Michał Mielnik Gr. 24 09.12.99

Zygmunt Rynduch Gr. 24

Rafał Mierzwa Gr. 24

Tomasz Kapelko Gr. 24

Spektrofotometria absorpcyjna

Podstawy teoretyczne.

Metody spektrofotometrii w świetle widzialnym i nadfiolecie polegają na pomiarze absorpcji promieniowania elektrometrycznego. W podanym zakresie promieniowania zjawisko absorpcji jest związane z przejściami między poziomami elektronów powłok zewnętrznych i zmiana energii cząsteczki lub atomu. W przypadku absorpcji cząsteczka znajdująca się w stanie podstawowym pochłania padające promieniowanie , w wyniku czego wzrasta energia elektronów i cząsteczka przechodzi w stan wzbudzony. W przypadku emisji występuje zjawisko odwrotne , a więc cząsteczka znajdująca się w stanie wzbudzonym emituje energię w postaci promieniowania elektromagnetycznego i cząsteczka wraca do stanu podstawowego. Zmiany energii ΔE w procesie absorpcji lub emisji są proporcjonalne do częstotliwości drgań ν ( a odwrotnie do długości fali λ ) promieniowania elektromagnetycznego:

Gdzie: h- stała Plancka

ν- częstotliwość drgań

c- prędkość światła

λ- długość fali

Gdy wiązka promieniowania monochromatycznego przechodzi przez warstwę roztworu, wówczas wychodzące promieniowanie jest osłabione w stosunku do padającego. Promieniowanie o natężeniu I_o ulega częściowo odbiciu lub rozproszeniu i częściowo pochłonięciu, a część tylko przechodzi przez roztwór.

Gdzie: I_r- natężenie promieniowania rozproszonego i odbitego

I_p- natężenie promieniowania pochłoniętego

I_t- natężenie promieniowania przechodzącego przez roztwór

W przypadku roztworów nie zawierających zawiesin wartość I_r jest niewielka i można ją praktycznie pominąć. Stosuje się wtedy równanie:

Znając wartość I_o i I_t można obliczyć I_p. Natężenie światła przechodzącego I_t zależy od natężenia źródła światła I_o i od grubości warstwy roztworu. Zależność tę można wyrazić wzorem LAMBERTA:

Gdzie: k- współczynnik proporcjonalności

b- grubość warstwy roztworu

Podobna zależność istnieje między natężeniem światła przechodzącego I_r a stężeniem substancji barwnej c w roztworze. Zależność tę opisuje prawo BEERA:

Gdzie: k_t- współczynnik proporcjonalności

Zestawiając równania LAMBERTA i BEERA otrzymujemy:

Gdzie: a- współczynnik absorpcji

Jest to prawo spektrofotometrii absorpcyjnej. Wyrażenie I_t / I_o nazywamy przepuszczalnością lub transmitancjąT:

a logarytm odwrotności tego wyrażenia nazywa się ekstynkcją lub absorbancją:

Przy stałej grubości warstwy cieczy, a więc przy stałej b absorbancja A zależy od stężenia substancji. Zależność między absorbancją a transmitancją ( wyrażoną w procentach) można przedstawić wzorem:

Aparatura pomiarowa

Przyrządy do pomiarów spektrofotometrycznych składają się na ogół ze źródła promieniowania, monochromatora, przesłony do regulacji natężenia promieniowania, kuwety z próbką, detektora promieniowania oraz urządzenia pomiarowego lub rejestrującego. W przypadku aparatów do pomiaru w nadfiolecie układ optyczny szklany jest zastępowany kwarcowym, który nadaje się także do pomiarów w świetle widzialnym. Prosty przyrząd służący do wizualnych obserwacji zmiany zabarwienia lub do pomiarów adsorpcji za pomocą urządzenia fotoelektrycznego nosi nazwę kolorymetru lub fotokolorymetru. W prostych urządzeniach światło monochromatyczne uzyskuje się za pomocą filtru szklanego, który przepuszcza stosunkowo szeroką wiązkę promieniowania, co powoduje mniejszą dokładność pomiaru. Przyrządy bardziej precyzyjne są wyposażone w układ rozszczepiający widmo (pryzmat lub siatkę dyfrakcyjną), służący do wydzielania bardzo wąskiej wiązki światła monochromatycznego. Mają one nazwę spektrofotometrów. Rozróżnia się spektrofotometry jedno- i dwuwiązkowe.

Przyrządy jednowiązkowe są znacznie prostsze, lecz mniej dokładne. W bieg wiązki promieniowania wstawia się najpierw odnośnik, a następnie badaną próbkę. W spektrofotometrach dwuwiązkowych jedno źródło światła rozdziela się na dwie wiązki. Jedna z nich przechodzi przez odnośnik, a druga przez badaną próbkę.

Jako źródło promieniowania stosuje się lampy wolframowe, wytwarzające promieniowanie w zakresie 350 - 2500 nm lub lampy wolframowo-jodowe. W zakresie nadfioletu jest stosowana zwykle wysokociśnieniowa lampa wodorowa lub deuterowa, emitująca promieniowanie w zakresie 180 - 380 nm.

Natężenie promieniowania przechodzącego przez roztwór mierzy się różnego typu detektorami. Najczęściej jako detektory stosuje się fotoogniwa, fotokomórki lub rzadziej fotopowielacze.

Fotoogniwa składają się z płytki metalowej (np. Fe), warstwy półprzewodnika (selen lub tlenek miedzi) i cienkiej, przepuszczającej światło warstwy metalu (np. srebro, ołów, złoto). Światło, padając na warstwę półprzewodnika, powoduje wytworzenie się różnicy potencjałów między warstwą półprzewodnika a płytką metalową tworząc ogniwo. Jeżeli ogniwo połączymy z galwanometrem, to w obwodzie będzie płynąć prąd o natężeniu proporcjonalnym do natężenia padającego promieniowania.

Fotokomórki składają się z dwóch metalowych elektrod w bańce szklanej pozbawionej powietrza. Katoda w postaci blaszki metalowej jest pokryta materiałem zdolnym do emitowania elektronów pod wpływem padającego promieniowania. Elektrony dążą do anody i w obwodzie płynie prąd, którego natężenie można zmierzyć galwanometrem.

Podstawową częścią fotopowielacza jest także fotokatoda. Elektrony emitowane z niej pod wpływem padającego promieniowania padają na zestaw wtórnych elektrod (dynod, emiterów), gdzie są przyspieszone i w wyniku wtórnej emisji ich liczba do emitera wykładniczo rośnie.

Metody pomiaru w świetle widzialnym

W spektrometrycznej analizie wody wykorzystuje się najczęściej metodę krzywej wzorcowej. Inne techniki, jak spektrofotometria różnicowa i miareczkowanie spektrofotometryczne, w analizie wody są stosowane bardzo rzadko.

W metodzie krzywej wzorcowej wykonuje się najpierw kilka roztworów wzorcowych zawierających oznaczane substancje o znanych dokładnie stężeniach. Zgodnie z metodą analityczną prowadzi się reakcję w celu wywołania zabarwienia. Sposób postępowania z badanymi próbkami i roztworami wzorcowymi jest taki sam. Następnie mierzy się absorbancję zabarwionych roztworów wzorcowych. Z uzyskanych wyników wykreśla się krzywą wzorcową (stężenie-absorbancja). Mierząc absorbancję zabarwionych próbek, uprzednio przygotowanych w identyczny sposób jak wzorce,odczytujemy na krzywej wzorcowej stężenie oznaczanej substancji.

Wykonanie ćwiczenia

Roztwór wzorcowy o stężeniu 1 mg/ml rozcieńczamy stukrotnie w kolbie miarowej otrzymując roztwór roboczy o stężeniu 0,01 mg/ml. Do pięciu kolbek o poj. 50 ml pobieramy odpowiednio 0, 2, 5, 10, 15 ml roztworu roboczego. Do szóstej kolbki pobieramy 10 ml wody wodociągowej. Następnie do każdej kolbki dodajemy kolejno identyczne ilości następujących odczynników:

• 2 ml 2 % CaCl₂

• 5 ml 0,05 % żółcieni tytanowej

• 5 ml 0,5 % żelatyny

• delikatnie mieszając miareczkujemy 1 mol/l NaOH do zmiany barwy (od 3 - 10 kropel)

• 5 ml 1 mol/l NaOH

Uzupełniamy wodą destylowaną do ok. 35 ml, dokładnie mieszamy i dopełniamy do kreski. Otrzymane roztwory pozostawiamy na 15 min.

Prowadzimy pomiar przy długości fali λ = 545 nm.

Do pierwszej kuwety wlewamy tzw. ślepą próbę, czyli roztwór pozbawiony jonów magnezowych. Ustawiamy spektrofotometr w ten sposób, aby dla ślepej próby wskazywał zerową absorbancję. Do drugiej kuwety wlewamy kolejno roztwory wzorcowe odczytując ich absorbancję, powtarzając każdy pomiar trzykrotnie. Tworzymy w ten sposób krzywą wzorcową.

Lp.	Objętość roztworu roboczego [ml]	Zawartość Mg w kolbie 50 ml [mg/ml]	Odczytana wartość absorbancji			Średnia wartość absorbamcji	Wartość transmitancji [%]
								Pomiar 1	Pomiar 2	Pomiar3
1.	0	0	0	0	0	0	100
2.	2	0,0004	0,075	0,075	0,075	0,075	84
3.	5	0,0010	0,157	0,160	0,160	0,159	69
4.	10	0,0020	0,275	0,275	0,275	0,275	53
5.	15	0,0030	0,380	0,380	0,380	0,380	41,5
6.	Próbka badana - 10 ml		0,195	0,195	0,195	0,195	64

Krzywa wzorcowa

Krzywa wzorcowa jest dana równaniem y = 124.176 x + 0.0188552

Obliczona zawartość Mg w 50 ml próbki badanej wynosi C^*_Mg = 0,0014185 mg/ml

Zawartość Mg w samej wodzie wodociągowej (pobranych 10 ml) obliczamy ze wzoru:

w - współczynnik rozcieńczenia 50 ml/10 ml = 5

Zawartość magnezu w wodzie wodociągowej wynosi 7,0925 mg/l

---