21. Analiza instrumentalna.pdf

21.

ANALIZA

INSTRUMENTALNA

Instrumentalna analiza chemiczna powstała dzi ę ki konstruowaniu precyzyj-

nych aparatów pomiarowych, które pozwalaj ą wykorzysta ć własno ś ci fizykoche-

miczne zwi ą zków do ich analizy jako ś ciowo-ilo ś ciowej. Spo ś ród ró Ŝ nych technik

analizy instrumentalnej omówiono tylko niektóre, podstawowe z zakresu technik

optycznych, elektrycznych i chromatograficznych.

ABSORPCJOMETRIA

Iwona ś ak, Beata Sarecka

Absorpcjometria jest analityczn ą technik ą optyczn ą , wykorzystuj ą c ą zdol-

no ść substancji chemicznych b ę d ą cych w roztworze do pochłaniania ś wiatła cał ą

sw ą obj ę to ś ci ą oraz pomiar nat ęŜ enia wi ą zki ś wiatła. Cz ą steczki zwi ą zków zdol-

nych do absorpcji promieniowania ś wietlnego s ą układami rezonansowymi, zdol-

nymi do drga ń z cz ę stotliwo ś ci ą zgodn ą z cz ę stotliwo ś ci ą drga ń fal elektromagne-

tycznych o okre ś lonej długo ś ci fali. Ró Ŝ ne substancje pochłaniaj ą promieniowanie

zwykle o odmiennej długo ś ci fali, je ś li jednak pochłaniaj ą fale tej samej długo ś ci,

to z ró Ŝ n ą intensywno ś ci ą .

Substancje mog ą pochłania ć promieniowanie elektromagnetyczne w zakre-

sie ś wiatła widzialnego (VIS od ang. visible ), tzn. o długo ś ci od 400 do 750 nm

(zakres kolorymetrii), lub nadfioletu (UV od ang. ultra violet ), tzn. o długo ś ci od

200 do 400 nm, czy te Ŝ podczerwieni (IR od ang. infra red ), obejmuj ą cej obszar

powy Ŝ ej 750 nm: podczerwie ń bliska – zakres długo ś ci fal 750–2500 nm; pod-

czerwie ń – 2,5–25

m.; podczerwie ń daleka – powy Ŝ ej 25

353

m do ułamków mili-

metra. Promieniowanie o długo ś ci fal 0,4–200 nm to daleki nadfiolet, który charak-

teryzuje si ę tym, Ŝ e jest pochłaniany przez atomy tlenu, dlatego analizy w spektro-

fotometrze z tym zakresem wykonuje si ę po usuni ę ciu z niego powietrza, czyli w

pró Ŝ ni.

Ź ródłem promieniowania mog ą by ć lampy spektralne (np. deuterowe, wodo-

rowe, rt ę ciowe, sodowe), lasery lub lampy Ŝ arowe. Lampy spektralne i lasery daj ą

widmo liniowe, natomiast lampy Ŝ arowe widmo ci ą głe. W celu otrzymania okre-

ś lonej długo ś ci fali u Ŝ ywa si ę odpowiednich monochromatorów. W monochroma-

torze znajduje si ę układ (pryzmat, siatka dyfrakcyjna lub filtry), który przez odpo-

wiednie ustawienie na szczelin ę wyj ś ciow ą pozwala skierowa ć wi ą zk ę promienio-

wania o Ŝą danej długo ś ci fali. Ze szczeliny wyj ś ciowej wi ą zka monochromatyczna

wpada do pomieszczenia pomiarowego, w którym przechodzi przez odpowiednie

naczynie (kuwet ę ) z roztworem zawieraj ą cym analizowany zwi ą zek.

Kuwety powinny by ć wykonane z materiału przezroczystego dla okre ś lo-

nych długo ś ci fal. Najpowszechniejszym materiałem przezroczystym jest kwarc,

stosowany dla fal o długo ś ci: 200–400 nm, 400–750 nm oraz 750–2500 nm. Poza

tym, dla fal o długo ś ci 400–750 nm stosuje si ę równie Ŝ wysokojako ś ciowe szkło,

a dla dłu Ŝ szych fal podczerwieni kryształy: NaCl (w zakresie 2,5–15

m), KBr (do

m) i specjalne gatunki polietylenu przezroczy-

stego dla fal o długo ś ci w granicach 15–300

m), CsBr (w zakresie 25–40

Podstaw ę kolorymetrycznego oznaczania st ęŜ enia substancji w roztworze

stanowi zale Ŝ no ść mi ę dzy intensywno ś ci ą zabarwienia roztworu, a st ęŜ eniem za-

wartej w nim substancji. Metoda ta słu Ŝ y do oznaczania st ęŜ enia substancji maj ą -

cych własn ą barw ę . Barwa substancji zale Ŝ y od selektywnej absorpcji okre ś lonej

długo ś ci ś wiatła widzialnego i jest barw ą dopełniaj ą c ą do pochłoni ę tej. Na zabar-

wienie roztworu składaj ą si ę fale elektromagnetyczne nie zaabsorbowane przez

analizowan ą substancj ę , czyli promieniowanie przepuszczone. Przykładowo, czer-

wona barwa roztworu substancji mo Ŝ e by ć wynikiem pochłaniania zieleni, która

jest barw ą dopełniaj ą c ą do czerwieni lub zdolno ś ci analizowanej substancji do

przepuszczania wył ą cznie promieniowania czerwonego. Podobnie Ŝ ółta barwa roz-

tworu substancji mo Ŝ e by ć wynikiem pochłaniania fal niebieskich, które s ą barw ą

dopełniaj ą c ą do Ŝ ółtej lub zdolno ś ci analizowanej substancji do przepuszczania

wył ą cznie promieniowania Ŝ ółtego.

Roztwory substancji bezbarwnych to takie, w których Ŝ aden z rodzajów

promieni widzialnych nie ulega pochłoni ę ciu.

Substancje bezbarwne mo Ŝ na oznacza ć ilo ś ciowo metod ą kolorymetyczn ą ,

lecz po przeprowadzeniu ich w barwne pochodne na drodze stechiometrycznych

reakcji chemicznych, które powinny przebiega ć szybko i do ko ń ca, powinny by ć

powtarzalne i specyficzne oraz łatwe do przeprowadzenia. Specyficzno ść reakcji

zwykle okre ś la u Ŝ yty odczynnik barwi ą cy, który powinien reagowa ć tylko z bada-

n ą substancj ą i nie powinien wchodzi ć w reakcj ę z Ŝ adn ą inn ą substancj ą obecn ą

w roztworze. Powstała barwa powinna by ć : trwała, niewra Ŝ liwa na ś wiatło, niepo-

datna na zmiany pH, niezale Ŝ na od zmian temperatury i nadmiaru odczynnika bar-

wi ą cego.

Efekty absorpcji w zakresie ś wiatła widzialnego i ultrafioletu obserwuje si ę

w widmach zwi ą zków zawieraj ą cych grupy chromoforowe oraz ugrupowania

354

atomów z wielokrotnymi sprz ęŜ onymi wi ą zaniami nienasyconymi. Niektóre z nich

przykładowo przedstawiono poni Ŝ ej.

\ \ /

C O C C ― N O ― N N ―

/ / \

\ \

C N ― ― C C ― C S

/ /

Na intensywno ść barwy zwi ą zku wpływaj ą równie Ŝ podstawniki, zwane

grupami auksochromowymi , które przykładowo przedstawiono poni Ŝ ej. Maj ą

one zdolno ść przesuwania maksimum absorpcji w kierunku fal dłu Ŝ szych, zjawisko

to zwane jest efektem batochromowym.

― CH 3 , ― NH 2 , ― OH, ― OCH 3 , ― SH, ― Cl, ― Br

Absorpcj ę promieniowania przez roztwory opisuje prawo Beera . Nat ęŜ enie

(I o ) wi ą zki promieniowania, któr ą przepu ś ci si ę przez warstw ę roztworu substancji

pochłaniaj ą cej ś wiatło, spada do warto ś ci (I), gdy przejdzie przez roztwór. Stosu-

nek I do I o nazywa si ę transmitancj ą (T) lub przepuszczalno ś ci ą , wyra Ŝ an ą zwy-

kle w procentach promieniowania przechodz ą cego przez analizowany roztwór:

= ×

100

Transmitancja mo Ŝ e przyjmowa ć warto ś ci od 0 do 100. Warto ść T b ę dzie

najwi ę ksza (100% przepuszczalno ś ci ś wiatła), gdy nie b ę dzie absorpcji ś wiatła

przez roztwór, najmniejsza warto ść T (0% przepuszczalno ś ci ś wiatła) oznacza

całkowit ą absorpcj ę promieniowania.

Transmitancja nie jest prostoliniow ą funkcj ą st ęŜ enia substancji pochłaniaj ą -

cej ś wiatło w przeciwie ń stwie do absorbancji (A) , innej wielko ś ci pozwalaj ą cej

oceni ć spadek nat ęŜ enia wi ą zki ś wiatła po przej ś ciu przez warstw ę roztworu sub-

stancji pochłaniaj ą cej ś wiatło. Absorbancja to logarytm odwrotno ś ci transmitancji:

A log 1

log I

= × ×

c 1

– współczynnik absorpcji; c – st ęŜ enie roztworu; l – grubo ść warstwy roztworu absorbu-

j ą cego w cm.

355

gdzie:

Absorbancja (A), zwana te Ŝ ekstynkcj ą (E) lub g ę sto ś ci ą optyczn ą (D),

równa si ę logarytmowi stosunku nat ęŜ enia promieniowania padaj ą cego (I o ) do

nat ęŜ enia promieniowania przepuszczonego (I).

Prawo Bouguera-Lamberta-Beera stanowi podstawowe prawo absorpcjo-

metrii, zgodnie z którym absorbancja substancji pochłaniaj ą cej ś wiatło jest wprost

proporcjonalna do st ęŜ enia i grubo ś ci warstwy roztworu, którego matematyczny

zapis to: A =

e×

) równa si ę warto ś ci mie-

, dlatego nazywa si ę molowym współczynnikiem ab-

sorpcji . Dla bardzo wielu substancji bezpo ś redni pomiar A przy st ęŜ eniu 1 mol/l

jest niemo Ŝ liwy, dlatego warto ść molowego współczynnika absorpcji oblicza si ę

z pomiaru absorbancji przy st ęŜ eniu znacznie ni Ŝ szym, korzystaj ą c z zale Ŝ no ś ci:

c l

l / mol cm

l/ mol cm

). Molowy współczynnik absorpcji zale Ŝ y od długo ś ci fali, temperatu-

ry i u Ŝ ytego rozpuszczalnika. Im wi ę ksz ą warto ść ma molowy współczynnik

absorpcji danej substancji, tym mniejsz ą ilo ść tej substancji mo Ŝ na oznaczy ć kolo-

rymetrycznie.

Znaj ą c warto ść molowego współczynnika absorpcji analizowanej substancji

i absorbancj ę roztworu o nieznanym st ęŜ eniu tej substancji mo Ŝ na obliczy ć jej

st ęŜ enie (wyra Ŝ one w mol/l) na podstawie matematycznego zapisu prawa Bougu-

era-Lamberta-Beera, jednak obliczenia takie stosuje si ę rzadko, zwykle odczytuje

si ę je ze sporz ą dzonego wykresu kalibracyjnego.

W celu stwierdzenia, czy dana substancja pochłania promieniowanie w da-

nym zakresie długo ś ci fal, nale Ŝ y dokona ć pomiarów absorbancji dla ka Ŝ dej długo-

ś ci fali z tego zakresu. Z otrzymanych pomiarów sporz ą dza si ę wykres zale Ŝ no ś ci

absorbancji od długo ś ci fali, który jest charakterystycznym dla danej substancji

widmem absorpcyjnym , w danym zakresie długo ś ci fal. Na widmie znajduje si ę

maksymalna warto ść absorbancji dla okre ś lonej długo ś ci fali, przy której nast ę pnie

dokonuje si ę pomiarów absorbancji roztworów wzorcowych i badanych danej sub-

stancji. Je Ŝ eli substancja nie pochłania ś wiatła w danym zakresie długo ś ci fal, war-

to ś ci absorbancji s ą równe lub bliskie zeru.

Najwi ę ksz ą zalet ą absorbancji jest jej wprost proporcjonalna zale Ŝ no ść od

st ęŜ enia. Wykres tej zale Ŝ no ś ci w dostatecznie szerokim zakresie ma kształt krzy-

wej logarytmicznej. W pocz ą tkowym odcinku ka Ŝ dej pojedynczej warto ś ci absor-

bancji mo Ŝ na przyporz ą dkowa ć tylko jedn ą warto ść st ęŜ enia. W miar ę , jak wykres

356

l. Je ś li st ęŜ enie roztworu (mol/l) i grubo ść jego warstwy (w cm) s ą

równe jedno ś ci, to wówczas współczynnik absorpcji (

rzonej absorbancji, A =

Je Ŝ eli st ęŜ enie substancji pochłaniaj ą cej promieniowanie jest wyra Ŝ one

w gramach na litr, wówczas współczynnik nosi nazw ę wła ś ciwego współczynnika

absorpcji (

staje si ę asymptot ą krzywej, niemo Ŝ liwe okazuje si ę przyporz ą dkowanie pojedyn-

czej warto ś ci absorbancji tylko jednego st ęŜ enia, bo w miar ę post ę pu krzywej,

jednej warto ś ci absorbancji mo Ŝ na przyporz ą dkowa ć niesko ń czenie wiele st ęŜ e ń .

ST Ęś ENIE

Prawo Bouguera-Lamberta-Beera stosuje si ę tylko do pocz ą tkowego odcinka

wykresu zale Ŝ no ś ci absorbancji do st ęŜ enia. Jest on prostoliniowy i nazywa si ę

wykresem kalibracyjnym (1), z którego mo Ŝ na odczyta ć szukane st ęŜ enie roz-

tworu po zmierzeniu warto ś ci jego absorbancji. W wykresie kalibracyjnym mog ą

zdarza ć si ę odchylenia od prostoliniowej zale Ŝ no ś ci, mianowicie: ujemne (2) –

gdy absorbancja zwi ę ksza si ę wolniej wraz ze zwi ę kszaniem st ęŜ enia, ni Ŝ wyni-

kałoby to z proporcjonalnej zale Ŝ no ś ci, lub dodatnie (3) – gdy absorbancja zwi ę k-

sza si ę znaczniej wraz ze zwi ę kszaniem st ęŜ enia, ni Ŝ wynikałoby to z proporcjo-

nalnej zale Ŝ no ś ci. Przyczynami odchyle ń od prawa Lamberta-Beera mog ą by ć

takie zjawiska, jak: dimeryzacja, dysocjacja lub asocjacja, które mog ą wpływa ć na

własno ś ci optyczne substancji oraz zale Ŝą od st ęŜ enia. Wykres kalibracyjny wyko-

rzystuje si ę w zakresie prostoliniowej zale Ŝ no ś ci.

Ponadto, st ęŜ enie substancji, spełniaj ą cej prawo Bouguera-Lamberta-Beera

w zakresie st ęŜ e ń , dla których zale Ŝ no ść absorbancji od st ęŜ enia jest prostoliniowa,

mo Ŝ na oznaczy ć bez sporz ą dzania wykresu kalibracyjnego. W tym celu mierzy si ę

warto ść absorbancji roztworu analizowanej substancji o znanym st ęŜ eniu (wzo-

rzec) oraz roztworu analizowanego o nieznanym st ęŜ eniu. St ęŜ enie oznaczane

oblicza si ę po przekształceniu nast ę puj ą cej proporcji:

A w

A x = c w

c x c x = c w

A x / A w

gdzie:

A w – absorbancja roztworu o znanym st ęŜ eniu (wzorca); A x – absorbancja roztworu anali-

zowanego o nieznanym st ęŜ eniu; c w – st ęŜ enie znane, wzorca; c x – st ęŜ enie oznaczane

357

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: