Spektofotometrie absorpcyjna: dzieli się na absorpcjometrie w swietle widzialnym (kolorymetria inaczej tez fotokolorymetria, spektrofotometria) i absorpcjometrie w nadfiolecie i w podczerwieni.

SPEKTOFOTOMETRIA

PODSTAWY TEORET.

Spektrofotometria absorpcyjna(Kolorymetria)-opiera się na selektywnej absorpcji promieniowania świetlnego przez r-r badanej subst. Rozróznia się spektofot. w nadfiolecie, w swietle widzialnym i w podczerwieni. Dwie pierwsze sa bardzo podobne wiec możne je traktować lącznie.

Etapy oznaczania kolorymetrycznego: 1) otrzymanie barwnego połączenia zawierającego oznaczany pierw lub składnik 2)pomiar absorpcji swiatła prze r-r tego związku (etap pomiarowy, fizyczny)

Metody kolorymetryczne ze wzg na sposób wykonania pomiaru absorbancji dzielimy na: wizualne i fotoelektryczne (ta dzieli się na fotokolorymetrie jeśli przyrząd pomiarowy ma filtry swietlne) i spektrofotometrię(jeśli pomiary absorbancji sa przy swietle monochromatycznym).

Zalety metod kolorymetrycznych: -szybkość i -wzgledna prostota wykonania oznaczen oraz -możliwość oznaczania bardzo małych ilości substancji ze stosunkowo znaczna dokładnoscia 2-5% czego nie daje analiza wagowa ani miareczk.

Barwa i struktura cząsteczki: barwa ciała swiadczy o tym ze przepuszcza ono lub absorbuje promieniowanie z zakresu widzialnego selektywnie. Zabarwienie obserwowane jest dopełnieniem barwy promieniowania absorbowanego i odwrotnie.

Absorpcja promieniowania w zakresie widzial i nadfiol zależy głownie od: liczby i rozmieszcz elektronów w danej cząsteczce lub jonie. W subst nieorgan selektywna absorpcja wystepuje zawsze wtedy gdy nie zapełniona powłoka elektronowa jest zastąpiona inna trwałą powłoką utworzoną najczęściej przez wiązania koordynacyjne z innymi atomami w subst organicz. przyczyna selektywnej absorpcji promieniowania jest niedobór elektornów i zwiazana z tym deformacja struktury elektronowej cząsteczki. Związki nasycone nie wykazują absorpcji, zw z jednym wiązaniem podwójym absorbuja w w dalekim nadfiolecie. A im więcej wiazan podwójnych lub potrójnych sprzężonych tym bardziej max absorpcji jest przesunięte w kierunku fal dłuższych

Chromoform- cały sprzezany układ elektornów w cząsteczce. Naleza m.in. >C=C< , >C=O< , >C=S<, -N=O,

Na intensywność barwy mają wpływ: podstawniki zastepujace at H w łańcuchach weglowych układu chromoforowego to tzw grupy auksochromowe m in. –CH3, -NH2, -OH, -OCH3, -SH, -Cl, -Br. Grupy te mogą przesuwać max absorbcji w kierunku fal dłuższych co nazywa się efektem batochromowym

ABSORPCJA W ZAKRESIE WIDZIALNYM –KOLORYMETRIA

Można oznaczyć tylko jeden składnik.Metody oparte na porównaniu w swietle widzialnym barwy substancji badanej z barwa subst przyjętej jako wzorzec, gdzie wrazenia optyczne sa odbierane przez oko ludzkie. Celem tych porównan jest określenie stęż subst badanej lub określenie natężenia barwy w jednostkach umownych. Nalezy dbac o trwałość uzyskanej barwy przez dobór odpowiedniego stężenia, zachowanie tych samych warunków pH temp i czasu. Zaleca się przeprowadzenie wstępnych badan mających na celu znalezienie takiego stężenia które w danych warunkach daje intensywność zabarwienia umożliwiaj najdokładniejsze wyniki.

Metody kolorymetryczne dzielimy na:

- metoda serii wzorców - próbkę badaną porównuje się z zestawem wzorców w probówkach kolorymetrycznych zawierających roztwory badanej substancji w określonych stężeniach lub ze skalą barw we wzorniku.

-miareczkowanie kolorymetryczne - do odpowiedniego rozpuszczalnika w cylindrze Nesslera dodaje się substancję oznaczaną tak długo, aż barwa roztworu zrówna się z barwą roztworu oznaczanego.

-oznaczenie stężenia w kolorymetrach lub cylindrach Hehnera, wykorzystując liniową zależność pomiędzy intensywnością zabarwienia a grubością warstwy roztworu.

PRAWA ABSORPCJI tzw prawa Bouguera –Lamberta i Beera

1) jeśli na warstwę jednorodnego ciała pada wiazka swiatła jednobarwnego o natężeniu( Io) to pewna czesc tego swiatła zostanie odbita (Ix), część ulegnie absorpcji (Ia)a resza zostanie przepuszczona(It) Io=Ix+Ia+It , dla r-rów wodnych odbicie jest małe wiec można pominąć zatem Io=Ia+It ,

2) miedzy natężeniem swiatła przepuszczonego (It)a gruboscia warstwy r-u (l) istnieje zaleznosc It=Io e^-k’l Io-natez swiatła padającego, e-zasada log natur, k’-wspólczynnik absorpcji inaczej It=Io 10^-kl

Współczynnik ekstynkcji (k)- odwrotność grubości warstwy r-u (w cm) powodujaca 10-krotne zmniejszenie natęż swiatła przez nia przechodzacego

3) współczynnik ekstynkcji r-u jest proporcjonalny do stęż substancji absorbującej swiatło: k=k₁ C

4) przez połaczenie wzorów z pkt 2 i 3otrzymuje się wzór spektofotometrii absorpcyjnej / absorbancję (A) $\lg\frac{\text{Io}}{\text{It}} = k_{1}lC = A$

Podsumowanie: prawa te glosza ze absorbancja jest proporcjonalna do stęż subst absorbującej oraz do grubości warstwy r-u, równa się logarytmowi stosunku natęż promieniowania padającego Io do natęż promien przepuszcz It. Współcz k₁ jest wielk stałą zalezna od długości fali swiatła padającego, natury substancji rozpuszcz i od temp.

Odchylenia od praw absorpcji:

a)ograniczenia prawa absorpcji

Prawa absorpcji spełnione są dla roztworów rozcieńczonych (c < 10-2 mol/dm3). W roztworach takich nie występuje zależność molowego współczynnika absorpcji od współczynnika załamania światła.

Prawa absorpcji zakładają, że jedynym oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z substancją rozpuszczoną jest absorpcja promieniowania jednakże tylko na drodze fluorescencji lub fosforescencji .W takim przypadku pozorna transmitancja będzie podwyższona, a zatem pozorna absorbancja będzie niższa od rzeczywistej.

b) Czynniki chemiczne są związane z reakcjami chemicznymi zachodzącymi w analizowanym roztworze. Przy zmianie pH roztworu i zmianie jego stężenia mogą zachodzić takie reakcje, jak: dysocjacja, asocjacja, różne reakcje kompleksowania, polimeryzacja i solwatacja

c) Czynniki aparaturowe są najczęściej związane z brakiem monochromatyczności promieniowania oraz występowaniem promieniowania rozproszonego

APARATURA

Absorpcjometry-W zależności od budowy absorpcjometry można podzielić na 3 grupy: 1) absorpcjometry wizualne – kolorymetry, 2) absorpcjometry fotoelektryczne – fotokolorymetry, 3) spektrofotometry.Poszczególne grupy przyrządów różnią się szczegółami budowy, jednak wszystkie mają takie same zasadnicze elementy, a schemat blokowy typowych absorpcjometrów składa się z 6 podstawowych układów:

-Źródło promieniowania, w kolorymetrach – światła lub żarówka; w fotokolorymetrach – lampa wolframowa, lampa rtęciowa; w spektrofotometrach – lampa wolframowa na zakres widzialny i bliską podczerwień

-Regulacja natężenia promieniowania: przesłona irysowa, szczelina regulowana, opór zmienny w obwodzie lampy

-Regulacja długości fali światła padającego: filtry barwne i interferencyjne w kolorymetrach oraz monochromatory (pryzmaty i siatki dyfrakcyjne) w spektrofotometrach

-Pomieszczenie dla substancji badanej: kiuweta, probówka. W zakresie widzialnym stosowane są kiuwety ze szkła lub mas plastycznych. W zakresie nadfioletu stosuje się kiuwety kwarcowe

-Detektor: w kolorymetrach – oko ludzkie, w fotokolorymetrach – fotoogniwa, fotokomórki, fotopowielacze;

-Wskaźnik lub rejestrator: galwanometr, samopis, potencjometr, oscyloskop

1.Kolorymetry (wizualnie detektor oko ludzkie)

Kolorymetry, pomiar stężenia roztworu badanego, za pomocą tego przyrządu, przeprowadza się metodą zrównania barw. Osiąga się to na drodze zmian grubości warstwy roztworu badanego. Światło wysyłane przez żarówkę, ulega odbiciu od płytki ze szkła mlecznego i oświetla równomiernie dna naczyń pomiarowych. Jedno naczynie napełnia się roztworem badanym, a drugie roztworem tej samej substancji, o znanym stężeniu. Światło po przejściu przez naczynie pomiarowe i układ optyczny wpada do okularu, w którym pole widzenia, w postaci koła, podzielone jest linią na połówki. Oba naczynia pomiarowe są umieszczone na odpowiednich wspornikach, połączonych z mechanizmem umożliwiającym pionowe podnoszenie i opuszczanie naczyń. Grubość warstw roztworów reguluje się za pomocą szklanych walców. Pomiar polega na doprowadzeniu obu połówek pola widzenia do oświetlenia o identycznym natężeniu. Na podstawie otrzymanych wyników, grubości warstw roztworu badanego d₁ i wzorcowego d₂, można obliczyć stężenie badanego roztworu, korzystając z wzoru: c₁d₁ = c₂d₂.

2.Absorpcjometry fotoelektryczne

Do grupy tej zalicza się przyrządy o różnych konstrukcyjach. Detektorami w absorpcjometrach fotoelektrycznych są fotoogniwa, fotokomórki lub fotopowielacze.

Podział w zależności od tego, ile wiązek promieniowania biegnie od źródła do detektora.

absorpcjometry jedno- i dwuwiązkowe, W absorpcjometrach dwuwiązkowych istnieje możliwość jednoczesnego porównywania absorbancji próbki i wzorca.

Podział ze względu na sposób wykonania pomiarów. absorpcjometry wychyleniowe i kompensacyjne. Do pierwszej grupy należą aparaty działające na zasadzie wychylenia wskazówki galwanometru wzdłuż podziałki, skalowanej w jednostkach absorbancji i procentach transmitancji. Do drugiej grupy należą przyrządy pracujące na zasadzie kompensacji potencjometrycznej.

Są to aparaty typu zerowego, a ich wskazania są niezależne od wahań napięcia prądu, zasilającego źródło światła.

Światło, emitowane przez źródło, którym jest lampa wolframowa przechodzi przez kondensor i po odbiciu od zwierciadła wchodzi przez szczelinę wejściową do kolimatora. Po przejściu przez układ achromatyczny pada na monochromator, którym jest siatka dyfrakcyjna. Za pomocą odpowiedniego układu dźwigni można obracać siatkę dyfrakcyjną i dzięki temu przepuszczać przez szczelinę wyjściową monochromatora wiązkę o żądanej długości fali. Szerokość spektralna przepuszczanych przez szczelinę wiązek monochromatycznych wynosi 12 nm. Wybrana długość widma, po przejściu przez soczewkę achromatyczną, trafia na szczelinę wyjściową i po przejściu przez kiuwetę z roztworem badanym i filtr barwny do pochłaniania promieniowania cieplnego pada na detektor. W standardowym przyrządzie detektorem jest fotoogniwo selenowe. Powstały w fotoogniwie fotoprąd ulega wzmocnieniu we wzmacniaczu tranzystorowym i dostaje się do urządzenia pomiarowego.

3.Spektrofotometry

Spektrofotometry UV-VIS należą do absorpcjometrów najwyższej klasy. Dzięki zastosowaniu pryzmatów i siatek dyfrakcyjnych otrzymuje się promieniowanie o wąskiej szerokości spektralnej, a przez wprowadzenie dodatkowych filtrów, praktycznie monochromatyczne. Detektorami w tych przyrządach są fotokomórki, z odpowiednimi układami wzmacniającymi fotoprąd, i fotopowielacze.

Ze względu na sposób rejestracji, spektrofotometry UV-VIS można podzielić na dwie grupy:

- spektrofotometry punktowe, w których absorbancję odczytuje się metodą wychyleniową, na skali galwanometru lub częściej metodą kompensacyjną, równoważąc układ pomiarowy za pomocą potencjometru, wyskalowanego w jednostkach absorbancji i procentach transmitancji,

- spektrofotometry samopiszące, rejestrujące widma absorpcji w układzie %T = f (λ). Są to urządzenia o bardzo skomplikowanej budowie. Są to aparaty dwuwiązkowe, o szeroko rozbudowanym układzie optycznym, umożliwiającym dobrą monochromatyzację widma. Dzięki zastosowaniu, jako detektorów, fotopowielaczy charakteryzują się większą czułością.

Metoda miareczkowania spektrofotometrycznego

Miareczkowanie spektrofotometryczne stosuje się w celu ustalenia punktu końcowego miareczkowania wówczas, gdy zmiana barwy, towarzysząca temu punktowi, nie jest dostatecznie wyraźna, aby ją zaobserwować wizualnie, lub przebiega stopniowo, w miarę dodawania odczynnika miareczkującego. Pomiar polega na kolejnym mierzeniu absorbancji, zmieniającej się podczas miareczkowania roztworu badanego. Proces miareczkowania przedstawia się graficznie. Wykres sporządza się w układzie: A = f (V), gdzie V – objętość roztworu miareczkującego.

Miareczkowanie przeprowadza się przy określonej długości fali w specjalnie do tego celu przystosowanych spektrofotometrach (np. Spekol z przystawką do miareczkowania Ti lub TiMi), w których roztwór zawarty w kiuwecie jest mieszany za pomocą mieszadełka elektromagnetycznego. W metodzie miareczkowania spektrofotometrycznego otrzymuje się różne typy krzywych miareczkowania.

Miareczkowanie spektrofotometryczne można prowadzić zarówno bez indykatora, jak również wobec indykatora.

POTENCJOMETRIA

Metody potencjometryczne wykorzystują zależność między stężeniem (aktywnością) oznaczanego jonu w roztworze i potencjałem elektrycznym odpowiedniej elektrody – wykonuje się pomiar siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa(jest to róznica potencjałów elektrod wskaźnikowej i porównawczej), z którego jednym półogniwem jest elektroda wskaźnikowa, której potencjał jest zależny od stężenia oznaczanego jonu, a drugim – elektroda porównawcza, której potencjał ma wartość stałą. Obie elektrody są w kontakcie z badanym roztworem. Metody potencjometryczne polegają więc na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa złożonego z dwu elektrod zanurzonych do badanego roztworu. Mierzona SEM zależy w określony sposób od stężenia w roztworze oznaczanego składnika. Za zmianę SEM odpowiedzialna jest jedna z elektrod, elektroda wskaźnikowa.

Metody potencjometryczne dzielą się na dwie grupy:

1. Metody bezpośrednie polegające na wyznaczeniu stężenia oznaczanego składnika na podstawie wartości SEM ogniwa, którego kalibracji dokonano za pomocą próbek wzorcowych. Należą tu pomiary pH roztworów oraz oznaczenia za pomocą elektrod jonoselektywnych.

2. Metody pośrednie, czyli miareczkowe, stosowane do wyznaczania punktu końcowego miareczkowania – jest to tzw. miareczkowanie potencjometryczne. W miareczkowaniu tym wyznacza się zmiany SEM odpowiedniego ogniwa spowodowane dodawaniem mianowanego roztworu odczynnika miareczkującego

Miareczkowanie potencjometryczne

Polega na mierzeniu różnicy potencjałów między elektrodą wskaźnikową i porównawczą po dodaniu każdej porcji odczynnika miareczkującego. Jest ono możliwe do wykonania wówczas, gdy dobierze się elektrodę wskaźnikową, która będzie reagowała na zmiany stężenia składnika oznaczanego lub odczynnika miareczkującego, zachodzące podczas miareczkowania. Dodawanie odczynnika miareczkującego powoduje zmiany stężenia składnika oznaczanego. Początkowo względne zmiany stężenia oznaczanych jonów są niewielkie i zmiany potencjału są również niewielkie. Natomiast w pobliżu PR następuje skok potencjału.

Metody wyznaczania PK w potencjometrii

APARATURA do badan potencjometrycznych ,pH-metrycz, i miareczk potencjometr

w skład każdego z nich wchodzą elkementy: elektrody tworzące z badanym r-rem ogniwo oraz przyrządy pomiarowe okreslajace wartość SEM badanego ogniwa względnie okreslajace natężenie płynącego przez nie pradu.sprzetem uzupełniającym sa naczynia do pomiaru pH i miarecz potencj oraz klucze elektrolityczne, mieszadełka, biyrety i termometry

potencjometry bezlampowe sklada się z drutu oporowego, zródła pradu stałego, woltomierza, galwanometru, wyłącznika i ogniwa badanego . Pomiar polega na kompensacji SEM ogniwa badanego przez SEM zródła zewnętrznego

potencjometry lampowe stosuje się tu układ zwany triodą. Trioda –wzmacniacz czyli lampa elektronowa trójelektrodowa składajaca się z banki szklanej z której odpompowano powietrze i wlutowano trzy elektrody: katode, siatke wykonana z drutu w kształcie cylindrycznej spirali i anode. Jej działanie polega na tym ze strumien elektronów emitowanych na rozżarzoną katode przesuwa się w kierunku anody przechodząc przez siatke.Wzmacniacze elektornowe stosowane do pomiarów pH z elektroda szklana to pehametry

Titratory- przyrząd do automatycznego miareczkowania potencjometrycznego. Dziela się na dwa typy

a)z urządzeniem do automatycznej rejestracji krzywej miareczk –składa się w zasadzie z pehametruz urządzeniem rejestrującym, odczynnik miareczk dodawany jest z okreslona predkoscia z odpowiedniej biurety których wylot jest z platyny zanurzony bezpośrednio w r-rze miereczk-m.W biurecie jest tłok zsynchronizowany z urządzeniem przesuwającym papier na którym wykonywany jest zapis.

b)zaopatrzone w ułady pozwalające na automatyczne zamkniecie – biureta w sposób samoczynny zamyka się w PR w tym celu potencjometr ustawia się na napiecie którego wartość odpowiada PR. Zamiast galwanometru włacza się w obwód cewkę przekaźnika galwanom-ego która automatycznie zamyka kran biurety za pomocą cewki w PR.