SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI

Spektroskopia w podczerwieni zajmuje się badaniem oddziaływań promieniowania podczerwonego z materią, przede wszystkim absorpcji oraz emisji tegoż promieniowania przez materię.

Graficznym obrazem tych oddziaływań jest widmo oscylacyjno-rotacyjne.

Podczerwień daleka:
= 30-600 cm^-1

Podczerwień właściwa:
=600-4000 cm^-1

Podczerwień bliska:
= 4000-12 000 cm^-1

Rodzaje drgań i ich opis

Drgania własne - są to takie drgania w cząsteczce, które nie powodują przemieszczania środka masy ani obrotu molekuły. Są one od siebie niezależne i nie oddziaływają na siebie energetycznie.

• drgania rozciągające (walencyjne): to drgania odbywające się wzdłuż osi wiązania, zmieniające głównie długość wiązania

Drgania deformacyjne: są to drgania polegające na zmianie kątów między wiązaniami atomów lub na ruchu grupy atomów w stosunku do reszty cząsteczki bez zmiany położenia atomów względem siebie w grupie.

• drgania zginające inaczej nożycowe

• wahadłowe

• kołyszące

• skręcające

CZĘSTOŚCI GRUPOWE : są to częstości drgań związanych z pewnymi elementami struktury. Zakłada się, że grupa CH₃ w CH₃CH₂Cl ma pewne charakterystyczne drgania, które będą występowały również w widmach wielu innych związków zawierających grupę CH₃. Wiele grup funkcyjnych ma drgania o charakterystycznej częstości, zmieniające się niewiele w różnych molekułach np.

>C=O 1645-1850 cm^-1 -SH 2500-2600 cm^-1

-C≡N 2225-2270 cm^-1 -C≡C- 2000-2300 cm^-1

-OH 3000-3700 cm^-1 >C=C< 1580-1700 cm^-1

INTERPRETACJA WIDM

Przed przystąpieniem do interpretacji widm należy wziąć pod uwagę kilka konkretnych reguł:

• analizowane widmo musi mieć odpowiednie natężenie (aby mogły być odczytane pasma o małej intensywności) i dobrą rozdzielczość,

• musimy mieć pewność, że jest to widmo czystego związku,

• stan fizyczny związku w momencie wykonania widma może mieć bardzo duży wpływ na pozycję i liczbę pasm na widmie. Jeśli jest to widmo roztworu należy uwzględnić stężenie i rodzaj rozpuszczalnika,

• tablice częstości grupowych zawierają tylko pasma częstości grupowych , inne pasma mogą występować w tym samym lub innych zakresach widmowych,

spektrofotometria w IR to spektrofotometria cząsteczkowa absorpcyjna (taka sama jak dla UV-VIS).

Budowa spektrofotometru IR:

- źródło promieniowania, komora do kuwet, fotometr, monochromator, detektor, wzmacniacz i rejestrator.

Źródło promieniowania: żarzące się ciała dające w tym zakresie widma ciągłe tzn. bez ostrych nieciągłości typu linii emisyjnych lub pasm absorpcyjnych. Do najczęściej używanych źródeł należą włókno (pałeczka) Nersta i Globar oraz palniki z nawiniętą spiralą.

Włókno Nersta wykonane jest z tlenków ziem rzadkich (cyrkonu, ceru, toru). Ma ono kształt pałeczki o średnicy kilku mm i długości kilku cm, zaopatrzonej w wyprowadzenia platynowe. Włókno pracuje przeważnie w temperaturze 1400-1600 K. Jest bardzo wydajnym źródłem promieniowania.

Globar (silit) wykonany jest z węglika krzemu (karborundu). Pracuje w temperaturze trochę niższej niż włókno Nersta

Spektroskopia absorpcyjna obejmuje badani widm absorpcyjnych atomów i cząsteczek. Widmem absorpcyjnym nazywa się widmo promieniowania elektromagnetycznego, które przeszło przez środowisko absorpcyjne (pochłaniające)

Spektroskopia emisyjna obejmuje badanie widm promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez dany układ (atomy, cząsteczki)

Spektrofotometria polega na pomiarze spektrofotometrem stosunku natężeń (lub funkcji tego stosunku np. absorbancji) dwóch wiązek promieniowania w funkcji długości fali. Jedna wiązka jest wiązką promieniowania oddziaływującego z badaną próbką, druga wiązką odniesienia. Metoda ta odnosi się w zasadzie do nadfioletu, zakresu widzialnego i podczerwieni.

Spektrometria polega na pomiarze spektrometrem optycznym natężenia promieniowania elektromagnetycznego przy różnych długościach fali lub korpuskularnego przy różnych energiach ( a więc w całym zakresie promieniowania).

Metody spektroskopowe należą do najczęściej stosowanych metod instrumentalnych. Na pierwszym miejscu wśród metod spektroskopowych należy wymienić spektrofotometrię, zwłaszcza w zakresie promieniowania widzialnego (VIS), która należy do najpopularniejszych metod analitycznych.

Spektrometria emisyjna - w przeciwieństwie do spektrofotometrii i fluorymetrii należących do spektrofotometrii cząsteczkowej - należy do spektrometrii atomowej i umożliwia oznaczanie pierwiastków. Do podstawowych zalet spektralnej analizy emisyjnej należy jej selektywność i duża czułość.

W stosunku do klasycznej spektrografii i spektrometrii emisyjnej wielkim postępem było wprowadzenie plazmowych źródeł wzbudzania wysokiej częstotliwości, tj. częstotliwości radiowej (ICP). Precyzja oznaczeń z zastosowaniem plazmy ICP jest duża, gdyż jest ono jednym z najbardziej stabilnych źródeł wzbudzania, a dokładność oznaczeń jest nieporównywalnie lepsza niż przy wszystkich innych źródłach stosowanych w spektrografii emisyjnej. Zakres zastosowania w analizie jest bardzo szeroki, ponieważ ICP pozwala na jednoczesną wielopierwiastkową analizę i to zarówno w ilościach śladowych, jak i makro oraz stwarza możliwość oznaczania prawie wszystkich pierwiastków, nawet trudno wzbudzalnych.

Do metod emisyjnych należy także fotometria płomieniowa, która jest metodą prostszą od spektrometrii i umożliwia szybkie oznaczenie głównie metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych. Metodą stosowaną do oznaczania większej liczby metali (około 60) jest absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA). Odznacza się ona dużą czułością i specyficznością. Duża specyficzność wynika z tego, że promieniowanie emitowane przez odpowiednią lampę może być absorbowane wyłącznie przez atomy jednego pierwiastka. ASA uchodzi obecnie za najprostszą i najbardziej selektywną metodę analityczną oznaczania śladowych ilości metali w wielu materiałach.

Z metod związanych z promieniowanie rentgenowskim największe analityczne zastosowanie ma fluorescencja rentgenowska. Wyróżnia się ona dużą precyzją, co umożliwia stosowanie jej do oznaczania głównych składników próbki (wyznaczania składu pierwiastkowego). Emisyjne widma rentgenowskie są znacznie prostsze niż widma optyczne, co zmniejsza niebezpieczeństwo nakładanie się linii. Dlatego metoda ta nadaje się zwłaszcza do analizy substancji złożonych, np. stopów, rud, żużli.

UV-VIS

Spektrofotometr - jest przyrządem pomiarowym do badania transmitancji lub absorbancji promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali lub liczb falowych w zakresie nadfioletu i części widzialnej widma.

Budowa: źródło promieniowania, monochromator, pomieszczenie na próbki wraz z kuwetami, detektor, rejestrator.

Źródło promieniowania musi pokryć cały zakres UV-VIS, tzn. 180-800 nm. Jako źródło stosuje się:

• lampy deuterowe w zakresie 180-380 nm,

• lampy wolframowo-halogenowe w zakresie 380-800 nm,

• wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe pokrywające cały zakres UV-VIS.

Monochromator ma za zadanie rozszczepienie promieniowania polichromatycznego emitowanego przez źródło promieniowania i wyodrębnienie z otrzymanego widma fragmentu zawierającego promieniowanie o żądanej długości fali λ i przepuścić ją przez komorę z badaną substancją

Detektory przetwarzają energię promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną. Powinny charakteryzować się dobrą czułością, szerokim zakresem liniowości wskazań. (fotokomórki, powielacze, fotodiody)

Wzbudzenie elektronu polega na jego przejściu z orbitalu wiążącego (o niższej energii) na orbital antywiążący (o wyższej energii) oznaczany zazwyczaj gwiazdką.

δ → δ ^* δ → π^* π → δ ^* n → δ ^* π → π ^* n → π ^*

Prawo Lamberta-Beera można wyrazić następująco log I_o/I = A = ε·c·l

I_o oraz I - natężenie światła padającego i przepuszczonego

A - absorbancja ε - dziesiętny molowy współczynnik absorpcji (l·mol^-1·cm^-1)

c - stężenie w molach/dm³ l - grubość badanej warstwy w cm

chromofory - grupy atomowe zawierające elektrony o małych energiach wzbudzenia.

Auksochromy wzmacniają działanie chromoforów. Do nich zaliczamy:

• batochromy - przesuwają maksimum absorpcji w stronę fal dłuższych

• hipsochromy - przesuwają maksimum absorpcji w stronę fal krótszych

jako rozpuszczalniki stosuje się substancje, które nie absorbują promieniowania w badanym zakresie widmowym, nie reagują z substancją rozpuszczoną i posiadają duży stopień czystości. Często śladowe zanieczyszczenia powodują silną absorpcję. Stosowane w zakresie UV rozpuszczalniki można podzielić na trzy grupy:

• niepolarne (obojętne) np. heksan cykloheksan

• polarne, protolityczne np. woda

• polarne, aprotyczne

Cechy rozpuszczalnika: czysty (bez zanieczyszczeń), inertny (nie może reagować ze związkiem, który rozpuszczamy), przezroczysty (nie może mieć własnej absorpcji)

Solwatochromia - zmiany zabarwienia niektórych silnie polarnych barwników przy przeniesieniu ich z jednego rozpuszczalnika do innego lub przy zmianach składu mieszanin rozpuszczalników.

Transmitancja - ile promieniowania zostało przepuszczone

Absorbancja - ile promieniowania zostało pochłonięte

ASA - ABSORPCYJNA SPEKTROMETRIA ATOMOWA

ASA polega na pomiarze promieniowania monochromatycznego przez wolne atomy danego związku. Metoda wymaga odparowania atomizacji i wzbudzenia próbki. Czynności te mogą być wykonane przy użycia płomienia lub elektrotermicznie z zastosowaniem pieca grafitowego. Metody te określa się również jako metoda płomieniowa i bezpłomieniowa absorpcyjna spektrometria atomowa. Stosowana jest często w oznaczaniu śladowych ilości metali w laboratorium

Aby mogła zajść absorpcja określonego promieniowania dostatecznie duża liczba atomów musi znajdować się w stanie podstawowym.

Atomizer - w atomizerze następuje rozbicie cząsteczek na wolne atomy. Obok atomizacji zachodzi jednocześnie wzbudzenie atomów. W ASA wzbudzenie jest dokonywane za pomocą lampy.

Zakłócenia w ASA można podzielić na 3 grupy:

• zakłócenia spektralne, powstają w wyniku nakładania się linii lub pasm absorpcyjnych i emisyjnych. Dwa różne pierwiastki w roztworze mogą mieć linie absorpcyjne o zbliżonych długościach fali i mogą absorbować emitowane promieniowanie,

• zakłócenia fizyczne. Wynikają ze zmian fizycznych własności roztworu, mają one wpływ na wydajność nebulizacji,

• chemiczne, spowodowane reakcjami chemicznymi zachodzącymi w płomieniu.

Nubilizacja roztworu - tworzenie aerozolu i odparowanie rozpuszczalnika płomieniem

Aparatura: źródło, atomizer, monochromator, detektor i wzmacniacz, rejestrator.

Zjawisko AUGERA - wzbudzony atom przechodząc do stanu początkowego może zamiast fotonu wyemitować elektron zwany elektronem Augera. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy uwalniana w atomie energia przewyższa energię wiązania elektronu na danym poziomie. Emisja elektronu Augera z poziomu L w wyniku uwalniania się energii przejścia (E_K - E_L) w atomie. Zjawisko Augera na poziomie L prowadzi do wzbudzenia atomu na tym poziomie. Odwzbudzenie może nastąpić przez emisj,ę promieniowania charakterystycznego serii L lub też przez emisje następnego elektronu Augera z poziomu M ile spełniony jest warunek E_L-E_M ≥ E_M. Prawdopodobieństwo emisji elektronu Augera z poziomu L maleje ze wzrostem różnicy energii ΔE=(E_K-E_L)-E_L, a różnica ta rośnie ze wzrostem liczby atomowej z. Zjawisko to zachodzi w pierwiastkach lekkich.

---