SPRAWOZDANIE Z CHEMII ANALITYCZNEJ ŚRODOWISKA

SPEKTROFOTOMETRIA UV-VIS

I. CZĘŚĆ TEORETYCZNA:

Spektrofotometria jest to technika spektroskopowa polegająca na ilościowym pomiarze absorpcji, emisji lub odbicia światła. Od zwykłej fotometrii różni się tym, że umożliwia pomiar światła w zależności od długości światła.

W technikach spektrofotometrycznych mierzy się i porównuje intensywność poszczególnych sygnałów w kolejnych widmach spektroskopowych, natomiast w technikach spektroskopowych nie zaliczanych do spektrofotometrii pomiar wartości intensywności światła ma drugorzędne znaczenie, a ważne jest raczej występowanie i kształt sygnałów w widmach.

Wiązka promieniowania monochromatycznego przechodząca przez warstwę roztworu jest osłabiona w stosunku do padającego. Promieniowanie o natężeniu Io ulega częściowo odbiciu lub rozproszeniu, częściowo pochłonięciu, a tylko część przechodzi przez roztwór. Powyższą obserwację można przedstawić w postaci równania:

Io = Ir + Ip + It

gdzie:

Io: natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego

Ir: natężenie promieniowania rozproszonego i obitego

Ip: natężenie promieniowania pochłoniętego

It: natężenie promieniowania przechodzącego przez roztwór

Pomiar absorbancji należy wykonywać przy długości fali, dla której uzyskuje się maksymalną absorpcje (wartość długości fali można zaczerpnąć z tablic).

W przypadku gdy zależność 10 jest liniowa, wówczas dany roztwór podlega prawu Lamberta - Beera. Jednak w praktyce spotyka się odchylenia od tego prawa (rys 3) głównie za sprawą reakcjami chemicznymi zachodzącymi wraz ze zmianą stężenia lub błędami aparaturowymi, np. niską monochromatycznością promieniowania.

Spełnienie prawa Lamberta-Beera nie jest jednak warunkiem koniecznym wykonania analizy spektrofotometrycznej. Odchylenia od prawa Lamberta-Beera powodują zwiększenie błędów oznaczania.

Odstępstwa od praw absorpcji.

• 1. związane z próbką, zależą od charakteru środowiska;

• • zmiana współczynnika załamania promieniowania,

• • zbyt wysokie stężenie (oddziaływanie składników roztworu; hydroliza, solwatacja, polimeryzacja),

• • nakładanie się przekrojów czynnych cząstek

• 2. instrumentalne;

• • brak monochromatyzacji wiązki promieniowania,

• • niska klasa przyrządu

Ze względu na powstawanie znacznych błędów nie należy dokonywać pomiarów przy bardzo niskim bądź wysokim stężeniu roztworu. Przy małych stężeniach wynik jest obarczony błędem, wskutek małych wartości absorbancji. Natomiast przy dużych stężeniach sytuacja jest odwrotna, mała część promieniowania przechodzi przez roztwór a zatem absorbancja ma wartości bardzo duże. Badanie czułości pomiaru można przeprowadzić wykorzystując stosunek ΔA/A, który odpowiada najmniejszej różnicy absorbancji, możliwej do zmierzenia w stosunku do całej absorbancji.

Budowa i zasada działania spektrofotometru

Schemat optyczny spektrofotometru Spekol: 1-lampa wolframowa,2-kondensor, 3-zwierciadło, 4-szczelina wejściowa, 5-układ achromatyczny, 6-siatka dyfrakcyjna, 7-soczewka achromatyczna, 8-szczelina wyjściowa, 9-kuweta, 10-filtr, 11-detektor, 12-wzmacniacz tranzystora, 13-urządzenie pomiarowe, 14-bęben (pokrętło).

Źródłem (1) emitowanego światła jest lampa wolframowa (zakres 420-750 nm) lub lampa rtęciowa HQE (365-750 nm). Światło przechodząc przez kondensor (2) ulega odbiciu od zwierciadła (3) następnie przechodzi przez szczelinę wejściową (4) do kolimatora, gdzie

po przejściu przez układ achromatyczny (5) pada na monochromator (6), którym jest siatka dyfrakcyjna. Przy pomocy układu dźwigni, poruszanych bębnem (14), możliwe jest obracanie siatką dyfrakcyjną i dzięki temu w szczelinie wyjściowej monochromatora uzyskuje się wiązkę o żądanej długości fali. Szerokość spektralna przepuszczonych przez szczelinę wiązek monochromatycznych wynosi 12 nm. Wiązka o wybranej długość, po przejściu przez soczewkę achromatyczną (7), trafia na szczelinę wyjściową (8) i po przejściu przez kuwetę z roztworem badanym (9) i filtr barwny służący do pochłaniania promieniowania cieplnego (10) pada na detektor (11). Najczęściej detektorem jest fotoogniwo selenowe. Powstały w fotoogniwie fotoprąd ulega wzmocnieniu we wzmacniaczu (12) a następnie dostaje się do urządzenia pomiarowego (13).

Spektrofotometria absorpcyjna - ilościowe oznaczanie składników

Ilościowe oznaczenie badanego składnika wykonuję się najczęściej metodami:

- krzywej wzorcowej,

- algebraiczną,

Metoda krzywej wzorcowej polega na ustaleniu zależności pomiędzy stężeniem oznaczonej substancji w roztworze a absorbancją (C=f(A)). W tym celu sporządzenia się serie roztworów wzorcowych oznaczanej substancji o różnych stężeniach i dla każdej z próbek wyznacza się krzywą absorpcji czyli zależność absorbancji od długości fali światła padającego (A=f(λ)). Na podstawie otrzymanych krzywych absorpcji dla każdej z próbek określa się długość fali przy której absorbancja osiąga wartość minimalną. Z otrzymanych danych wykreśla się krzywą wzorcową.

Metodę algebraiczną stosuje się często w przypadku pojedynczych oznaczeń. Stężenie oznaczanego składnika oblicza się bezpośrednio ze wzoru:

A=C/a*b

gdzie:|

A - absorbancja (ekstynkcja) roztworu,

a - współczynnik absorbancji,

b - grubość warstwy roztworu.

W celu uzyskania większej dokładności pomiaru wartości współczynnika absorbancji wyznacza się jego wartość średnią mierząc przy danej długości fali absorbancję kilku roztworów wzorcowych.

Modyfikacją tej metody dającą pewniejsze wyniki jest sposób z dwoma roztworami wzorcowymi C₁ i C₂ tak dobranymi, aby A₁ < A_x < A₂.

Wówczas to nieznaczne stężenie roztworu można obliczyć ze wzoru:

Cx = C1 + C2-C1/A2-A1 * (Ax-A1)

Widmo światła białego

Światło i odpowiadająca długość fali elektromagnetycznej:

Barwa	Długość fali [nm]
czerwona	630-780
pomarańczowa	590-630
żółta	560-590
zielona	490-560
niebieska	440-490
fioletowa	380-440

II. CZĘŚĆ CWICZENIOWA:

Na ćwiczeniach ze spektrofotometrii zajmowaliśmy się oznaczaniem żelaza całkowitego w postaci kompleksu z fenantroliną. 1,10-fenantrolina jest zasadą organiczną, która tworzy z jonami Fe(II) barwny kompleks stanowiący podstawę do oznaczania żelaza w roztworze wodnym.

Oznaczenie prowadzi się przy długości fali 512 nm. Roztwory kompleksowe są trwałe w czasie. Kationy Fe(II) oznacza się bezpośrednio, zaś Fe(III) należy uprzednio zredukować kwasem askorbinowym w środowisku o pH=1 lub hydroksyloaminą w środowisku o pH=3-4.

Reakcję kompleksowania przeprowadza się w środowisku buforu octanowego lub cytrynianowego. Przy pH w granicach od 2,9-9,0 powstaje różowo-pomarańczowy związek o intensywności zabarwienia proporcjonalnej do stężenia jonów Fe(II).

W oznaczaniu przeszkadzają cyjanki, azotany, fosforany, polifosforany, chrom i cynk w stężeniach 5 razy wyższych od żelaza, kobalt i miedź w stężeniach 5M, nikiel w stężeniu powyżej 2M oraz bizmut, kadm, rtęć, molibden i srebro, które tworzą osad z fenantroliną, substancje organiczne i utleniające oraz barwa wody.

W przypadku obecności przeszkadzających metali konieczny jest duży nadmiar fenantroliny w celu skompensowania części fenantroliny związanej przez te metale.

Metoda pozwala na oznaczanie żelaza od 0,001 do 0,1 mg w próbce.

WYKONUJEMY OZNACZENIE:

1. Przygotowujemy roztwory wzorcowe - do 6 kolb miarowych o poj. 50 ml odmierzamy pipetą kolejno 0,00 ml (ślepa Próba), 0,20, 0,40, 0,60, 0,80, 1,00 ml roztworu podstawowego żelaza o zawartości 0,1 mg Fe/ml. Do wszystkich kolb kolejno dodajemy roztwory:

2 ml 10% hydroksyloaminy

5 ml 10% cytrynianu sodu

5 ml 0,25% 1,10-fenantroliy

Uzupełniamy wodą do kreski i mieszamy.

2. Następnie mierzymy absorbancję roztworów wzorcowych przy λ=512 nm i sporządzamy wykres krzywej kalibracyjnej.

---