Spektrofotomeetria (0)

Instrumentaalanalüüs
Spektrofotomeetria
SFM
Töö teostaja :
Õpilaskood:
Õpperühm:
Õppejõud: Jelena Gorbatšova
Teooria
Fotomeetrilised analüüsid põhinevad aine omadusel neelata ja peegeldada elektromagneetilist kiirgust. Kiirguse hulk on võrdeline aine hulgaga . Fotomeetrilises analüüsis kasutatake elektromagneetilist kiirgust lainepikkusega 20- 20 000 nm.
Spektrofotomeetriline analüüs:
Fotomeeter on varustatud monokromaatoriga, mis võimaldab mõõta valguse neeldumist kitsates lainepikkuse vahemikes. Registreeritakse spekter , mis on neelduvuse sõltuvus lainepikkusest ja sõltub aine struktuurist ja on ainele spetsiifiline.
Kui valgusvoog intensiivsusega I0 läbib lahusega täidetud küveti, on küvetist väljuva valgusvoo intensiivsus I neeldumise ja osalise peegeldumise tõttu väiksem. Lambrt- Beeri seaduse järgi:
I0- lahusele langeva valguse intensiivsus
I- lahust läbinud valguse intensiivsus
ε-aine molaarne neeldumistegur, mis sõltub lahuse kontsentratsioonist, temperatuurist, valguse lainepikkusest, valguse neelava aine iseloomust (M-1cm-1)
l- lahusekihi paksus (cm)
C- lahustunud aine molaarne kontsentratsiooni (M)
=-logT=-log(I/I0)
A-lahuse neelduvus (optiline tihedus)
T- läbilaskvus
Elektromagneetiline kiirgus ehk valgus on dualistliku olemusega:
1.Seda saab vaadelda valgusosakesena ehk footonina ehk valguskvandina, mida iseloomustab energia E=h*v (h=6,6254*10^-34 J/s)
2.Samas võib valgust käsitleda elektromagnetlainena. Igal ainel on omadus neelata ja peegeldada elektronmagnetkiirgust, kusjuures neeldunud ja peegeldunud hulk on võrdeline aine hulgaga. Seda nähtust rakendatakse spektrofotomeetrilisel analüüsil.
Kindla lainepikkusega elektromagnetilise kiirguse neeldumine on iseloomulik paljudele molekulidele ja sõltub elektronide liikumisest aine erinevate energiatasemete vahel. Kiirguse neeldumist teatud aine poolt iseloomustab neeldumisspekter, mis sõltub aine struktuurist ja on seega ainele spetsiifiline. Neeldumisspektri võib jagada kolmeks piirkonnaks: UV(200-400nm), nähtav valgus( 400-750nm) ja infrapunane( 750nm-50mm) spekter. Spektris esinevad maksimumid vastavad antud aines neelduvate kvantide lainepikkusele. Valguse neeldumine oleneb valguse lainepikkusest.
Analüüsi tundlikkus ehk väikseim kontsentratsioon, mida antud meetodiga on võimalik määrata, oleneb aine molaarse neeldumiskoefitsiendi väärtusest ja on seda suurem, mida suurem on koefitsent Ɛ. Nõrgalt värvunuks loetakse lahuseid, mille Ɛ=400-500 ja tugevalt värvunuks, mille Ɛ=100 000-150 000. Väikseimaks mõõdetavaks kontsentratsiooniks on sellise lahuse kontsentratsioon, mille läbimisel neeldub kõigest 5% valgusest. Suurimaks määratavaks kontsentratsiooniks on lahuse kontsentratsioon, mille puhul neeldub 90% valgusest.
UV/Vis spektroskoopiat kasutatakse tavapäraselt analüütilises keemias erinevate analüütide määramiseks. Sellisteks analüütideks on siirdemetallide ioonid, konjugeeritud orgaanilised ühendid ja bioloogilised makromolekulid. Analüüsi teostatakse tavaliselt lahuses.
Siirdemetalli ioonide lahused võivad olla värvilised (absorbeerivad nähtavat valgust), sest metalli aatomites olevaid d-elektrone on võimalik ergastada ühelt elektronergastuse nivoolt teisele. Erinevad lisandid mõjutavad tugevalt metalliioone sisaldava lahuse värvust. Sellisteks lisanditeks on erinevad anioonid ja ligandid. Näiteks vasksulfaadi lahja lahus on helesinine. Sellele ammoniaaki lisades tumeneb lahuse värvus ja neeldumismaksimumi lainepikkus muutub (λmax).
Orgaanilised ühendid, milles eelistatult esineb tugev konjugatsioon (nt. DNA, RNA, valgud ), neelavad valgust elektromagnetkiirguse spektri UV või nähtavas alas . Kui tegu on vees lahustuva ainega, kasutatakse analüüsides lahustina vett. Orgaanilistes solventides lahustuvate ainete jaoks kasutatakse etanooli. (Orgaanilised lahustid võivad omada spektris iseloomulikku neelduvust UV alas. Seetõttu ei ole kõik lahustid sobivad UV/Vis spektroskoopia jaoks. Näiteks etanool neelab nõrgalt kõigi lainepikkuste juures.) Lahusti polaarsus ja pH võivad mõjutada orgaanilise ühendi neeldumisspektrit. Näiteks türosiini neeldumismaksimum ja molaarne neeldumiskoefitsient suurenevad, kui pH-d muuta 6-lt 13-le või lahusti polaarsust vähendada.
Elektrondoonor -aktseptor komplekside värvused on tihti liiga intensiivsed kvantitatiivsete mõõtmiste jaoks.
Lambert -Beeri seadus ütleb, et lahuse neelduvus on võrdeline absorbeeriva aine kontsentratsiooni ja lahusekihi paksusega. Fikseeritud lahusekihi paksuse korral on UV/Vis spektroskoopiaga võimalik määrata neelava aine kontsentratsioon lahuses. Selleks on vaja teada, kui kiiresti neelduvus muutub kontsentratsiooni suurenemisel . Seda saab leida molaarsete neeldumiskoefitsientide tabelitest või määrata kalibreerimisgraafikult.
UV/Vis spektromeetrit saab kasutada HPLC(kõrgefektiivne vedelikkromatograafia) detektorina. Analüüdi olemasolu annab signaali, mis on proportsionaalne kontsentratsiooniga . Täpsete tulemuste saavutamiseks on vaja analüüdi signaali tundmatus lahuses võrrelda referentsaine signaaliga. See lähenemine sarnaneb kalibreerimisgraafiku meetodile .
Absorptsiooni piikide lainepikkus korreleeruvad molekulis olevate keemiliste sidemetega. See aitab määrata, milliseid funktsionaalrühmi molekul sisaldab. Woodward-Fieser´i reeglid on kogum empiirilisi vaatlusi, mida kasutatakse λmax ennustamiseks. λmax on kõige intensiivsema neeldumise lainepikkus konjugeeritud orgaanilistes ühendites, nagu näiteks dieenides ja ketoonides. Ainult spektri järgi siiski ei saa teha lõplikke järeldusi mingi proovi kohta. Solvendi iseloom, lahuse pH, temperatuur, kõrge elektrolüüdi kontsentratsioon ja segavate ainete olemasolu võivad mõjutada neeldumisspektrit. Eksperimendi parameetrite (nt. spektromeetri pilulaius) varieerimine muudab samuti uuritava aine spektrit.
Instrumenti, mida kasutatakse UV/Vis spektroskoopias, kutsutaks UV/Vis spektromeetriks. Instrument mõõdab proovi läbiva valguse intensiivsust (I) ja võrdleb seda valguse intensiivsusega enne proovi läbimist (I0). I/I0 suhet nimetatakse läbilaskvuseks ja seda väjendatakse tavaliselt protsentuaalselt (%T). Neelduvus (A) sõltub läbilaskvusest. UV/Vis spektromeetrit on võimalik seadistada mõõtmaks peegeldust. Sellisel juhul mõõdab spektromeeter proovist peegeldunud valguse intensiivsust (I) ja võrdleb seda referentsmaterjalilt (nt. valge plaat) peegeldunud valguse intensiivsusega (I0). I / Io suhet nimetatakse peegeldusteguriks ja seda väljendatakse protsentuaalselt (%R). Spektromeetri põhilised osad on valgusallikas , proovikamber, monokromaator , et eraldada erineva lainepikkusega valgus ja detektor . Kiirgusallikaks on tihti volfram hõõgniit (300–2500 nm), deuteeriumlamp, mis annab pidevat kiirgust ultravioletses alas (190–400 nm), ksenoonlamp, mis on pidev lainepikkustel 160–2000 nm. Detektoriks on tavaliselt fotoelektronkordisti, fotodiood või fotodioodide rivi. Fotodioode ja fotoelektronkordistit kasutatakse skanneeriva monokromaatoritega, mis filtreerivad valgust nii, et ainult kindla lainepikkusega valgus jõuab detektorisse samal ajal. Skanneeriv monokromaator liigutab difraktsioonivõret läbi kõikide lainepikkuste nii, et intensiivsust on võimalik mõõta lainepikkuse funktsioonina. Spektrofotomeeter võib olla kas ühe- või kahekiireline. Ühekiirelises instrumendis läbib prooviküvetti kogu pealelangev valgus. Io mõõdetakse proovi küvetikambrist eemaldades.
UV/Vis spektroskoopias on proovideks enamasti vedelikud, kuigi on võimalik mõõta gaaside ja isegi tahkiste neelduvusi. Proov asetatakse tavaliselt läbipaistvasse rakku, mida kutsutakse küvetiks. Küvetid on enamasti ristkülikukujulised, sisemise küljepikkusega 1 cm (optiline teepikkus L). Mõningates instrumentides on küvettide asemel võimalik kasutada katseklaase. Proovi sisaldav anum peab laskma läbi kiirgust vajalikus spektrialas. Kõige laialdasemalt kasutatavad küvetid on valmistatud kõrgkvaliteetsest kvartsist, sest see on läbipaistev UV, nähtavas ja lähisinfrapuna piirkonnas. Klaas- ja plastikküvetid on samuti levinud, aga klaas ja enamik plastikuid neelavad UV kiirgust, mistõttu on nende kasutusala piiratud nähtava valguse lainepikkustega. Valmistatud on ka spetsiifilisi instrumente . Nende hulka kuuluvad näiteks spektromeetrid, mis on ühendatud teleskoopidega, et mõõta astronoomilisi karakteristikuid. UV/Vis nanospektromeetritega saab ilma küvettideta mõõta väga väikeseid proovi koguseid (alates 0,3 µl).
I osa – Kvalitatiivne analüüs
Eesmärgid:
1. Aine spektri mõõtmine ja iseloomustamine. Spektraalsed maksimumid ja miinimumid.
2. Uurida, kas aine spektrinäitu saab ennustada teades aine värvi.
3. Uurida, kas aine spektrinäit sõltub keskkonna pH-st.
4. Uurida, kas aine värv on mono – või polükroomne kasutades spektrinäitu.
Lahused: HCL, Na karbonaat , dest. vesi, indikaatorid – ff ja mp
Töö käik

Lahuste valmistamine
Esimene lahus- Na2CO3
Teine lahus - Na2CO3 juurde lisada 3-4 tilka ff-i
Kolmas lahus- Na2CO3 ja ff segu tiitrida üle HCl
Neljas lahus- Na2CO3 juurde lisage 2-3 tilka mp
Viies lahus- Na2CO3 ja mp segu tiitrida üle HC

Spektrofotomeetrilised mõõtmised
Saadud lahuste neeldumisspektrite mõõtmine spektrofotomeetriaga.
Lahus: Na2CO3
Lahuse värv: värvitu
Neeldumismaksimum, nm: puudub
Absorbeeriv värvus: puudub
Lahus: Na2CO3+ff
Lahuse värvus: lilla
Neeldumismaksimum, nm: 552nm, 1.849 ABS
Absorbeeriv värvus: roheline
Lahus: Na2CO3+ff+HCl üle
Lahuse värvus: värvitu
Neeldumismaksimum, nm: puudub
Absorbeeriv värvus: puudub
Lahus: Na2CO3+mp
Lahuse värvus: kollane
Neeldumismaksimum, nm: 430nm, 0,734 ABS
Absorbeeriv värvus: violetne
Lahus: Na2CO3+mp+HCl
Lahuse värvus: ( virsik ) rohekaskollane
Neeldumismaksmimum, nm: 438nm, 0,377 ABS
Absorbeeriv värvus: violetne
Lahus: Na2CO3+mp+HCl üle
Lahuse värvus: ( roosa ) violetne
Neeldumismaksmimum, nm: 518 nm, 0,36 ABS
Absorbeeriv värvus: roheline
Neeldumisspektri kuju muutus sõltub uuritavast ainest ning selle värvuse intensiivsusest.
Neeldumismaksimum i järgi saab kindlaks teha absorbeerinud värvi. Lahuse värvile vastav vastandvärvus neeldub. Kiirgused , mis läbisid lahuse, ei neeldunud.
II osa – Kvanitatiivne analüüs
Eesmärgid:
1. Määrata KMnO4 ja K2Cr2O7 kontsentratsioonid kontrolllahuses.
2. Kalibreerimissirge konstrueerimine ja iseloomustamine kasutades regressioonisirge võrrandit ning paranduskoefitsienti.
3. Lamberti – Bugeri – Beeri seaduse kasutamine segu kvantitatiivse analüüsi jaoks.
Lahused: Dest. vesi, 6,25 mM KmnO4, 12 mM K2Cr2O7, segu ehk kontrolllahus.
Töö käik:
1. Valmistakse viis KMnO4 standardlahust kalibreerimise jaoks.
Pipeteeritakse 2.0, 3.5, 5.0; 7.0 ja 9.0 mL 100 mL mõõtkolbidesse, täidetakse kriipsuni dest. veega ja loksutatakse.
2. Valmistatakse viis K2Cr2O7 standardlahust kalibreerimise jaoks.
Pipeteeritakse 1, 2, 4, 6 ja 9 mL 100 mL mõõtkolbidesse, täidetakse kriipsuni dest. veega ja loksutatakse.
3. Ainete spektri mõõtmine
Katse tulemused:
Lahus
Kogus, ml
ABS
310 nm
350 nm
525 nm
K2Cr2O4,12 mM
1
0,022
0,054
-0,002
2
0,04
0,091
0
4
0,079
0,195
0
6
0,126
0,288
0
9
0,189
0,439
0,002
KMnO4, 6,25 mM
2
0,023
0,018
0,026
3,5
0,031
0,026
0,045
5
0,051
0,037
0,066
7
0,061
0,047
0,083
9
0,089
0,064
0,117
Kontroll
 
0,166
0,306
0,068
Arvutused:
Kontsentratsioon, mM ja ppm
C=12mM*1ml/ 100ml =0,12mM (0,00012 M)
M(K2Cr2O7)=294 mg/mmol
C=0,12mmol/l *294 mg/mmol=35,28 ppm (mg/l)
C=6,25mM*2ml/100ml=0,125 mM
M(KMnO4)=158 mg/mmol
C=0,125 mmol/l *158 mg/mmol=19,75mg/l
T - valguse läbilaskvus, %
A= -log T => T=10-A
T1=10-0,022=0,95 (95%)
Molaarne neeldumiskoefitsent, M-1 cm-1
Ɛ1=== =183,3 M-1 cm-1 (l=1 cm)
Kontrolllahuse kontsentratsioon
A= Ɛ*CM
0,166
=(0,166-)/173
Joonis 1. K2Cr2O7 kalibreerimisgraafik
Joonis 2. KMnO4 kalibreerimisgraafik
Arvutuste tulemused:
Lahus
Kogus, ml
C, mM
C, ppm
310 nm
350 nm
525 nm
ABS
T, %
ε
ABS
T, %
ε
ABS
T, %
ε
K2Cr2O7,12 mM
1
0,12
35,3
0,022
95,1
183,3
0,054
88,3
450,0
-0,002
100,5
-16, 6667
2
0,24
70,6
0,04
91,2
166,7
0,091
81,1
379,2
0
100,0
0
4
0,48
141,1
0,079
83,4
164,6
0,195
63,8
406,3
0
100,0
0
6
0,72
211,7
0,126
74,8
175,0
0,288
51,5
400,0
0
100,0
0
9
1,08
317,5
0,189
64,7
175,0
0,439
36,4
406,5
0,002
99,5
1,851852
KMnO4, 6,25 mM
2
0,13
19,8
0,023
94,8
184,0
0,018
95,9
144,0
0,026
94,2
208
3,5
0,22
34,6
0,031
93,1
141,7
0,026
94,2
118,9
0,045
90,2
205,7143
5
0,31
49,4
0,051
88,9
163,2
0,037
91,8
118,4
0,066
85,9
211,2
7
0,44
69,1
0,061
86,9
139,4
0,047
89,7
107,4
0,083
82,6
189,7143
9
0,56
88,9
0,089
81,5
158,2
0,064
86,3
113,8
0,117
76,4
208
Kontroll
 
 
 
0,166
68,2
 
0,306
49,4
 
0,068
85,5
 
Aine
K2Cr2O7
KMnO4
Lainepikkus, nm
310
350
525
310
350
525
ε keskväärtus
173
408
-3
157
120
205
standardhälve
7,51
25,81
7,70
18,10
13,92
8,51
SSH%
4,34
6,32
-259,96
11,51
11,56
4,16
Kokkuvõte:
Saadud katseandmete põhjal koostasime kalibreerimisgraafikud KMnO4 ja K2Cr2O4 jaoks lainepikkustel 310 nm, 352 nm ja 525 nm. Lamberti – Bugeri – Beeri seadusest leidsime kontrolllahuse kontsentratsioonideks CK2Cr2O7 = 0,65 mM ja CKMnO4 = 0,34mM.