ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA

Transkript

1 ABSORPČNÍ A LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE V UV/Vis OBLASTI SPEKTRA (c) ABSORPČNÍ SPEKTROMETRIE 1

2 Absorpce záření ve Vis oblasti Při dopadu bílého světla na vzorek může být záření zcela odraženo látku vidíme jako bílou; nebo zcela pohlceno látku vidíme jako černou. Pokud vzorek část záření pohltí a část odrazí barva látku viditelná pro lidské oko odpovídá barvě odraženého záření (tzv. doplňková barva). λ (nm) Pohlcená barva fialová modrá zelená žlutozelená žlutá oranžová červená Doplňková barva žlutozelená žlutá červeno-purpurová fialová zelená zelenomodrá modrozelená Molekulové orbitaly (MO) E σ π n π σ MO vznikají při tvorbě vazby z AO. Ze 2 AO se vytvoří 2 MO. 2 typy vazebných orbitalů 2 typy protivazebných orbitalů 1 nevazebný orbital; n* neexistuje, protože n orbitaly se nepodílí na vazbě! Absorpční pásy mohou patřit 6 typům přechodů (4 u molekul, 2 u anorganických iontů). Symetricky zakázané přechody (v daleké UV oblasti). 2

3 UV/Vis spektra molekul a iontů Pokud molekula nebo ion absorbuje záření v UV nebo Vis oblasti spektra, dojde k elektronovému přechodu valenčního e -. Intenzita pásů (dle kvantové mechaniky): 1. Přechody dovolené ze základní singletové do excitované singletové hladiny; ε max l.mol -1.cm Přechody spinově zakázané málo pravděpodobné přechody ze základní singletové do excitované tripletové hladiny; ε max 10 0 l.mol -1.cm Přechody symetricky zakázané ε max 10 2 l.mol -1.cm -1 ; vibrace jader molekuly vede k diferenci v rozdělení e - a tím ke změně dipólového momentu molekuly a přechodu e -. MOLEKULY: UV/Vis spektra molekul π π, n π uvedeme společně, chemické skupiny často obsahují jak π tak n e -, oba typy přechodů přispívají k tvorbě absorpčních pásů. Přechody π π jsou relativně nezávislé na atomech spojených s dvojnou vazbou, jsou dovolené a intenzivní: ε Přechody n π jsou symetricky zakázané a nejsou příliš intenzivní (ε ), jejich absorpční maximum je silně závislé na druhu atomu (poloha n e - je silně závislá ne elektronegativitě heteroatomu). σ σ vytvářejí jednoduché vazby alifatické uhlovodíky. Prakticky nepoužívané vzhledem ke krátkým λ (nutno pracovat ve vakuu). n σ poskytují substituenty s nevazebnými e - nasycené sloučeniny se S, N, Br, I, které absorbují do 200 nm a O a Cl, které absorbují nad 200 nm. 3

4 UV/Vis spektra molekul Chromofor funkční skupina v molekule odpovědná za absorpci záření v UV a Vis oblasti. Obecně lze říci, že skupiny s π e - jsou chromofory pro UV a Vis oblast a skupiny se σ e - pro dalekou UV oblast. Konjugační efekt s rostoucím počtem konjugovaných dvojných vazeb se posouvá absorpční pás π π * přechodu k delším λ. Auxochrom funkční skupina, která způsobuje posun λ absorpčních maxim chromoforů a zvyšují intenzitu pásů, př.: OH, NH 2, halogenidy. Posuny maxim a změna intenzity vlivem substituce či volbou rozpouštědla jsou důležité pro strukturní analýzu. Bathochromní (červený) posun k delším λ. Hypsochromní (modrý) posun ke kratším λ. Hyperchromický efekt zvýšení intenzity absorpce. Hypochromní efekt snížení intenzity absorpce. UV/Vis spektra iontů Přenos náboje intenzivní ε , hlavně UV; molekula donoru vytváří s molekulou akceptoru komplex, jež se projeví novým absorpčním pásem (π π, n π ) [Fe 2+ s fenantrolinem, Fe 3+ Fe(SCN) 2+, komplexy fenolů s Cu 2+ či Fe 3+ ]. M-L + hν M + -L - Přenos v ligandovém poli málo intenzivní ε , hlavně Vis [[Cu(H 2 O) 6 ] 2+ absorbuje při 790 nm]. Volný atom přechodného kovu má 5 degenerovaných d orbitalů. Je-li atom v komplexu, působí na něj elektrostatické pole ligandů a d orbitaly se rozštěpí. Spektrum Fe 3+ s o-fenantrolinem 4

5 Instrumentace KOLORIMETR(ie) vizuální porovnávání intenzity zbarvení vzorku a standardu nebo řady standardů. FOTOMETR(ie) objektivní měření prošlého toku záření: FOTOMETR barevný filtr k vymezení λ. SPEKTROFOTOMETR obsahuje monochromátor. Stanovení 2 látek ve směsi Solving for c(fe) gives the concentration of Fe 3+ as M. Substituting this concentration back into the equation for the mixture s absorbance at a wavelength of 396 nm gives the concentration of Cu 2+ as M. 5

6 Studium komplexů Jobova metoda (metoda kontinuálních variací) Slouží k určení stechiometrického složení a podmíněné konstanty stability komplexu: M + yl ML y Měří se série roztoku s konstantním n tot a proměnným n M a n L (ekvimolární roztoky): n tot = n M + (n L ) i (n L) i (X L ) i = n tot X = 1 (X ) M L i Maximum Abs je dosaženo pro stechiometrické složení komplexu. Je-li to možné měříme při λ, kde absorbuje pouze komplex. X X L L y = = X M 1 X L X L = 0,75 y = 3 ML 3 X L = 0,5 y = 1 ML X L = 0,67 y = 2 ML 2 Spektrofotometrické titrace Určování BE na základě změny absorbance s přídavkem titračního činidla. Tento způsob titrace je experimentálně jednoduchý a má uspokojivou přesnost. Titrační křivky: A. Absorbuje pouze titrační činidlo (titrace s uvolňováním Br 2, I 2 ). B. Absorbuje produkt titrační reakce. C. Absorbuje pouze titrovaná látka (stanovení Pb titrací chelatonem uvolňování xylenové oranže z komplexu s Pb). 6

7 (FOTO)LUMINISCENČNÍ SPEKTROMETRIE Fotoluminiscence Jde o emisi záření látkou, které bylo před tím absorbováno. Dělení: FLUORESCENCE, FOSFORESCENCE. Návrat látky z excitovaného (doba života excitovaného stavu s) do základního stavu relaxace: Vibrační deaktivace nadbytek E uvolněn ve formě tepla Emise nadbytek E uvolněn jako foton Relaxace pomocí fotochemické reakce: A * X + Y Elektronové stavy organických molekul se dělí na: S singletový T - tripletový Dubletový stav lichý e - u volného radikálu, který může zaujmout 2 orientace. David MILDE,

8 Fotoluminiscence FLUORESCENCE: emise fotonu při přechodu z S 1 (nebo S 2, ) do základního stavu S 0. Doba života excitovaného stavu (za jakou dobu dojde k emisi) závisí na ε při absorpci záření: pro ε je doba s, pro ε je doba s. Fluorescence odeznívá velmi rychle po ukončení excitace (vypnutí zdroje excitačního záření). FOSFORESCENCE: emise fotonu při přechodu z T 1 na S 0. Doba života excitovaného T stavu je s fosforescenční záření sledujeme delší dobu po ukončení excitace. Elektron po absorpci záření nejprve přejde z S 1 na T 1 (přechod z S 0 na T 1 je zakázaný)! Diagram energetických hladin molekuly vr vibrational relaxation ic internal conversion ec external conversion isc intersystem crossing λ 2 λ 1 λ 3 λ 4 8

9 Deaktivační procesy v molekulách Preferovaný přechod do základního stavu je ten, který minimalizuje dobu života excitovaného stavu! Nezářivá deaktivace Vibrační relaxace rychlý proces (10-12 s), molekula ve vyšším vibračním stavu snižuje svou E přechodem na nejnižší vibrační podhladinu excitovaného (i základního) stavu. Vnitřní konverze molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází do vyšší vibrační podhladiny nižšího energetického stavu. Kombinací ic a vr může molekula přejít z excitovaného do základního stavu bez emise fotonu! Vnější konverze nadbytek E je předán rozpouštědlu či jiné složce matrice. Mezisystémový přechod molekula na nejnižší vibrační podhladině excitovaného stavu přechází na vysokou energetickou podhladinu stavu s nižší E a jiným spinem. Zářivé deaktivace: fluorescence a fosforescence Fluorescence emise při přechodu e - z nejnižší vibrační podhladiny S 1 na S 0 Lze ji pozorovat pouze pokud je účinnějším prostředkem deaktivace než nezářivé přechody. Intenzita fluorescence I F : (ϕ F = N F /N flourescenční výtěžek) IF F 0 T F F 0 = kϕ (P P ) I = 2,303kϕ P ε bc Z Lambertova Beerova zákona I F roste s ϕ F, P 0, ε a koncentrací. P εbc T = P0 10 Vliv teploty a viskozity rozpouštědla na ϕ F. Fluorescenční přechod může skončit na různých vibračních podhladinách S 0 pásové spektrum. Ke fluorescenci dochází u λ 3, nezáleží na tom, zda byla molekula excitována λ 1 do S 1 nebo λ 2 do S 2. 9

10 Excitační a emisní spektra 2 typy fluorescenčních spekter: 1. Excitační: I F v závislosti na λ budícího záření při konstantní λ emitovaného záření slouží k určení účinné λ pro vyvolání fluorescence. 2. Emisní: I F v závislosti na λ emitovaného záření při konstantní λ excitačního záření. VLIV STRUKTURY NA LUMINISCENCI 1. Luminiscenci neposkytují nasycené uhlovodíky a zřídka nenasycené alifatické uhlovodíky. 2. Intenzivní F: aromatické uhlovodíky s nízkoležícími S stavy π π *. 3. P vykazují aromatické sloučeniny s C=O nebo heteroatomy. 4. Vliv substituce aromatického jádra na F: -NO 2, -OH, 5. Aromáty s halogen substituenty zvyšují ϕ P a snižují ϕ F. 6. Luminiskují zejména velké a pevné rovinné molekuly s rigidní strukturou. Souvislost absorpčních a emisních spekter Luminiscence začíná na nejnižší vibrační podhladině S 1 (T 1 ) E emit je menší než E abs. Luminiscence se objevuje u vyšších λ než absorpce. Luminiscenční spektrum bývá zrcadlovým obrazem absorpčního. Mohou se protínat v λ 0. λ 0 odpovídá nejmenší E pro absorpci a je v absorpčním spektru nejintenzivnější. 10

11 Instrumentace - fluorescence Optická dráha mezi zdrojem a detektorem svírá 90. Fluorimetr: k vymezení λ slouží filtry; zdroj: Hg výbojka. Spektrofluorimetr: mřížkové monochromátory; zdroj nejčastěji Xe vysokotlaká výbojka (spojité spektrum). Kyvety: 1 cm, křemen Rozpouštědla: nesmí fluoreskovat. Instrumentace - fosforescence Nutné rozlišit fluorescenci a fosforescenci! PŘÍPRAVA VZORKŮ Kapalné: zmrazení v kapalném N 2 vytvoří opticky čistou pevnou látku (vzorek v rozpouštědle). Pevné: nanesení vzorku na pevný substrát (desky tenkovrstvé chromatografie) možno měřit za laboratorní teploty. 11

12 Analytické využití KVALITATIVNÍ ANALÝZA: menší využití zejména pro polycyklické aromáty; molekuly s jemnými strukturními rozdíly mají velmi podobná spektra. KVANTITATIVNÍ ANALÝZA: komplexy s kovy, organické sloučeniny. Chemiluminiscence: chemická reakce produkuje molekuly v excitovaném stavu, které emitují fotony. Bioluminiscence: k reakcím produkujícím molekuly v excitovaném stavu dochází v biologických systémech. Frank-Condonův princip Hmotnost atomových jader je několik řádů větší než hmotnost elektronu a vzájemný pohyb jader atomů v molekule (vibrace molekuly) je pomalejší (10-12 s) než rychlost přechodu elektronů (10-15 s). Při přechodu elektronu ze základního do excitovaného stavu proto zůstane zachována původní vzdálenost mezi jádry atomů; tato vzdálenost však nemusí odpovídat optimální (minimální) E molekuly v excitovaném stavu a proto jádra atomů zaujmou nejvýhodnější (rovnovážnou) vzdálenost až dodatečně, po přechodu elektronu. David MILDE,

13 Frank-Condonův princip a b Potenciálové jámy s vibračními podstavy. Hodnota kvantového vibračního čísla určuje počet uzlů vibrační vlnové funkce pro daný stav molekuly. Minimum křivky potenciální energie odpovídá rovnovážné vzdálenosti mezi oběma atomy. Tato vzdálenost může být stejná pro základní a pro excitovaný E stav molekuly (a), ale častěji je v excitovaném stavu větší než ve stavu základním (b). David MILDE,