielkość próbki i jej stanu skupienia, możliwości rozkładu lub obróbki próbki (analiza
niszczÄ…ca lub nieniszczÄ…ca)
2 wykład
Metody termoanalityczne-grupa metod analitycznych, w których mierzy się określoną
właściwość układu w funkcji temperatury
Można dokonać ogólnego podziału metod termoanalitycznych na metody związane z:
-zmianÄ… masy
-zmianÄ… temperatury
-zmianÄ… entalpii
Przykłady metod termoanalitycznych:
Nazwa metody Stosowany Właściwość badana w Aparatura
skrót zależności
Od zmiany temperatury
Analiza TG Zmiana masy Termowaga
termograwimetryczna
Różnicowa DTG Zmiana masy Termowaga
termograwimetria
Różnicowa analiza DTA Ciepło wydzielane lub Aparatura do DTA
termiczna pochłaniane
Skaningowa kalorymetria DSC Ciepło wydzielane lub Różnicowe
pochłaniane kalorymetry
Analiza wydzielonego EGA Detekcja gazu Analizator gazów
gazu
Wyniki badań termicznych rejestruje się w postaci krzywych obrazujących zależność
mierzonej właściwości od temperatury. Można też rejestrować ich pierwsze pochodne
(krzywe różniczkowe). Otrzymane krzywe różniczkowe:
-określają szybkość zmian mierzonego parametru
-ułatwiają odróżnienie nakładających się na siebie efektów termicznych i dokładne
wyznaczenie temperatury punktów elementarnych krzywych termicznych
Termograwimetria (TG)- jest najczęściej stosowana techniką spośród metod analizy
termicznej. Polega na pomiarze zmian masy próbki w funkcji temperatury, to jest podczas
ogrzewania, studzenia lub izotermicznego ogrzewania (w danej temperaturze przez pewien
okres czasu)
2
Wynik- krzywa TG przedstawiająca wykres zależności zmian masy próbki jako funkcja
temperatury lub czasu
Stosowany aparat- termowaga umożliwiająca rejestrację masy próbki
DTG- pierwsza pochodna krzywej TG, krzywe różniczkowe określające szybkość zmian
mierzonego parametru
Analiza TG
Termiczna analiza różnicowa (DTA)- polega na rejestrowaniu efektów cieplnych
występujących w każdej próbce podczas jej ogrzewania lub chłodzenia, określanych w
stosunku do substancji termicznie obojętnych
DTA jest metodÄ… badawczÄ… wykrywajÄ…cÄ… efekty cieplne towarzyszÄ…ce przemianom
fizycznym lub chemicznym
DTA- zasady metody:
-pomiar dokonywany w stosunku do substancji termicznie obojętnej- wzorca (zazwyczaj
tlenek glinu lub wyprażona uprzednio próbka substancji)
-badana próbka i substancja wzorcowa, umieszczona w specjalnych tyglach, ogrzewane SA w
piecu jednocześnie i w jednakowych warunkach
-w próbce i w substancji wzorcowej umieszczone SA termoelementy, połączone z resztą
układu w sposób umożliwiający mierzenie różnicy ich mas, a tym samym różnicy
temperatury delta
Wynik- krzywa DTA na której różnica temperatur odkładana jest na osi rzędnych , a na osi
odciętych temperatura lub czas
Analiza DTA- schemat
Aparatura do DTA
Techniki Å‚Ä…czone
Od wielu lat funkcjonujÄ… aparaty pozwalajÄ…ce na jednoczesne pomiary w jednym
eksperymencie:
-krzywej termograwimetrycznej (TG)
-różnicowej krzywej termograwimetrycznej (DTG)
-różnicowej krzywej termicznej (DTA)
-krzywej przedstawiajÄ…cej temperaturÄ™ pieca (T)
3
Wykład 3
Czynniki wpływające na kształt krzywych TG i DTA:
-warunki pomiaru (dynamiczne lub statyczne)
-atmosfera gazowa pieca
-wielkość próbki
-wielkość ziaren próbki, jej ubicie w tyglu, grubość warstwy
-szybkość wzrostu temperatury
-inne
Podając wynik analizy należy podać także warunek w jakim została ona wykonana
Metody termoanalityczne wykorzystywane sÄ… do:
-badania reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzÄ…cych w czasie ogrzewania
substancji
-wyznaczanie parametrów termodynamicznych i kinetycznych reakcji
-jakościowego i ilościowego określania składu fazowego i chemicznego substancji
-określania składu fazowego i czystości surowców oraz badanie reakcji
wysokotemperaturowych, zwiÄ…zanych z wytwarzaniem wielu tworzyw
-wyznaczanie trwałości termicznej materiałów
Metody absorpcyjne dzieli się niezależnie od używanego zakresu promieniowania i
stosowanej techniki badawczej:
-spektroskopowe w zakresie ultrafioletu i światła widzialnego (ang.UV/VIS- Ultra Violet/
Visable)
-spektroskopowe w zakresie podczerwieni (IR- Infra Red)
4
-metody rezonansu magnetycznego:
*spektroskopie względem rezonansu jądrowego (Nuclear Magnets Rezonanse- NMR)
*spektroskopie elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR-Elektronic)
*spektroskopie masowÄ… (Mass Spectrometry- MS)
*inne
Ilościowa ocena zjawiska absorpcji- prawo Lamberta-Beera
Pomiar spektrometryczny- rejestracja sygnałów detektora, które są proporcjonalne do
zjawiska absorpcji
Pomiar spektrofotometryczny- porównanie intensywności XXXX podającej i przechodzącej
przez badaną próbkę
Promieniowanie monochromatyczne
T= I/I
o
I- po przejściu przez próbkę
Io- początkowa intensywność próbki
T- transmisja (przepuszczalność)
I- stosunek promieniowania monochromatycznego po przejściu przez próbkę
Io- do początkowej intensywności próbki
Absorpcja
A= log 1/T = log I /I
o
Prawo Lamberta-Beera
A= µ c l
µ- molowy współczynnik absorpcji(wartość staÅ‚a dla danej próbki), nie zależy od
stężenia, zależy od długości fali, promieniowania padającego, rodzaju substancji
absorbującej światło i od temperatury roztworu
c- stężenie
l- grubość warstwy roztworu
Prawo Lamberta-Beera  jest podstawą ilościowej analizy spektroskopowej,
ponieważ przy wybranej długości fali cząsteczki (liczbie fotonowej) promieniowania
zależność absorpcji od stężenia jest liniowa. W praktyce spotyka się odstępstwa
powodowane np. oddziaływaniem między badaną substancją a rozpuszczalnikiem
Addytywność absorpcji- w przypadku mieszaniny substancji absorbującej
promieniowanie elektromagnetyczne sumaryczna absorpcja mieszaniny jest równa
sumie absorpcji składowych
A= A +A +& A
1 2 n
Wykład 4
Spektroskopia w podczerwieni
Podział promieniowania
›  dÅ‚ugość fali
" - liczna falowa
5
W badaniach struktury związków największe znaczenie ma obszar podczerwieni
właściwej
›= 2,5- 25 źm
" = 400- 4000 cm -1
Absorpcji promieniowania w tym zakresie odpowiadają przejścia oscylacyjno rotacyjne
Widmo IR- rejestrowana zależność transmitancji (lub absorpcji) dla próbki ciekłej, stałej
lub gazowej od liczby falowej (lub długości fali)
Molekuły wirują wokół własnej osi (rotacja). Równocześnie ich atomy oscylują wokół
położeń równowagi atomy oddalają się i przybliżają do siebie)
Promieniowanie elektromagnetyczne absorbowane przez czÄ…steczki powoduje:
-wzbudzenie elektronów
-zmiany energii oscylacyjnej i rotacyjnej czÄ…steczki
Promieniowanie podczerwone
Absorpcja promieniowania podczerwonego Ä…ðzmiany energii rotacyjnej i oscylacyjnej
molekuły
Energia wzbudzeń oscylacyjnych jest o 1-2 rzędy większa od energii wzbudzeń
rotacyjnych
Widma IR ciał stałych i cieczy- widma oscylacyjne widma IR gazów- widma
oscylacyjno-rotacyjne
Rodzaje drgań cząsteczkowych
1) Rozciągające (walencyjne)- ruch atomów powoduje rozciąganie i skracanie wiązania
chemicznego
-asymetryczne- jedno rozciÄ…gajÄ… siÄ™, drugie siÄ™ kurczÄ…
-symetryczne- oba siÄ™ kurczÄ… lub rozciÄ…gajÄ…
2) Deformacyjne- drgania powodujące zmiany katów pomiędzy wiązaniami lub
przemieszczanie części cząstki w stosunku do jej szkieletu
-wahadłowe (kołyszące)- oba tak samo
-nożycowe- atomy zbliżają się do siebie lub oddalają
-skręcające- jedno do przodu drugie do tyłu
-wachlarzowe- do przodu i do tyłu
W podczerwieni obserwuje siÄ™ tylko drgania powodujÄ…ce rytmiczne zmiany momentu
dipolowego.
Rzadko obserwowana jest teoretyczna liczba drgań normalnych cząsteczki
Czynniki zwiększające liczbę pasm (XXX teoretycznej liczby drgań):
-nadtony (wielokrotności danej częstości drgań, drgania harmoniczne)
-drgania złożone (suma lub różnica dwóch drgań)
Zjawiska zmniejszające teoretyczną liczbę drgań:
-występowanie pasm poza zakresem podczerwieni właściwej
-bardzo mała intensywność pasm
-położone blisko siebie pasma nakładają się na siebie
-drgania nie wywołujące zmian momentu dipolowego
Model molekuły dwuatomowej, której atomy oscylują wokół środka masy
oscylator harmoniczny
6
Siła potrzebna do odkształcenia sprężyny jest proporcjonalna do wielkości tego odkształcenia
(prawo Hooke a)
Równanie wyprowadzone z powyższego prawa łączy częstość oscylacji masy drgających
atomów i stałą siłową wiązania:
v- częstość [cm-1]
c- prędkość światła [cm/s]
f- stała siłowa wiązania N/cm (ok. 5 N/cm dla wiązania pojedynczego, 10 N/cm dla
podwójnego i 15 N/cm dl potrójnego)
Mx, My- masy drgających atomów
Stosując prawo Hooke a można wyznaczyć niektóre częstości drgań rozciągających
Odstępstwa od wartości policzonych a zarejestrowanych wynikają z faktu, że wzór nie
uwzględnia wpływu otoczenia cząsteczki na drgające atomy. W rzeczywistości siła
przeciwdziałająca odkształceniu, szczególnie przy dużych odkształceniach, nie jest
proporcjonalna do wielkości odkształcenia, co zakłada prawo Hooke a.
Np. dla drgań rozciągających C-H
Wartość policzona: V= 3032 cm-1
Wartość rzeczywista
Dla grup  CH3 V= 2960 cm-1
Dla grup  CH2 V= 2850 cm-1
Widmo IR jest właściwością charakterystyczną dla danego związku chemicznego.
Poszczególnym grupom funkcyjnym można przypisać ściśle określone obszary, w których
występują charakterystyczne dla nich pasma absorpcyjne.
Na podstawie pasm charakterystycznych dla węglowodorów aromatycznych można je
odróżnić od węglowodorów alifatycznych.
Subtelne różnice pasm pozwalają na bardziej dokładne wnioskowanie o budowie związku, np.
o rzędowości alkoholu, amidów, sposobie podstawienia w pierścieniach aromatycznych itp.
Identyfikacji związku chemicznego można dokonać porównując uzyskane dla niego widmo z
widmem wzorcowym zarejestrowanym w tych warunkach. Całkowita zgodność wszystkich
pasm pozwala na wnioskowanie o identyczności porównywanych związków.
Metoda absorpcji w podczerwieni umożliwia także analizę ilościową.
Pasma odpowiadajÄ…ce tonom podstawowym pojawiajÄ… siÄ™ w widmie IR w obszarze 4000-400
cm-1
Wykład 5
Obszar grup funkcyjnych- region o szczególnej wartości diagnostycznej; zakres 3700-1500
cm-1, gdzie obserwuje się dla pasm drgań rozciągających wiązań podwójnych, potrójnych i
pojedynczych wodór-heteroatom. Pasma te pojawiają się w wąskich, nie nakładających się na
siebie obszarach widmowych.
Obszar daktyloskopowy zwiÄ…zku: obszar  odcisku palca 1300-700 cm-1, charakterystyczny
dla związku, niepowtarzalny układ pasm, odpowiadających złożonym drganiom molekuły.
Ten obszar jest najbardziej miarodajny przy identyfikacji związków przez proste porównanie
widm. Możliwości interpretacji widma są zazwyczaj ograniczone z powodu licznych
nakładających się pasm, których nie można powiązać z określonymi elementami struktury.
Oddziaływania sprzężone- gdy dwa drgające wiązania mają wspólny atom, to z powodu
istniejących oddziaływań rzadko zachowują się jak odrębne oscylatory. Oscylacje takich
wiązań silnie ze sobą oddziałują w wyniku sprzężenia mechanicznego.
Aby zaistniało sprzężenie:
-wiązania muszą oscylować ze zbliżoną częstotliwością
7
-sprzęgające się drgania mają taką samą symetrię
-oscylujące wiązania są połączone wspólnym atomem
Efekt sprzężenia- pojawienie się w widmie IR dwóch pasm o częstości mniejszej i większej
od spodziewanej charakterystycznej częstości drgania niesprzężonego
Przykład: cząsteczka ditlenku węgla O=C=O
Drganie symetryczne
Drgania asymetryczne
1715 cm-1- częstość typowa dla grupy karbonylowej C=O w ketonach niesprzężonych.
Drgania symetryczne- (zgodne w fazie kurczenia i rozciągania wiązań)  absorpcje przy
długości fali niższej niż spodziewana (drgania symetryczne nie powodujące zmian momentu
dipolowego cząsteczki w nieaktywne IR, można je obserwować w widmie Ramana)
Drgania asymetryczne-(niezgodne w fazie, jedno wiÄ…zanie siÄ™ rozciÄ…ga, drugie siÄ™ kurczy)-
absorpcje przy wyższej długości fali powodują zmianę momentu dipolowego.
W wyniku silnego sprzężenia mechanicznego drgań grupy funkcyjnej z drganiami reszty
molekuły charakterystyczna absorpcja grupy w obszarze częstości grupowej może się nie
pojawić.
Węglowodory nasycone: Alkany
4 rodzaje drgań: rozciągające i deformacyjne C-C i C-H
Drgania rozciągające wiązań C-H 3000- 2840 cm-1. Położenie tych pasm w widmie należy
do najbardziej stałych.
Dla  CH drgań rozciągających asymetrycznych 2975-2950 cm-1, symetryczne 2885-2860 cm-
3
1
Dla  CH drgań rozciągających asymetrycznych 2935-2915 cm-1, symetrycznych 2865-2840
2
cm-1
Pasma absorpcyjne drgań deformacyjnych nożycowych grup CH i CH występują w widmie
3 2
w stałym zakresie jeżeli grupy te nie sąsiadują z grupą karbonylową ani z atomami innymi niż
atom węgla.
Drgania deformacyjne nożycowe asymetryczne grup  CH 1470-1420 cm-1, symetryczne
3
1380 cm-1 (zwykle pasmo o większym natężenie niż pasmo drgań asymetrycznych).
Drgania deformacyjne nożycowe asymetryczne grup  CH 1475-1450 cm-1 (przeważnie
2
nakłada się z pasmem drgań nożycowych asymetrycznych grup  CH )
3
Pasma drgań deformacyjnych wachlarzowych i skręcających  CH 1350-1150 cm-1,
2
wahadłowych 770-700 cm-1.
Mała intensywność pasm i zmienne położenie. Wyjątek- intensywne pasmo drgań co najmniej
5 połączonych grup  CH w łańcuchu prostym przy ok. 720 cm-1
2
8
Rozgałęzienia łańcucha węglowodorowego:
- grupa izopropylowa  CH(CH )  dublet (dwa pasma) zazwyczaj o podobnej intensywności
2 2
ok. 1385 cm-1 i 1375 cm-1
- grupa t-butylowa  dublet przy ok. 1385 i 1365 cm-1 (drugie z wymienionych pasm jest
bardziej intensywne)
Pasma drgań wiązania C-C w widmie IR
-zginające- poniżej 500 cm-1, rozciągające 1200-800 cm-1 (słaba intensywność). Te rodzaje
drgań nie maja zazwyczaj dużej wartości dla identyfikacji związku.
Węglowodory z nienasyconym wiązaniem podwójnym: Alkeny C=C
-drgania związane z częścią węglowodorową
-nowe rodzaje drgań związane z obecnością wiązania =C-H
Drgania rozciÄ…gajÄ…ce wiÄ…zania C=C oraz rozciÄ…gajÄ…ce i deformacyjne C-H w grupie =C-H
Pasmo drgań rozciągających wiązania C=C w widmach IR cząsteczek niesymetrycznych w
1690-1580 cm-1 dla większości związków z izolowanym wiązaniem podwójnym 1690 i 1620
cm-1. Sprzężenie drgań C=C z pierścieniem aromatycznym lub grupą karbonylowa oraz
sprzężenie dwóch wiązań podwójnych przesuwa pasma ku niższym wartościom liczb
falowych. W widmach sprzężonych dienów przesuwa zazwyczaj pasmo o większej
intensywności.
Drgania deformacyjne =C-H
-w płaszczyz
nie cząsteczki 1420-1290 cm-1, małe natężenie, nie maja znaczenia
diagnostycznego
-poza płaszczyzną 1005-665 cm-1, pasma intensywne, a ich położenie zależy od układu
atomów wodoru przy wiązaniu podwójnym
Pasma drgań walencyjnych wiązań C-H w grupie =C-H 3095-3010 cm-1. Liczba pasm i
położenie zależy od podstawienia alkenu przy wiązaniu podwójnym.
Wykład 6
Węglowodory z nienasyconym wiązaniem potrójnym: Alkiny
-drgania związane z częścią węglowodorową
-nowe rodzaje drgań związane z obecnością wiązania potrójnego
Drgania rozciągające wiązania potrójnego oraz rozciągające i zginające C-H w grupie
alkinowej.
Pasmo drgań rozciągających wiązania potrójnego w widmach IR cząsteczek
niesymetrycznych w 2260-2100 cm-1, intensywność średnia lub słaba, dokładna pozycja
zależy od podstawników przy wiązaniu potrójnym. Sprzężenie drgań wiązania potrójnego z
częścią węglowodorową- pasmo przesuwa się ku niższym wartościom liczb falowych a jego
intensywność wzrasta.
Pasmo drgań rozciągających wiązania C-H  wyraz
nie ostre pasmo w widmach
monopodstawionych alkinów przy 3300 cm-1
Drgania zginajÄ…ce C-H  silna, szeroka absorpcja w 700-610 cm-1
Węglowodory aromatyczne
-pasma drgań charakterystycznych dla podstawników
-charakterystyczne pasma dla pierścieni aromatycznych (C )
ar
9
Pasma drgań rozciągających wiązania C
ar-H 3100-3000 cm-1, słabe lub o średniej
intensywności
Pasma drgań szkieletowych wiązań potrójnych w pierścieniu aromatycznym 1625-1450 cm-1,
zazwyczaj 4 wąskie pasma o zmiennej intensywności zależnie od podstawników, pasma
wartościowe diagnostyczne, umożliwiające rozpoznanie struktury aromatycznej.
Pasmo drgań deformacyjnych wiązań C
ar-H  intensywne pasma w 900-650 cm-1,
odpowiadające wzajemnym sprzężonym drganiom poza płaszczyzną pierścienia. Pasma
zależne od sposobu podstawień pierścienia aromatycznego.
Pasmo nadtonów i drgań C
ar-H  2000-1600 cm-1, zwykłe pasmo o małej intensywności, a ich
kształt zależy od sposobu podstawienia pierścienia.
Pasma drgań grup funkcyjnych
Przykłady:
C=O 1900-1500 cm-1 normalna (typowa) częstość karbonylowa 1715 cm-1 na położenie pasma
wpływa struktura związku, pasmo intensywne, występujące zazwyczaj w obszarze wolnym
od absorpcji innych ugrupowań, duża wartość diagnostyczna
Analiza ilościowa w podczerwieni
Absorpcja jest proporcjonalna do stężenia badanej próbki
Sposób postępowania:
1) Dokonać wyboru pasma analitycznego, które powinno być intensywne i nie może
nakładać się na pasma innych składników próbki
2) Wybrać odpowiedni rozpuszczalnik (powinien dobrze rozpuszczać próbkę i nie może
dawać pasm własnych w zakresie pasma analitycznego)
3) Dobrać odpowiednie stężenie i grubość warstwy absorpcyjnej
4) Dokonać eliminacji tzw. tła
5) Przeprowadzić kalibrację na podstawie roztworów wzorcowych
10
Podsumowanie
Spektroskopia w podczerwieni umożliwia:
-identyfikacje związków przez porównanie jego widma z widmem wzorca rejestrowanego w
tych samych warunkach- zgodność wszystkich pasm potwierdza wzór związku
-identyfikacje grup funkcyjnych
-określenie budowy części węglowodorowej związku
-przeprowadzenie analizy ilościowej
-dokonanie analizy dla próbki znajdującej się w stanie stałym, ciekłym lub gazowym
-oszacowanie udziału wiązania wodorowego , odróżnienie wiązania wodorowego wewnątrz i
międzycząsteczkowego
-analizy związków organicznych i nieorganicznych
Wartość diagnostyczna pasm występujących w poszczególnych rejonach widma nie jest
identyczna.
Wykład 7
Absorpcja molekularna w UV-VIS zależy od struktury elektronowej cząsteczki.
Wynik: widmo UV-VIS  zależność absorbancji lub molowego współczynnika absorpcji od
długości fali promieniowania (zwykle 200-750 nm)
Przedmiotem badań są elektronowe widma absorpcyjne- skutek wzbudzania elektronów
promieniowaniem elektromagnetycznym.
Promieniowanie UV-VIS
Energia pochłaniana w zakresie nadfioletu wywołuje zmiany energii elektronowej cząsteczki
na skutek przejść elektronów walencyjnych.
W związkach organicznych przejścia polegają na wzbudzeniu elektronów z wypełnionego
orbitalu molekularnego (przeważnie orbitalu niewiążącego Ą) na następny orbital o wyższej
energii (przeważnie antywiążący Ä„ lub Ã).
Prawdopodobieństwo przejść elektronowych- reguły wyboru:
- aby nastąpiła absorpcja promieniowania musza istnieć takie dwa stany kwantowe cząsteczki
, , których różnica energii odpowiada energii hV promieniowania padającego
- absorpcja promieniowania musi być związana ze zmiana momentu dipolowego cząsteczki.
Moment przejścia między stanami elektronowymi określa prawdopodobieństwo absorpcji
fotonu
Przejście jest dozwolone gdy R jest różne od zera
n,m
MiarÄ… intensywnoÅ›ci pasma absorpcji jest µ przy dÅ‚ugoÅ›ci fali w maksimum absorpcji › .
max max
11
PrzejÅ›cia speÅ‚niajÄ…ce reguÅ‚y wyboru- przejÅ›cia dozwolone, duże wartoÅ›ci µ (do 1,5*105
max
dm3*mol-1*cm-1).
PrzejÅ›cia niespeÅ‚niajÄ…ce reguÅ‚y wyboru- przejÅ›cia wzbronione, maÅ‚e wartoÅ›ci µmax (rzÄ™du
kilku dm3*mol-1*cm-1)
Rodzaje przejść elektronowych
-w zwiÄ…zkach organicznych
PrzejÅ›cie elektronów walencyjnych (Ä„ i Ã) oraz elektronów wolnych par elektronowych
(n).
Orbitale molekularne w cząsteczkach związków organicznych:
-wiążące Ã
-wiążące Ą
-niewiążące n
-antywiążące Ã* Ä„*
Ä…ð Kolejność poziomów energetycznych poszczególnych orbitali i możliwoÅ›ci przejść
elektronowych.
Wzbudzenie elektronowe następuje gdy w wyniku absorpcji promieniowania zachodzi
przeniesienie elektronu z orbitalu o energii niższej na orbital o energii wyższej.
Najważniejsze przejścia elektronowe:
Ä„ Ä…ð Ä„* - wÄ™glowodory nienasycone i aromatyczne, zwiÄ…zki karbonylowe
n Ä…ð Ä„*- zwiÄ…zki karbonylowe i nitrozwiÄ…zki
n Ä…ð Ã*- zwiÄ…zki nasycone zawierajÄ…ce atomy z wolnymi parami elektronowymi tj. alkohole,
etery, aminy
Chromofor- grupa kowalencyjnie nienasycona, odpowiedzialna za absorpcjÄ™ elektronowÄ… w
zakresie promieniowania elektromagnetycznego 200-380 nm.
Auksochrom- grupa nasycona, która przyłączona do chromoforu wpływa na położenie i
natężenie maksimum absorpcji
Przesunięcia batochromowe- przesunięcie absorpcji w kierunku pól długich wywołane
podstawieniem lub wpływem rozpuszczalnika. Analogiczne przesunięcie w kierunku fal
krótkich- przesunięcie hipsochromowe.
Efekt hiperchromowy- podwyższenie natężenia absorpcji
Efekt hipochromowy- obniżenie natężenia absorpcji
Charakterystyczna absorpcja promieniowania w zakresie 180-800 nm dla związków
organicznych:
-związki zawierające jedynie elektrony à węglowodory nasycone (w obszarze bliskiego
nadfioletu sÄ… przezroczyste-nie absorbujÄ…)
-mogą być stosowane jako rozpuszczalniki
-zwiÄ…zki zawierajÄ…ce elektrony n- zwiÄ…zki nasycone zawierajÄ…ce heteroatomy np.> tlen azot
chlorowce.
12
MajÄ… poza elektronami à także elektrony niewiążące, jednak wiÄ™kszość zwiÄ…zków tej
grupy nadal nie wykazuje absorpcji w bliskim nadfiolecie. Alkohole i etery: absorpcja dla
›<185 nm- stosowane jako rozpuszczalniki do badaÅ„ w obszarze bliskiego nadfioletu
-zwiÄ…zki zawierajÄ…ce elektrony Ä„ (chromofory)
Charakterystyczna absorpcja na skutek możliwych przejść n Ä…ð Ã*, n Ä…ð Ä„*, Ä„ Ä…ð Ä„*
Np. wÄ™glowodory z wiÄ…zaniem podwójnym- intensywne pasmo przejÅ›cia Ä„ Ä…ð Ä„* w
zakresie 165-200 nm. Sprzężenie wiązań podwójnych powoduje przesunięcie maksimum
absorpcji w kierunku fal długich, wzrost intensywności pasma.
-w kompleksach metali d-elektronowych
Przejścia elektronowe z udziałem elektronów d- różnorodność barw jonów kompleksowych
metali przejściowych.
Naturę przejść elektronowych tłumaczy teoria pola ligandów.
Podpowłoka d w atomie jest pięciokrotnie zdegenerowana- istnieje 5 orbitali o jednakowej
energii. Elektron może przejść z jednego z tych orbitali na drugi bez absorpcji lub emisji
promieniowania
Gdy w wyniku oddziaływania kationu metalu d-elektronowego z ligandem powstanie związek
kompleksowy , zdegenerowane orbitale d rozszerzają się na grupy o różnych wartościach
energii, a przejścia elektronowe pomiędzy grupami orbitali odbywają się jako skutek
absorpcji lub emisji promieniowania.
Rozszczepianie orbitali jest uzależnione od typu symetrii powstającego kompleksu:
Rozszczepienie orbitali d kompleksów w polu o symetrii oktaedrycznej (a) i tetraedrycznej
(b).
Pasma przejść dÄ…ðd leżą w zakresie widzialnym lub w bliskim nadfiolecie i sÄ…
odpowiedzialne za różne zabarwienie soli metali przejściowych.
W związkach kompleksowych mogą występować także chromofory d- Ą których obecność
powoduje silne oddziaływania elektronów d metalu z elektronami Ą ligandów (pojawiają się
silne pasma absorpcyjne).
Zastosowanie:
Oznaczanie ilościowe i jakościowe substancji absorbujących promieniowanie w zakresie UV-
VIS
-analiza ilościowa
Pomiar absorbancji badanego roztworu przy określonej długości fali dla danej substancji,
wykorzystanie zależności Lamberta-Beera
Oznaczanie pojedyncze składnika:
A) metoda porównania z pojedynczym wzorcem- pomiar absorbancji A roztworu
x
badanego C i absorbancji A roztworu wzorcowego o znanym stężeniu C przy tej
x s s
samej długości fali, w kuwetach o tej samej grubości b.
13
B) Metoda krzywej wzorcowej- rejestracja absorbancji dla różnych stężeń roztworu ,
wykreślenie krzywej wzorcowej zależności stężenia od absorpcji.
Przykłady zastosowań:
a) analiza ilościowa kationów metali
Kationy metali oznacza się najczęściej w postaci barwnych kompleksów, np.
kompleksów chelatowych z odczynnikami organicznymi.
b) analiza ilościowa anionów nieorganicznych
Najczęściej oznaczane: azotany (V), azotany (III), fluorki, krzemiany (w rolnictwie
laboratoria zajmują się środkami spożywczymi, ochroną środowiska i inne)
c) analiza ilościowa związków organicznych (często konieczne wcześniejsze
rozdzielenie mieszaniny związków np. za pomocą chromatografii)
d) badanie równowagi reakcji chemicznej (np. ustalenie składu i stałych trwałości
związków kompleksowych)
e) analiza jakościowa
-potwierdzenie wzoru danego związku przez porównanie widma próbki z widmem
wzorca (wykonanie jednoznacznej identyfikacji jest trudne ze względu na duże
podobieństwo widm elektronowych w danej grupie związków)
-możliwość rozpoznania grup charakterystycznych w cząsteczkach bardzo różniących
siÄ™ budowÄ…
-możliwość kontroli czystości związków np. rozpuszczalników
-spektrofotometria UV-VIS jest dobrą metodą wstępną lub uzupełniającą w analizie
jakościowej szczególnie związków organicznych
-największe usługi oddaje spektrofotometria UV-VIS razem z innymi metodami jak
IR czy NMR
Wykład 8
Miareczkowanie spektrofotometryczne
Spektrofotometria UV-VIS jest jednÄ… z metod instrumentalnych wykorzystywanych do
wyznaczania PK miareczkowania.
Sposób postępowania:
1) Pomiar absorbancji próbki (przy określonej długości fali) po dodaniu każdej porcji
titranta. Miareczkowanie przeprowadza się w specjalnych komórkach pomiarowych.
Miareczkowanie można przeprowadzić bez indykatora lub w jego obecności
2) Sporządzanie wykresu A =f(V) gdzie V- objętość titranta
3) PK- przegięcie na krzywej
4) Metodę można stosować gdy następują wyraz
ne zmiany absorpcji zwiÄ…zane z
zachodzÄ…cymi reakcjami
5) Szybka i prosta metoda miareczkowania roztworów rozcieńczonych, można ja
stosować gdy wizualnie trudno jest rozróżnić zmiany barwy
Przykład:
Oznaczona substancja i produkt miareczkowania nie
absorbujÄ… promieniowania a odczynnik
miareczkujÄ…cy absorbuje (np. miareczkowanie Fe2+
roztworem KMnO4 przy › =550nm)
14
Próbki:
-ciecze, roztwory
-ciało stałe- rozdrabniane, ujednolicane, pobór próbki reprezentatywnej, przeprowadzanie
próbki do roztworu (rozpuszczanie, roztwarzanie)
-gazy, pary- specjalne kuwety
Przykładowe widma UV-VIS
Chromofor benzenowy- trzy pasma absorpcji powstajÄ…ce w wyniku przejść Ä„ Ä…ð Ä„*
194 nm (µ 60000) (E1)-przejÅ›cie dozwolone
max
204 nm (µ 7900) (E2)- przejÅ›cie wzbronione
max
256 nm (µ 200) (B)- przejÅ›cie wzbronione
max
Pasmo B- szczególnie widoczny w widmach oznaczonych w fazie gazowej lub w
rozpuszczalnikach niepolarnych.
Podstawienie grup alkilowych do pierścienia (np. toluen, m-ksylen)- przesunięcie
batochromowe pasma B
Podstawienie grupami auksochromowymi (np. OH, NH )- przesuwa pasma B i E w kierunku
2
fal dÅ‚uższych, czÄ™sto ze wzrostem natężenia pasma B (sprzężenie n Ä…ð Ä„ )
Bezpośrednie przyłączenie grupy nienasyconej (chromoforu) do pierścienia benzenowego-
silne przesunięcie batochromowe pasma B, pojawienie się silnego pasma w obszarze 200-500
nm (µ >10000).
max
Metody chromatograficzne
Chromatografia- metoda rozdziału mieszaniny w której rozdzielane składniki ulegają
podziałowi między dwie fazy :nieruchomą (stacjonarną) i ruchomą (mobilną). Substancje
rozdzielanej mieszaniny mogą mieć charakter jonowy jak i niejonowy, różnią się między sobą
współczynnikiem podziału między fazę nieruchomą z ruchomą układu.
Fazą stacjonarna może być:
-ciało stałe
-ciecz na nośniku
-żel
Fazą ruchoma może być:
-gaz
-ciecz
-ciecz w stanie nadkrytycznym (fluid)
Wychwytywanie składników fazy ruchomej na nieruchomej może być wynikiem:
-adsorpcji-proces wiÄ…zania substancji na powierzchni lub granicy faz fizycznych
powodujących lokalne zmiany stężenia
-chemisorpcji- polega na tworzeniu się silnych wiązań chemicznych pomiędzy adsorbantem,
czyli pomiędzy substancją na której zachodzi proces powierzchniowego wiązania cząstek, a
substancja ulegajÄ…cÄ… adsorpcji
-ekstrakcji- selektywne rozpuszczenie w układach dwufazowych
Wykład 9
15
Obecnie chromatografia jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych metod analitycznych,
a w połączeniu z metodami spektroskopowymi stwarza szerokie możliwości analizy
skomplikowanych mieszanin a w szczególności związków organicznych
Sposób postępowania w ogólnym ujęciu polega na tym, że mieszaniny wprowadza się na
początek warstwy fazy nieruchomej i przepuszczając następnie fazę ruchomą powoduje się
wędrówkę po podłożu składników, następującą z różną szybkością. Prowadzi to do
całkowitego lub częściowego rozdziału mieszaniny.
Metoda wymywania (elucji)
Jeżeli w trakcie przepuszczania (elucji) fazy ruchomej dojdzie do całkowitego rozdzielenia
składników mieszaniny to w wycieku (eluacie) z kolumny chromatograficznej będą ukazywać
się kolejno poszczególne składniki mieszaniny
Podział metod chromatograficznych
-ze względu na stan skupienia fazy ruchomej
Chromatografia: gazowa, cieczowa, fluidalna
-ze względu na stan skupienia fazy stacjonarnej
Faza ruchoma Faza stacjonarna
Gaz ciecz (chromatografia gaz-ciecz GLC)
Ciecz ciecz (chromatografia ciecz-ciecz LLC)
Gaz ciało stałe (chromatografia gaz-ciało stałe GSC)
Ciecz ciało stałe (chromatografia ciecz-ciało stałe LSC)
Ciałem stałym może być adsorbent, wymieniacz jonowy lub inne sito molekularne
-ze względu na naturę zjawisk będących podstawą procesu
a)chromatografia adsorpcyjna- wykorzystane zjawisko adsorpcji, rozdział mieszanin
uwarunkowany jest powinowactwem adsorpcyjnym składników mieszaniny do odpowiednio
dobranej powierzchni fazy stacjonarnej (różne wartości współczynników adsorpcji
poszczególnych składników próbki)
b)chromatografia podziałowa (rozdzielna)- rozdział mieszaniny oparty na różnicach w
wartościach współczynnika podziału składników między dwie nie mieszające się fazy, z
których jedna jest fazą stacjonarną a druga ruchomą (rodzaj ekstrakcji). O efektywności
rozdzielania składników decydują różnice ich rozpuszczalności.
c)chromatografia jonowymienna- rozdział mieszanin oparty na reakcjach wymiany jonowej
między jonami z roztworu a jonami związanymi z fazą stacjonarną, którą stanowią jonity
d)chromatografia sitowa- o rozdziale substancji decydują rozmiary cząstek, wypełnienie
kolumn stanowią żele o zdefiniowanych średnicach porów, zbliżonych do rozmiarów cząstek
analizowanych substancji. Metoda służy do funkcjonowania związków o różnej masie
cząsteczkowej. Związki o największej masie cząsteczkowej pierwsze pojawiają się w wycieku
e)chromatografia afinicyjna- umożliwia rozdzielanie składników mieszaniny poprzez
wychwytywanie przez specyficzną fazę stacjonarną związków o charakterystycznych
ugrupowaniach (główne zastosowanie w biochemii i biotechnologii do rozdzielania
skomplikowanych związków wielkocząsteczkowych np. enzymów)
-ze względu na technikę pracy
*chromatografia kolumnowa
*chromatografia cienkowarstwowa
*chromatografia bibułowa
Postępowanie 1- przygotowanie próbki, 2-naniesienie próbki, 3-rozwijanie i wywołanie
chromatografii. Właściwe rozdzielenie substancji zachodzi podczas rozwijania
chromatografii. W tym etapie składniki próbki wędrują z różną szybkością (różne
powinowactwo do fazy stacjonarnej), pokonując różne odległości od miejsca naniesienia
próbki do miejsca zlokalizowania plamy podczas wywoływania chromatografu. Odległości te
są charakterystyczne dla właściwości substancji.
-ze względu na sposób wprowadzania próbki i rozwijania chromatografu , można mówić o
metodach chromatografii
16
 *wymywanie- próbkę w niewielkiej ilości podaje się na szczyt kolumny, a następnie
przepuszcza rozpuszczalnik wymywajÄ…cy (fazÄ™ ruchomÄ…). Na chromatografie otrzymuje siÄ™
piki odpowiadające poszczególnym składnikom otrzymywanym wycieku
*metoda czołowa- polega na ciągłym wprowadzaniu na kolumnę badanego roztworu. W
wycieku jedynie na początku pojawia się jedna substancja, najsłabiej wiązana przez fazę
stacjonarnÄ…. W trakcie dalszego dodawania roztworu w eluacie otrzymuje siÄ™ mieszaninÄ™
substancji
*metoda rugowania- próbkę wprowadza się jednorazowo. Następnie przemywa się złoże
roztworem zawierającym składnik silniej wiązany przez fazę stacjonarną niż rozdzielone
składniki mieszaniny. W wycieku otrzymuje się poszczególne frakcje.
Wykład 10
Podstawowe definicje i pojęcia
Rozdział składników prowadzony jest najczęściej techniką elucyjną i wymywaniem.
Chromatograf (krzywa elucji)- wykres zależności detektora od czasu lub objętości fazy
ruchomej
Całkowity czas retencji (t ) dla danego składnika- czas mierzony od momentu
R
wprowadzenia próbki do chwili pojawienia się na chromatografie maksimum piku, na wyjściu
z kolumny pojawia się maksymalne stężenie wymywanego składnika)
Całkowita objętość retencji (V ) dla danego składnika- objętość fazy ruchomej potrzebna do
R
wymycia składnika, mierzona od momentu wprowadzenia próbki do momentu pojawienia się
na chromatografie maksimum tego piku
V =F t
R o R
F
o- objętościowa prędkość wypływy fazy ruchomej z kolumny [cm3/min]
Zerowy czas retencji "!- czas przebywania w kolumnie substancji która nie oddziaływuje z
fazÄ… stacjonarnÄ…
V =F t - zerowa objętość retencji
M o M
Indukowany czas retencji (t )- różnica między całkowitym i zerowym czasem retencji
R
t =t
R R-t
M
Zredukowana objętość retencji (V )  różnica pomiędzy całkowitą objętością retencji a
R
zerową objętością retencji
V =V
M R-V
M
Zredukowany czas retencji i redukowana objętość retencji charakteryzują zatrzymanie się
próbki na fazie stacjonarnej i są wielkościami charakterystycznymi dla danej substancji.
Względny czas retencji:
r =t /t
i,w Ri Rw
 i - oznacza dowolnÄ… substancjÄ™
 w - substancja wzorcowa
Współczynnik retencji k (współczynnik pojemności XXXX_
17
lub
n , n
s m- liczba moli substancji w fazie stacjonarnej ruchomej
C , C
s m- stężenie składnika x w fazie stacjonarnej i ruchomej
V , V
s m- objętość fazy stacjonarnej i ruchomej
Współczynnik selektywności a
t t  czas retencji substancji A, B
RA, RB
t , t  zredukowane czasy retencji substancji A, B
RA RB
k , k  współczynnik retencji substancji A, B
A B
Chromatografia gazowa
Szybka i skuteczna metoda rozdzielania mieszanin związków lotnych (takich, które w
warunkach procesu mają postać gazów lub pary)- substancje gazowe, ciekłe lub stałe, o
temperaturze wrzenia lub substancji <400oC
Zastosowanie:
-identyfikacja: oznaczeni ilościowe złożonych mieszanin
Aparatura: chromatografy gazowe
a) laboratoryjne
b) procesowe (stanowiące część instalacji przemysłowych, używanych w kontroli
procesów technologicznych)
c) przenośne (małe rozmiary- walizkowe lub kieszonkowe, służące do analiz
polowych)
można wyróżnić:
-chromatografia GSC gaz- ciało stałe
-chromatografia GLC gaz-ciecz
Części składowe chromatografii
-zbiornik gazu nośnego- gaz powinien być chemicznie obojętny w stosunku do wypełnienia
kolumny i do badanej próbki, czysty, odtleniony, nie zawierający wody i związków
organicznych, najczęściej jest to wodór, azot, argon, hel
-regulator przepływu gazu
-dozownik- urządzenie wprowadzające próbkę w strumień gazu nośnego, który przenosi się
do kolumny
-kolumna chromatograficzna- główna część układu chromatograficznego, w której zachodzą
procesy rozdzielcze. Wypełnienia GSC- adsorbenty węglowe, żele krzemionkowe, sita
molekularne, polimery porowate; GLC- faza ciekła osadzona na nośniku
-termostat dozownika, kolumny i detektora
-detektor- urzÄ…dzenie wykrywajÄ…ce substancje rozdzielane w miarÄ™ jak opuszczajÄ… kolumnÄ™,
reaguje sygnałem elektrycznym na obecność śladów analizowanej substancji
-przepływomierz
-wzmacniacz sygnału
-rejestrator
Sprzężenie chromatografii gazowej z technikami spektroskopowymi
Przykład: sprzężenie chromatografii gazowej ze spektrakcją w podczerwieni (GC-IR)
Spektrofotometr IR XXX selektywny, jakościowy detektor, do analizy elementów z
chromatografów gazowych
18
Wykład 11
Przykłady zastosowań GC
Metoda umożliwia jakościowe i ilościowe oznaczenie w jednym procesie złożonej
mieszaniny (nawet do kilkuset składników)
1) Identyfikacja związków (lotnych substancji nieorganicznych oraz organicznych)
2) Jakościowe oznaczanie składników próbki
3) Kontrola procesów technologicznych
4) Wyznaczanie niektórych stałych fizykochemicznych np. entalpii i ciepła właściwego
roztworów, masy molowej
5) Badanie kinetyki reakcji katalitycznych
Wykorzystywanie chromatografii cieczowej HPLC
Można wyróżnić chromatografie:
-LSC  ciecz-ciało stałe
-LLC  ciecz-ciecz
Podział:
*wysokostopniowa chromatografia cieczowa
*wysokociśnieniowa chromatografia cieczowa
*szybka chromatografia cieczowa
*chromatografia cieczowa o dużej zdolności rozdzielczej
Aparatura
Klasyczna chromatografia cieczowa- kolumny szklane, wyciek analizowany za pomocÄ…
konwencjonalnych metod analizy
Chromatografy cieczowe. FazÄ™ ruchomÄ… pompuje siÄ™ (po filtracji i odgazowaniu) przez
kolumny chromatograficzne. Próbkę wstrzykuje się na szczyt kolumny, składniki rozdzielają
się w kolumnie i na wyjściu SA wykrywane przez detektor
Podstawowe części chromatografu cieczowego:
a) zbiornik lub zbiorniki fazy ruchomej
b) pompa
c) nanometr
d) dozownik
e) kolumna :
-mikrokolumny
-kolumny analityczne
-kolumny preparatywne
Wypełnione: na bazie krzemionki lub na bazie żywic porowatych
f) termostat
g) detektor
-detektory spektroskopowe (np. spektrofotometryczne UV, VIS, IR)
-detektory elektrochemiczne (np. amperometryczne, potencjometryczne)
-detektory radioaktywacyjne
h) rejestrator
i) komputer
Przykłady zastosowań
Analiza jakościowa- identyfikacja pików odpowiadających poszczególnym składnikom
próbki
a) porównanie czasów retencji próbki i wzorca (podobnie jak w przypadku GC)
b) zastosowanie detektorów jakościowych np. spektrometrów
19
Analiza ilościowa- oparta na takich samych wartościach jak w przypadku GC, zawartość
składników oblicza się wykorzystując fakt, że powierzchnia piku lub jego wysokość jest
proporcjonalna do zawartości składnika (wykorzystuje się porównanie próbki i wzorca)
HPLC jest stosowana do analizy substancji, których nie można rozdzielić metodą GC, lub
których rozdzielenie ta metodą jest bardzo trudne
Przykłady analizowanych związków:
-związki biologicznie czynne np. białka, aminokwasy, witaminy
-preparaty farmaceutyczne
-środki ochrony roślin, pestycydy
-zwiÄ…zki metaloorganiczne, zwiÄ…zki kompleksowe
-aniony nieorganiczne metodą chromatografii jonów
Spektroskopia promieniowania rentgenowskiego
Promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X)
10-10 10-7 cm (10-3-1nm)
Powstaje w lampie rentgenowskiej. Anoda bombardowana jest strumieniem elektronów
emitowanych przez rotację i przyspieszonych w polu elektrycznym do dużych prędkości.
Promieniowanie powstaje w wyniku uderzeń elektronów w anodę.
Metody:
1) Absorpcyjna spektroskopia rentgenowska
-absorpcja charakterystyczna dla atomów
um  masowy współczynnik absorpcji, k-stała, N-liczba Avogadro, z,M-liczba atomowa i
masa atomowa pierwiastka absorbujÄ…cego promieniowanie, ›-dÅ‚ugość fali
promieniowania absorbowanego
-identyfikacja pierwiastków, oznaczenie ilościowe
2) Emisyjna spektroskopia rentgenowska (spektrografia rentgenowska)
-lampa rentgenowska w której anodą jest badana próbka
3) Fluorescencyjna spektroskopia rentgenowska (metoda wtórnej emisji promieni
rentgenowskich)
-polega na pomiarze widm powstałych w wyniku wzbudzania próbki
wysokoenergetycznym promieniowaniem rentgenowskim
-każdy pierwiastek próbki emituje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie
-analiza ilościowa i jakościowa. Można badać ciecze i zwarte ciała stałe
Spektrofotometr fluorescencji rentgenowskiej
1) lampa rentgenowska
20
2) element rozszczepiający promieniowanie fluorescencyjne (odpowiednie kryształy)
3) detektor
4) rejestrator
5) układ komputerowy
Zalety metody:
-dobra selektywność
-niska granica oznaczalności
-możliwość wykorzystania w analizie śladowej
-szczególne znaczenie w analizie powierzchni
-metoda nieniszczÄ…ca
Wady:
-droga metoda
-drogi sprzęt
4) Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego
Pojęcia:
-interferencja fal promieniowania rentgenowskiego (konstruktywna, destruktywna-
obniżenie częstotliwości fali) (nakładanie)
-dyfrakcje
-ciała krystaliczne
Dyfrakcja może być wywołana przez:
-siatkÄ™ dyfrakcyjnÄ…
-sieć atomów w krysztale (kryształy- ciała o prawidłowej budowie wewnętrznej)
Jeżeli na kryształ pada promieniowanie rentgenowskie to:
-płaszczyzny sieciowe spełniają rolę luster odbijających promieniowanie
-promienie odbite mogą się wzmacniać na skutek interferencji
Promienie odbite od płaszczyzn sieciowych mogą się wzmacniać. Prawo Bragga określa
kąt pod jakim musi padać fala, aby nastąpiła interferencja konstruktywna
n › =2dsin Åš Åš <90o
n-liczba całkowita 1,2,3& , rząd odbicia, sino<1
›  dÅ‚ugość fali promieniowania rentgenowskiego wynikajÄ…ca z materiaÅ‚u anody w
lampie rentgenowskiej
d-odległość międzypłaszczyznowa, odległość (w krysztale) między płaszczyznami
sieciowymi na których zachodzi rozproszenie
Ś - kąt odbity odbłysku mierzony jako kąt między wiązką promieni pierwotnych z
płaszczyzną kryształu
Wzór Bragga jest głównym równaniem XXX rentgenografii strukturowej i różnych
typach dyfraktometrii służących do badania struktury substancji.
Każda substancja krystaliczna daje charakterystyczny diagram dyfrakcji czyli zbiór pasm
dyfrakcyjnych, których ugięcie i intensywność odpowiada jej budowie strukturalnej.
ZnajÄ…c wartość Åš i › i w ten sam sposób identyfikować substancjÄ™ krystalicznÄ….
Wynik analizy- wykres (dyfraktogram, rentgenogram) gdzie na rzędnej podana jest
intensywność wiązek dyfrakcyjnych, na odciętej kąty ugięte 2 Ś.
Rentgenogram próbki wieloskładnikowej- suma rentgenogramu poszczególnych
składników.
21
Propozycja oznaczenia węglanu wapnia w próbce- termograwimetria, spektroskopia IR,
rentgen
Identyfikacja próbki:
-wykorzystanie wzorców zawierających wartość d i intensywność pasm dla danych
związków
-określenie zależności intensywności linii dyfrakcyjnych od zawartości odpowiedniego
składnika w próbce
- aby zidentyfikować składnik w mieszaninie musi on dawać intensywne linie
-liczba wykrywanych składników jest ograniczona
Cechy charakterystyczne rentgenowskiej analizy dyfrakcyjnej:
-widmo charakterystyczne dla każdego krystalicznego związku chemicznego lub roztworu
stałego
-każda faza w mieszaninie daje obraz niezależnie od pozostałych. Czasami jednak prążki
na widmie mogą być niewystarczające do identyfikacji lub maskowane przez inne
składniki
-niewielkie ilości badanego materiału (kilka mg)
-możliwość analizy ilościowej
Metoda proszkowa:
-wykorzystane promieniowanie monochromatyczne
-badany materiał- polikryształy
Zasada metody:
Próbka- proszek polikrystaliczny
Cienka warstwa jednorodnego proszku umieszczona w wiÄ…zce promieni rentgenowskich
Promieniowanie po przejściu przez filtr i kolimator pada na próbkę i ulega dyfrakcji.
Różne ustawienie kryształów w sproszkowanej próbce Ä…ð padajÄ…ce promieniowanie
zostaje ugięte na wszystkich rodzajach płaszczyzn kryształów.
Wynik- wywołany film rentgenowski , obraz dyfrakcyjny- kręgi zgrupowane
symetrycznie po obu stronach środkowej plamy rozświetlonej przez nie ugiętą wiązkę.
Odległość każdej linii od plamy środkowej- miara kąta ugięcia Ś
Natężenie zaczernienia prążków- zawartość substancji w próbce.
Dokładniejsze i wygodniejsze jest badanie za pomocą dyfraktometra rentgenowskiego
Dyfraktometr rentgenowski- aparat rejestrujący kąty odbłysku i natężenia ugiętych
wiązek promieniowania rentgenowskiego służący do analizy struktury substancji
krystalicznych na podstawie ich obrazów dyfrakcyjnych.
Dwa podstawowe rodzaje dyfraktometrów rentgenowskich
-do badania monokryształów 9podstawowe narzędzie w rentgenografii strukturalnej)
-do badania polikryształów (proszków)
Wynik- poszczególne refleksy otrzymuje się w postaci pików, których położenie
umożliwia identyfikację substancji, a natężenie określa zawartość składnika
Zastosowanie proszkowej dyfrakcji rentgenowskiej:
-analiza (identyfikacja) substancji krystalicznych i polikrystalicznych
-określenie składu mieszanin kilku substancji lub składu fazowego związków tego samego
pierwiastka np. tlenków glinu
-określenie struktur związków
-badania reakcji chemicznych i przemian fazowych
-badania takich substancji jak: farmaceutyki, stopy metali, materiały geologiczne,
minerały, materiały budowlane, popioły i inne
22
-badania w porządkowaniu struktury, wyznaczanie stopnia krystaliczności (np.
polimerów), pomiary wielkości ziaren krystalicznych)
Przykładowe dyfraktory dla związku XXXX
Rentgenografia strukturalna- technika analityczna szacowana w krystalografii i chemii.
W krystalografii- w celu ustalenia wymiarów i geometrii komórki elementarnej,
tworzącej sieć krystaliczną (odległość między warstwami atomów, położenia
poszczególnych atomów)
W chemii- w celu dokładnego ustalenia struktury związków chemicznych tworzących
badane kryształy
Zasada metody- rejestracja obrazów dyfrakcyjnych promieni rentgenowskich,
powstajÄ…cych na skutek interakcji tego promieniowania z chmurami elektronowymi
atomów, tworzących badany kryształ, wyznaczenie mapy gęstości elektronowej w
komórce elementarnej kryształu i dalsza, matematyczna jej analiza
Zastosowanie- podstawowa metoda w chemii organicznej, metoda biochemii do ustalania
struktur złożonych związków chemicznych
Magnetyczny rezonans jÄ…drowy (NMR)
Jedna z głównych metod identyfikacji i badania struktury związków organicznych
Wykorzystana absorpcja fal elektromagnetycznych o częstotliwości radiowej przez jądra
atomowe niektórych izotopów, znajdujących się w jednorodnym polu magnetycznym.
Zjawisku rezonansu magnetycznego ulegają jądra o niezerowym spinie. Są to między
innymi jądro wodoru, deuteru, izotopów 15N, 13C, 17O, 31P, 29Si i inne
Jądra atomowe, które nie mają właściwości magnetycznych np. 12C, 16O, 29Si, 32S nie są
czynne w spektroskopii NMR.
Podstawy teoretyczne
-jÄ…dra atomowe obdarzone sÄ… Å‚adunkiem dodatnim
-jÄ…dra atomowe wykonujÄ… ruch wirowy wokół wÅ‚asnej osi Ä…ð pojawia siÄ™ pole
magnetyczne i moment magnetyczny o kierunku zgodnym z kierunkiem osi obrotu
-jądro może przejść ze stanu energii niższej do położenia o energii wyższej (i odwrotnie)
jeżeli do jądra (?)
??????? brak
- roztwór powinien być możliwie rozcieńczony i nie zawierać zanieczyszczeń
paramagnetycznych (w tym tlenu)
Najczęściej- utrzymywanie stałej częstotliwości promieniowania i zmienianie pola
magnetycznego. Związek absorbuje gdy częstotliwość promieniowania
elektromagnetycznego zrówna się (znajdzie się w stanie rezonansu) z częstością precesji
(ruchu wirowego jądra)- pojawia się sygnał.
Sygnał absorpcyjny próbki mierzy się najczęściej względem sygnału rezonansowego
wybranego wzorca.
Protonowy rezonans magnetyczny (najczęściej wykorzystany w badaniach
strukturalnych czÄ…steczek metoda NMR)
W rzeczywistości- różne są częstości rezonansowe dla jąder aktywnych w NMR w
zależności od ich otoczenia chemicznego.
23
Jądra w cząsteczce są otoczone powłokami elektronowymi (ekran osłaniający przed
działaniem zewnętrznego pola magnetycznego)
Warunki rezonansu dla układów rzeczywistych:
Częstość rezonansowa dla jednorodnego pola H maleje ze wzrostem ekranowania
o
jądra, czyli ze wzrostem gęstości elektronowej wokół jądra. Takie przesunięcie częstości
nazywa się przesunięciem chemicznym- ważny czynnik w identyfikacji związków i w
badaniach strukturalnych.
Przesunięcie chemiczne dla protonu- przesunięcie sygnału 1H znajdującego się w
określonym otoczeniu chemicznym względem sygnału protonu izolowanego.
-pomiar bezwzględny-praktycznie niemożliwy
-pomiar względem wzorca, którym jest tetrametylosilan TMS
-przesunięcie chemiczne- różnica stałych ekranowania jąder w próbce i wzorcu, jednostka
ppm
lub
Przesunięcie chemiczne zależy od:
-czynników zewnętrznych (temp, rozpuszczalnik, stężenie roztworu)
-czynników wewnętrznych(rozkład gęstości elektronowej wokół jądra i wtórne pole
magnetyczne powstające w wyniku ładunków elektronowych skupionych wokół innych
jader)
Istnieje ścisła korelacja między przesunięciem chemicznym a strukturą cząsteczki-
możliwość badań strukturalnych.
Zmiany powstające w wyniku oddziaływania spinu jednego protonu ze spinem innego
protonu lub protonów przy sąsiednim atomie węgla- sprzężenie spinowo-spinowe (z
ródło
informacji o przestrzennych pozycjach jÄ…der w czÄ…steczce)
Protony mogą mieć jednakowe lub różne przesunięcia chemiczne (w zależności od
struktury czÄ…steczki)
Jeśli cząsteczka zawiera:
-tylko protony równoważne- jedna linia rezonansowa w widmie 1H NMP
-kilka grup protonów równoważnych chemicznie- widmo składa się z kilku linii
rezonansowych odpowiadających poszczególnym grupom protonów.
Powierzchnia pod krzywą każdego sygnału jest proporcjonalna do liczby równoważnych
protonów np. widmo etanolu (rejestrowane aparatem o niskiej zdolności rozdzielczej)
24
Dwa protony o różnych przesunięciach chemicznych mogą oddziaływać ze sobą za
pośrednictwem elektronów walencyjnych.
Obserwacja widma 1H NMR za pomocÄ… spektrometru o dużej zdolnoÅ›ci rozdzielczej Ä…ð
sygnał rezonansowy składa się z dubletu
Np. widmo etanolu (rejestrowane aparaturą o dużej zdolności rozdzielczej)
Obserwowane rozszczepienie pasm na multiplet, w wyniku- sprzężenie spinowo-spinowe
Rezonans magnetyczny jÄ…der 13C
W widmach 13C łatwiej zauważyć różnice strukturalne cząsteczek niż w widmach 1H
W porównaniu do atomu wodoru, atom węgla jest w większym stopniu izolowany od
wpływu oddziaływań międzycząsteczkowych.
Ekranowanie jąder węgla zależy głównie od rozkładu gęstości ekranowej w cząsteczce i
jest czułe na niewielkie zmiany tego układu.
Zakres przesunięć chemicznych dla 13C jest bardzo szeroki dla różnych związków
Zastosowanie spektroskopii NMR
Badania strukturalne i identyfikacje substancji, obserwacje przesunięcia chemicznego,
sprzężenia spinowo-spinowego, sprzężenie spinów.
Umożliwia:
-ustalenie w ilu grupach w cząsteczce występują atomy wodoru i liczbę atomów w każdej
grupie
-określenie sposobu rozmieszczenia atomów
-określenie budowy nieznanej substancji przez porównanie jej widma z widmami znanych
związków (z atlasów widm NMR)
-analizę ilościową zawartości substancji w próbce
25