Spektroskopie v UV-VIS oblasti. UV-VIS spektroskopie. Roztok KMnO 4. pracuje nejčastěji v oblasti nm

Transkript

1 Spektroskopie v UV-VIS oblasti UV-VIS spektroskopie pracuje nejčastěji v oblasti 2-8 nm lze měřit i < 2 nm či > 8 nm UV VIS IR Ultra Violet VISible Infra Red Roztok KMnO 4 roztok KMnO 4 je červenofialový odstín červenofialové závisí na koncentraci c(kmno 4 ) 1

2 Proč je roztok barevný? KMnO 4 absorbuje doplňkovou barvu k červenofialové - zelenou (526 a 546 nm) vložit ukázku spektra KMnO vlnová délka (nm) Proč je roztok barevný? Stavy atomů a molekul elektronový obal elektony spin up, down spin up = 1/2 down = - 1/2 orbitaly jádro 1 orbital = max. 2 elektrony (1 up, 1 down) spin = n.up + m.down 2.1/ /2 = 2

3 Stavy atomů a molekul s = singlet s = 1/2 dublet s = 1 triplet multiplicita stavu S = 2.s + 1 S=1 S=2 S=3 Proč látka absorbuje? Energie S 1 Excitace S excitovaný stav vzbuzený stav základní stav světlo (energie) excitovaný singletový stav elektrony obsazují vyšší en. hladiny, porušuje se párování elektronů na hladinách spin elektronů se při excitaci nemění rychlý proces (1-15 s) nemění se geometrie vertikální přechod, Frank-Condonův princip UV-VIS spektroskopie se nazývá také elektronová spektroskopie singletový stav - všechny elektrony jsou spárovány Excitace molekul 3

4 Typy přechodů u molekul Absorpce světla Absorbance a transmitance intenzita světla I I T = I I A = logt transmitance 4

5 Transmitance T nabývá hodnot od do 1 ( - 1 %) bezrozměrná veličina T=1 vzorek pro světlo dokonale propustný T= vzorek světlo dokonale absorbuje Absorbance A nabývá hodnot od do bezrozměrná veličina A = vzorek neabsorbuje A = vzorek absorbuje vše s rostoucí koncentrací c, A roste s rostoucí délkou vzorku l, A roste ε je charakteristikou látky c se udává v mol/dm 3, l se udává v cm Spektrum 1.2 závislost A na λ vlnová délka (nm) Pozn. spektrum vodného roztoku KMnO 4 (λ max 526 a 546 nm) 5

6 Spektrum 1.2 závislost A (T) na λ transmitance % Abs %T.4.2 pík (peak) maximum vlnová délka (nm) Pozn. spektrum vodného roztoku methyloranže (λ max 465nm) Absorbance a transmitance Krystalová violeť transmitance % Abs %T vlnová délka (nm) Proč je roztok barevný? KMnO 4 absorbuje doplňkovou barvu k červenofialové - zelenou (526 a 546 nm) vložit ukázku spektra KMnO vlnová délka (nm) 6

7 Doplňkové barvy Doplňkové barvy Vlnové délky a barvy absorbovaného záření a příslušné doplňkové barvy (barvy roztoku) Absorbované Barva Barva záření (nm) absorbovaného doplňková záření (barva roztoku) fialová žlutozelená modrá žlutá zelenomodrá oranžová 49-5 modrozelená červenooranžová 5-56 zelená purpurová zelenožlutá fialová žlutooranžová modrá červenooranžová zelenomodrá červená modrozelená Roztok KMnO 4 roztok KMnO 4 je červenofialový odstín fialové závisí na koncentraci c(kmno 4 ) s rostoucí koncentrací c roste intenzita zbarvení, tedy roste i A 7

8 Spektrum krystalové violeti koncentrace vlnová délka (nm) Vliv délky optické dráhy S rostoucí délkou optické dráhy paprsku, tedy s širší kyvetou, roste i Lambert-Beerův zákon I koncentrace c Lambert - Beerův zákon platí pro konstantní T, λ,... l délka I A = clε koncentrace molární absorpční koeficient platnost zákona je spolehlivě zajištěna v oblasti do cca A < 1-2 8

9 Lambert Beerův zákon A = ε λlc λ s rostoucí koncentrací c, A roste s rostoucí délkou vzorku l, A roste ε je charakteristikou látky konstanta (pro danou λ) c se udává v mol/dm 3, l se udává v cm Vícesložkový systém za přítomnosti více složek platí A = l n i= 1 i c i výsledná je součtem příspěvků všech složek v systému ε Směsi A A Absorbance B Absorbance B λ 1 λ 2 λ 1 λ 2 bez překrytí pásů s překrytím pásů 9

10 Schéma spektrometru zdroj hranol vzorek detektor obsluha Experimentální měření měří se intenzita světla I a I za konstantní délky kyvety l (1 cm) uspořádání zdroj detektor jednopaprskové dvoupaprskové Experimentální uspořádání jednopaprskové nutno měřit 2x 1 měření slepý vzorek (blank) 2 měření zkoumaná látka dvoupaprskové měří se přímo proti slepému vzorku 1

11 Experimentální měření zdroje pro UV oblast - deuterové lampy pro VIS oblast - halogenové, kryptonové lampy kyvety pro UV oblast - křemenné sklo pro VIS oblast - sklo, plasty detektory diode array vs. mřížka + detektor Schema diode-array spektrofotometru Charakteristiky přístrojů rozsah (např nm) přesnost (např. 2 nm) čas na sejmutí spektra (např. 1 s.) příslušenství - zásobník na více kyvet, směšovací nástavec atp. programové vybavení 11

12 Přístroje na měření spektrometry měření pouze za jedné vlnové délky snímání spekter kolorimetry zjednodušený spektrometr zejména pro terénní praxi UV spektroskopie sklo a plasty absorbují < ~3 nm používají se křemenné kyvety vzduch absorbuje < 2 nm nutná evakuace aparatur oblast 1-2 nm - vakuová UV oblast Spektrum skla transmitance % Abs %T vlnová délka 12

13 Spektrum křemenné kyvety transmitance % Abs %T vlnová délka (nm) Kyvety pro UV/VIS ukázky kyvet pro UV/VIS spektroskopii vlastnosti komerčních materiálů pro výrobu kyvet nm Využití detekce a stanovení kinetická měření stanovení pk a stabilita látek vliv prostředí 13

14 Detekce pomocí UV-VIS řada látek má charakteristické spektrum obvykle však bývají ve vzorcích směsi látek a jednoznačná identifikace se stává nemožnou A =,634 A =,462 Stanovení látky kalibrační přímka proměří se A pro několik hodnot c ze změřené A se odečte c X c = 5.83 mm Stanovení ε sestrojí se kalibrační přímka A = kc jelikož A = εcl, l = konst. = 1 cm směrnice k je rovna ε [ε] = dm 3.mol -1.cm -1 14

15 Spektrum krystalové violeti vlnová délka (nm) Lambert-Beerův zákon.7.6 krystalová violeť ε(591nm) dm 3.mol -1.cm -1.5 y = 65523x R 2 =.9976 y = 15928x R 2 =.9966 ε(33nm) dm 3.mol -1.cm -1.1 vypočteno lineární regresí..e+ 2.E-6 4.E-6 6.E-6 8.E-6 1.E-5 1.2E-5 Koncentrace (mol/l) Směs Tyrosin a Tryptofan A = Tyrosin (Tyr) B = Tryptofan (Trp) λ 1 = 24 nm λ 2 = 28 nm Absorbance A B ε 24 (Tyr) = 11,3 M -1 cm -1 ε 28 (Tyr) = 1,5 ε 24 (Trp) = 1,95 ε 28 (Trp) = 5,38 λ 1 λ 2 A 24 = [ε 24 (Tyr) c(tyr) + ε 24 (Trp) c(trp)] L A 28 = [ε 28 (Tyr) c(tyr) + ε 28 (Trp) c(trp)] L 15

16 Kinetická měření měří se změna A v závislosti na čase snímá se celé spektrum měří se za konstantní λ Kinetické křivky Kinetická měření měří se reakce s T 1/2 > 1 s pro rychlejší reakce je nutné použít směšovací nástavec použít techniku stop-flow kinetickou laserovou spektroskopii 16

17 Stanovení pk a měří se A v závislosti na ph HB + H 2 O B - + H 3 O + K a a + H3O a = ahb B A A B pk a = ph + log A A HB a pk a = ph + log a a a HB B A A B = A A HB HB B Isozbestický bod A Absorbance B isozbestický bod λ 1 λ 2 Jestliže při určité vlnové délce jsou molární absorpční koeficienty dvou látek rovny, tato vlnová délka se označuje jako isozbestický bod. V isozbestickém bodě lze snadno vypočítat celkovou koncentraci obou látek: ε A = ε B =ε A = ε A c A L+ ε B c B L= ε L [c A + c B ] Isozbestický bod 17

18 Vliv prostředí ph polarita prostředí přítomnost tenzidu Vliv ph ph = 6 ph = 13 O O H 2N CH C O - H 2N CH C O - CH 2 CH 2 OH O - pk a (OH) = 1.1 Spektrum tyrosinu s rostoucím ph dochází k posunu abs. maxima λ max k delším vl. délkám a růstu v důsledku deprotonace fenolické OH skupiny Vliv solventu Solvent = H 2 O Solvent = 2% Ethylene Glycol / 8% H 2 O v méně polárním prostředí se λ max posouvá k delším vlnovým délkám - batochromní posun (červený posun) solvatace ovlivňuje rozložení energetických hladin základního a exitovaného stavu spektrum tyrosinu absorpční spektrum může ovlivnit i přítomnost povrchově-aktivních látek! 18