Metody spektroskopowe  zespół metod w chemii fizycznej i
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
fizyce zajmujących się badaniem przejawów oddziaływania
Wydział Nauk o Żywności
między promieniowaniem elektromagnetycznym a materią (czyli
zbiorem atomów, cząsteczek, itd.) oraz badaniem na tej podstawie
budowy i właściwości atomów, cząsteczek i jąder atomowych.
Klasyfikacja metod spektroskopowych ze względu na charakter
METODY ANALIZY INSTRUMENTALNEJ oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią:
SPEKTROFOTOMETRIA
v� spektroskopię absorpcyjną
v� emisyjną
v� rozpraszania
Klasyfikacja metod spektroskopowych ze względu na rodzaj
badanego układu (cząstek materii):
Dr Ewa Więckowska-Bryłka
v� spektroskopia atomowa
Katedra Chemii WNoŻ
v� spektroskopia molekularna lub cząsteczkowa
p. 2036
v� spektroskopia jądrowa
1
1 v� spektroskopia kryształów 3
Klasyfikacja metod spektroskopowych ze względu na rodzaj
Analiza
wzbudzeń (przejścia między poziomami elektronowymi,
oscylacyjnymi, rotacyjnymi, jądrowymi) i formę energii molekuł:
instrumentalna
v� spektroskopia elektronowa
Metody
chromatograficzne
v� spektroskopia oscylacyjna
Metody
v� spektroskopia rotacyjna
spektrofotometryczne
(spektroskopowe) Metody Metody
v� spektroskopia elektronowego rezonansu
elektrochemiczne radiometryczne
paramagnetycznego (EPR)
v� spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego
(NMR)
2 4
1
 Promieniowanie elektromagnetyczne:
Widmo promieniowania elektromagnetycznego:
ż� drganie pola elektrycznego, któremu towarzyszy drganie pola
ż� zbiór fal elektromagnetycznych o różnej długości
magnetycznego
ż� promieniowanie widzialne przez oko ludzkie (światło) obejmuje
niewielki zakres promieniowania elektromagnetycznego, którego
ż� długość fali l� (odcinek drogi promieniowania, na którym
długość fal wynosi od około 400 nm (fiolet) do 760 nm
(czerwień).
mieści się jeden okres drgania pola czyli jedno drganie), [cm],
ż� częstotliwość drgań pola na sekundę , [s 1],
_
.1016
[cm-1] .1010 3 .1011 3 .1012 3 .1013 3 .1014 3 .1015 3 3 .1017 3 .1018
3

ż� liczba falowa czyli częstość drgań pola na centymetr, [cm 1],
8
5 6
2 3 4
[H z] 1 10 10 10 10 10 10 107 10
c -1 -2 -3 -4 -6 -7 -8
[ cm ]
l� 1 10 10 10 10 10-5 10 10 10
c  prędkość promieniowania w próżni,
l� =� prom .
fale prom.
m ikrofale podczerw ień nadfiolet prom. g�
3 . 108 m/s rentgenow skie
radiow e w idz.

15
.10- 22 2 .10- 21 2 .10-20 2 .10-19 2 .10- 18 2 .10-17 2 .10- 16 2 .10-
]
e� �[� J. foton-1 2 .10-23 2
1 ajnsztajn
-2
. . . .
. .
. .
. .
. .
. -1] 1.2 . 10 1.2 . 10-1 1.2 1.2 . 101 1.2 . 102 1.2 103 1.2 104 1.2 105 1.2 106
[kJ m ol 1.2 10 1.2 10
1.2 10 1.2 10
1.2 10 1.2 10
1.2 10 1.2 10
=�
l� 5 7
Natura promieniowania elektromagnetycznego:
Absorpcja promieniowania przechodzącego przez roztwór:
�� wiązka promieniowania jest zbiorem porcji energii (natura
korpuskularna), czyli kwantów energii, biegnących w
A
kierunku rozchodzenia się promieniowania
I o
I
�� wielkość e� pojedynczego kwantu, zwanego fotonem, określa
l�
zależność Plancka:
d e t e k t o r r e j e s tr a t o r
z
ró d ł o
p r o m i e n i o w a n i a
1
e� =� h �� =� h �� �� c
lub e� =� h �� ��c
l�
I0  natężenie promieniowania przed przejściem przez roztwór,
I  natężenie promieniowania po przejściu przez roztwór.
gdzie: h  stała Plancka, 6,63 � 10 34 J�s.
T  transmitancja (przepuszczalność), np. 70 %
I
=� T promieniowania przechodzi przez próbkę T = 0,70.
�� kwanty energii (czyli fotony) są tym większe, im większa jest
I0
częstość drgań fali elektromagnetycznej, czyli im mniejsza jest
jej długość
I I0 1
�� zależność Plancka wiąże charakter falowy i korpuskularny
-� logT =� -� log =� log =� log =� A
promieniowania. I0 I T
A  absorbancja, wartość mierzona absorbcji
6 8
2
Widmo absorpcyjne: krzywa absorpcji, poszczególne składowe
Oznaczanie stężenia jonów żelaza (III) metodą kolorymetryczną
noszą nazwę pasm
Interpretacja widma:
�� przeprowadzenie jonów żelaza (III) w związek barwny za
��pozwala na identyfikację jakościową
pomocą kwasu salicylowego
(występowanie charakterystycznych
A
maksimów odpowiadających
�� kationy Fe3+ tworzą z kwasem salicylowym (w zależności od
poszczególnym atomom, cząsteczkom lub
pH roztworu) trzy rodzaje jonów:
ugrupowaniom atomów w cząsteczkach)
l�
��pozwala na analizę ilościową próbki
��ustalenie struktury związków
��badanie mechanizmów i kinetyki reakcji
_
_
3 _
3_
+
+
O O
O O
O
O
F e F e
Fe Fe
F e
Fe
Do zastosowań analitycznych
O
O
O O
O O
A
C C
C C
C
C
należy wybrać tzw. analityczną
c1< c2 < c3
długość fali l�max.
O O
O O
O 2
O 2
3
c3 3
Wyznaczamy ją na podstawie
zależności
m o n o s a lic y l a n d is a lic y la n tr i s a l ic y la n
monosalicylan disalicylan trisalicylan
c2
A = f (l�)
ż e la z a ( I I I ) żelaza (III) ż e la z a ( I I I )
żelaza (III) ż e l a z a ( I I I ) żelaza(III)
c1
l�max odpowiada największa
absorbancja (a jednocześnie
najmniejsza T)
l�max l� [nm]
9 11
Prawo Lamberta-Beera:
Absorbancja A (wielkość
I0
Warunki oznaczenia:
bezwymiarowa) jest
technika płomieniowa �� w środowisku kwaśnym przy pH < 2 w roztworze
A =� log =� � �� l �� c
1.5
długość fali - 285.2 nm
proporcjonalna do stężenia
szczelina - 0.7 mm
I badanym występuje jedynie monosalicylan żelaza (III) o
molowego roztworu c i
barwie fioletowej
grubości warstwy absorbującej
1.0
l (w cm).
�� dodając roztworu kwasu salicylowego do roztworów o
różnej zawartości jonów Fe (III) otrzymuje się roztwory
e�  współczynnik proporcjonalności,
tzw. molowy współczynnik wzorcowe o różnym stężeniu związku kompleksowego (o
0.5
absorbancji (molowy współczynnik Liniowa zależność absorbancji
różnej intensywności zabarwienia), a więc o różnej
od stężenia wzorca
pochłaniania), [dm3 . mol 1. cm 1].
wartości A
0.1
0
0.1 0.5 1.0 1.5 2.0
Prawo Lamberta-Beera jest �� po określeniu l�max i ustawieniu jej na przyrządzie,
Stężenie wzorca [mg/L]
spełnione gdy: wykonuje się pomiary A dla serii roztworów wzorcowych
Wykres wzorcowy - po
" rozpuszczalnik nie absorbuje
zmierzeniu wartości A dla �� sporządza się wykres zależności A = f(c)
promieniowania,
roztworu o nieznanym cx,
" brak jakichkolwiek oddziaływań �� umożliwia on określenie ilości kationów Fe3+ w
wyznacza się jego stężenie z
między cząsteczkami substancji
wykresu
analizowanym roztworze po zmierzeniu jego absorbancji.
absorbującej czy też między
cząsteczkami tej substancji i
rozpuszczalnika
10 12
3
Absorbancja
Spektroskopia w nadfiolecie i w zakresie widzialnym:
Większość związków kompleksowych metali bloku d jest barwna
�� substancja pochłania ze światła białego (z zakresu
widzialnego promieniowania elektromagnetycznego)
promieniowanie o określonej długości fali, czyli o
pasma absorpcji jonów tych pierwiastków przypisuje się przejściom
określonej barwie,
elektronowym w orbitalach d, zwanych przejściami typu d �� d
�� o barwie dostrzeganej okiem, decyduje mieszanina
przepuszczonych i odbitych składników barwnych światła,
�� barwę obserwowaną nazywamy dopełniającą do barwy " W wolnym jonie elektrony d znajdują się w polu o
symetrii kulistej.
absorbowanej (w połączeniu z barwą promieniowania
zaabsorbowanego tworzy ona światło białe),
" W kompleksie pod wpływem ligandów tworzą związki
o symetrii przeważnie tetraedrycznej lub oktaedrycznej.
�� selektywna absorpcja promieniowania  barwa
przedmiotu (roztworu), jest jego cechą fizyczną związaną
ściśle z absorpcją promieniowania o określonym zakresie
długości fal
13 15
Absorpcja promieniowania widzialnego i barwy dopełniające
Promieniowanie absorbowane
Według teorii pola krystalicznego (jedna z teorii
Długość Barwa Barwa dopełniająca 
fali, nm promieniowania obserwowana
wyjaśniających budowę związków kompleksowych)
pochłanianego
400  440 Fiolet Żółta
poziomy d ulegają rozszczepieniu:
440  470 Błękit indygo Żółta
470  480 Błękitna Żółtopomarańczowa
480  490 Niebieska Pomarańczowa ż� w kompleksie o symetrii tetraedrycznej na dwa poziomy:
490  495 Niebieskozielona Czerwona
eg o energii niższej i t2g o energii wyższej; w kompleksie o
495  560 Zielona Czerwonopurpurowa i fioletowa
560  570 Zielonożółta Purpurowofioletowa
symetrii oktaedrycznej - również na dwa, z tym że energia
570  575 Żółta Fioletowa i indygo
575  590 Żółtopomarańczowa Błękitna i niebieska
poziomu eg jest wyższa, a poziomu t2g niższa,
590  600 Pomarańczowa Niebieska
600  620 Pomarańczowoczerwona Niebieskozielona
ż� rozszczepienie poziomu d stwarza sytuację, w której
Spektrum światła białego elektrony mogą przejść z niższych poziomów na wyższe
pochłaniając foton o częstości pasującej do wielkości
rozszczepienia
14
16
4
Jon [�Fe(H2O)6]�3+� o konfiguracji elektronowej [Ar]
4s03d5 jest bezbarwny, nie
obserwuje się głównego pasma Analogiczna sytuacja w monosalicylanie żelaza (III):
absorpcji w zakresie widzialnym.
Z pięciu elektronów trzy
" różnica energii między poziomami duża (wszystkie e na
pojedynczo
eg obsadzają t2g, a dwa  orbitale
poziomu orbitale niższym poziomie)
poziomu eg i nie ma możliwości
D�
przeniesienia elektronu z orbitalu
" po pochłonięciu światła możliwy przeskok e z orbitalu o
t2g do orbitalu eg (brak pustych
niższej energii na orbital o energii wyższej
orbitali eg, a stanem
podstawowym jest stan o
maksymalnej liczbie
" dopełniająca barwa obserwowana  fioletowa, bo
niesparowanych elektronów).
orbitale d
pochłaniana l� = 530 nm (barwa zółtozielona).
Jest to spowodowane obecnością
t2g
stosunkowo słabego pola
ligandów  cząsteczek wody
Fe3+ (słabe rozszczepienie poziomu d,
Fe(H2O)3+
6
niezbyt duża różnica energii D�
między poziomami t2g i eg) i
powstaniem kompleksu
wysokospinowego.
19
17
Inaczej wygląda sytuacja w jonie [�Fe(CN)6]�3-�
w roztworze wodnym K3[Fe(CN)6]
q� Metoda spektroskopowa wykorzystująca zjawisko
Jony CN jako ligandy
pochłaniania czyli absorpcji światła przez roztwory do
silnego pola, powodują
eg
duże rozszczepienie
ilościowego oznaczania substancji barwnych lub
poziomu d i w stanie
barwiących się w wyniku reakcji oznaczanego składnika z
podstawowym powstaje
kompleks niskospinowy odpowiednim odczynnikiem, nosi nazwę analizy
D� � � �
(pięć elektronów obsadza
kolorymetrycznej (lub po prostu: kolorymetrii).
poziom t2g o niższej
energii). Wskutek
q� Do pomiarów stosuje się metody wizualne lub przyrządy:
absorpcji
kolorymetry w zakresie widzialnym promieniowania
promieniowania
orbitale d
następuje przeskok
elektromagnetycznego, spektrometry i spektrofotometry
elektronu z poziomu t2g
t2g
pracujące w zakresie nadfioletu i widzialnym, wyposażone
do eg i pojawia się
3_
w układy detekcyjne i urządzenia umożliwiające
barwa obserwowana
Fe3+
Fe(CN)6
zielona.
bezpośredni odczyt wartości mierzonej absorpcji.
18 20
5