Wydział Technologii Chemicznej
|
Maksymilian Łakomy |
25.03.2010r. |
Inżynieria Chemiczna i Procesowa |
Spektrofotometria |
Prowadzący: Dr inż. Mariusz Ślachciński
|
CEL ĆWICZENIA
Oznaczanie jonów żelaza (II) w postaci kompleksuz o - fenantroliną techniką dodatku wzorca.
ZAGADNIENIA TEORETYCZNE
Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią
Oddziaływaniem promieniowania elektromagnetycznego z materią zajmuje się spektroskopia. Konsekwencją tego oddziaływania jest absorbowanie lub emitowanie energii przez materię w kwantach energii. Badając długość fali lub częstość absorbowanego lub emitowanego promieniowania, możemy określić poziomy energetyczne badanego układu. Na całkowitą energię cząsteczki składają się energie: translacji, rotacji, oscylacji i elektronowa. Wzbudzenie elektronów jest wywołane promieniowaniem z zakresu UV - VIS. Efektem absorpcji tego promieniowania jest elektronowe widmo absorpcyjne.
Prawa absorpcji
Natężenie promieniowania padającego
(1)
I0 - natężenie promieniowania padającego
Ia - natężenie promieniowania zaadsorbowanego
Ir - natężenie promieniowania odbitego i rozproszonego
It - natężenie promieniowania, które przeszło przez roztwór
Pierwsze prawo Lamberta
Natężenie światła monochromatycznego po przejściu przez ośrodek optycznie jednorodny jest proporcjonalne do natężenia światła padającego.
Stosunek natężenia światła wychodzącego z danego ośrodka It do natężenia światła padającego I0 nazywany jest transmitancją.
(2)
Drugie prawo Lamberta
Natężenie światła przechodzącego przez warstwę absorbującą zmniejsza się wykładniczo wraz z liniowym zwiększaniem się grubości warstwy.
(3)
k - współczynnik proporcjonalności
l - grubość warstwy absorbującej
Prawo Beera
Natężenie światła przechodzącego przez warstwę absorbującą zmniejsza się wykładniczo wraz z liniowym zwiększaniem się stężenia substancji absorbującej w roztworze.
(4)
Prawo Lamberta-Beera
(5)
a - współczynnik absorpcji
Prawo addytywności absorbancji
Absorbancja całkowita roztworu jest równa sumie absorbancji poszczególnych składników.
(6)
ε - molowy współczynnik absorpcji
Źródła promieniowania
Lampy deuterowe - w zakresie 180-380 nm
Lampy wolframowo-halogenowe - powyżej 380 nm, przez zakres widzialny bliską podczerwień
Wysokociśnieniowe łukowe lampy ksenonowe - są źródłem ciągłego promieniowania, pokrywającego cały zakres UV - VIS
Monochromatory
Monochromator składa się z: szczeliny wejściowej, kolimatora, elementu rozszczepiającego promieniowanie i szczeliny wyjściowej.
Szczelina wejściowa - reguluje natężenie wiązki promieniowania pochodzącej ze źródła promieniowania.
Kolimator - np. zwierciadło, zmienia wiązkę promieniowania w wiązkę równoległą.
Elementami rozszczepiającymi w spektrofotometrach UV - VIS są siatki dyfrakcyjne. Szczelina wyjściowa - umożliwia wyodrębnienie z widma wiązki promieniowania o wybranej długości fali i określonej szerokości spektralnej.
Detekcja promieniowania
Detektory fotoelektryczne umożliwiają obiektywną ocenę intensywności zabarwienia i bezpośredni pomiar natężenia promieniowania. Podstawą działania jest efekt fotoelektryczny polegający na zmianie energii świetlnej na energię elektryczną. Najczęściej stosowane detektory:
- fotokomórki - oparte na zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym; dostarczona przez fotony energia wyzwala elektrony z fotoczułej katody. Są one przyspieszane w polu elektrycznym miedzy katodą i anodą i wywołują prąd elektryczny w obwodzie zewnętrznym
- fotopowielacze - fotomnożniki; foton padając na fotokatodę, wybija z niej elektrony, te zaś, trafiając na dynodę, wywołują wtórną emisję elektronów, przy czym każdy z elektronów wybije z katody kilka nowych. Proces ten powtarza się na kolejnych dynodach i otrzymujemy wielokrotne wzmocnienie fotoprądu
- fotodiody - wykorzystują zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne; pod wpływem absorpcji fotonów następuje wzbudzenie nośników ładunku (elektronów) z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa
Podstawowe pojęcia
Analityczna długość fali
- długość fali przy której mierzy się absorbancję używaną następnie w oznaczeniach ilościowych danego składnika. Najczęściej odpowiada najbardziej intensywnemu pasmu absorpcji
, [nm]
Liczba falowa
- odwrotność długości fali, [cm-1]
Molowy współczynnik absorpcji
(7)
Grupy chromoforowe - nienasycone ugrupowania atomów lub układy sprzężonych wiązań podwójnych w cząsteczce związku organicznego, np.-N=N-, -HC=CH-, >C=O,
-N=O, >C=S, benzen. Przejścia elektronowe w tych grupach są ułatwione. Wzbudzenie sprzężonego układu elektronów Π jest przyczyną powstawania barwy.
Grupy auksochromowe - ugrupowania nasycone posiadające elektrony na orbitalu n, np.
-CH3, -OH, -NH2, -Cl, same w sobie nie wywołują barwy, ale współdziałając z chromoforami powodują zwiększenie intensywności lub modyfikację zabarwienia.
Przesunięcie batochromowe - przesunięcie absorpcji w kierunku fal dłuższych wywołane wpływem podstawnika lub rozpuszczalnika
Przesunięcie hipsochromowe - przesunięcie absorpcji w kierunku fal krótszych wywołane wpływem podstawnika lub rozpuszczalnika
WYNIKI I OPRACOWANIE
Roztwór |
Absorbancja A |
Ilość wzorca Fe3+ [ml] |
1 |
0,11 |
- |
2 |
0,205 |
0,25 |
3 |
0,3 |
0,5 |
Roztwór wzorcowy zawiera 0,1 mg Fe3+ / ml, a zatem w:
- 0,25 ml znajduje się 0,025 mg Fe3+
- 0,5 ml znajduje się 0,05 mg Fe3+
Opracowanie wyników sprowadza się do wykreślenia krzywej dodatku wzorca dla otrzymanych wyników, z której należy odczytać stężenie żelaza (mg/50ml) w badanym roztworze.
Roztwór |
Absorbancja A |
Stężenie [mg Fe3+] |
1 |
0,11 |
x |
2 |
0,205 |
0,025 |
3 |
0,3 |
0,050 |
Dla wartości podanych w tabeli wykreślono krzywą dodatku wzorca (krzywą
przedłużono tak, aby przecinała się z osią OX i odczytano wartość bezwzględną stężenia żelaza w badanym roztworze).
Z krzywej odczytano stężenie żelaza w roztworze badanym:
c = | - 0,027 | mg Fe2+ / 50 ml c = 0,027 mg Fe2+ / 50 ml
Zatem stężenie żelaza w 1 dm3 próbki wynosi:
0,027 mg - 50 ml
x mg - 1000 ml
---------------------------
x = 0,54 mg Fe2+ / 1 dm3
W ćwiczeniu oznaczono jony żelaza (II) w postaci kompleksu z o-fenantroliną techniką dodatku wzorca.
Metoda ta jest dokładna i szybka przy odpowiednim sporządzeniu roztworów. Należy też pamiętać, aby nie doszło do zabrudzenia czy zarysowania kuwety, co ma istotny wpływ na wyniki pomiarów.
1