SPEKTROSKOPSKE METODE

Transcription

1 SPEKTROSKOPSKE METODE Spektroskopija je nauka koja proučava interakciju elektromagnetskog zračenja i materije. Spektroskopija se koristi u mnogim granama prirodnih nauka jer daje informacije o građi i sastavu tvari. Vjerojatno najšira upotreba spektroskopije je u analitičke svrhe. Spektroskopija se najčešće dijeli prema spektralnom području, a to često ovisi o grani nauke koja koristi dotičnu spektroskopiju. Kao rezultat spektroskopskog istraživanja dobiva se spektar. Spektroskopija se, prema fenomenu koji izaziva sprezanje elektromagnetskog zračenja može podijeliti na: rotacijsku spektroskopiju vibracijsku spektroskopiju elektronsku spektroskopiju 1

2 Electronic Excitation by UV/Vis Spectroscopy : X-ray: core electron excitation UV: valance electronic excitation IR: molecular vibrations Radio waves: Nuclear spin states (in a magnetic field) UV i VIS Mnoge molekule imaju sposobnost apsorpcije u UV i VIS oblasti. UV područje obuhvata od nm i dijeli se na: Daleku (vakuum) UV oblast: nm Blisku UV oblast : nm VIS nm UV zračenje je bogato energiom i njegovom apsorpcijom dolazi do promjena u elektronskom stanju molekule -elektroni, -elektroni i n-elektroni se pobuđuju i prelaze sa nižih na više energetske nivoe bogatije energijom. Pošto ovi elektroni imaju različitu energiju, pobuđuju se zračenjem različite talasne dužine. 2

3 Primjer π π* Exkscitacije λ = h c/δe λ = h c/δe Što je manja razlika u energiji između osnovnog i pobuđenog stanja, apsorpcija se dešava kod većih talasnih dužina. Najlakše se pobuđuju n-elektroni sa heteroatoma i -elektroni višestrukih veza Dok je za pobudjivanje -elektrona zasićenih veza potrebna visoka energija 3

4 Zato se za mnoge spojeve elektronski prelazi ostvaruju u dalekoj UV oblasti spektara, izvan područja mjerenja uobičajenih spektrometara. U bližoj UV oblasti apsobbiraju karakteristične grupe i konjugirani sistemi. Osim položaja trake apsorpcije na koordinati talasnih dužina, druga važna karakteristika elektronskog spektra je intenzitet apsorpcije, koja ovisi o vjerovatnoći elektronskog prelaza i polarnosti pobuđenog stanja. Intenzitet apsorpcije se izražava kao apsorpcija A koja se definiše logaritmom omjera intenziteta ulaznih (Io) i izlaznih (I) zraka. Io A = log 10 I 4

5 Apsorpcija svjetlosti pokorava se Lambert- Beerovom zakonu prema kojem je apsorpcija proporcionalna koncentraciji uzoraka c i debljini sloja otopine l kroz koju zračenje prolazi: A = lc c = koncentracija uzorka (mol/dm3) l = Debljina kivete u cm = molarni apsorpcioni koeficijent -koji karakterizira molarnu apsorpcijsku sposobnost molekule. To je karakteristična konstanta za određenu molekulu a ovisi o talasnoj dužini i temperaturi Jedinica za je mol 1 dm 3 cm -1 Elektonski spektri predstavljaju grafičku ovosnost intenziteta apsorpcije od talasne dužine ili frekvencije. Za izražavanje intenziteta apsorpcije koriste se veličine ili log 10. 5

6 Ukupna energija se određuje zbirom energija elektrona Eel, vibracionog Evib Rotacionog Erot stanja Asorpciojom UV i vidljivog zračenja, pored pobuđivanja elektrona dolazi i do promjena vibracione i rotacione energije. Uslijed toga se na spektru javlja fina struktura apsorpcionih maksimuma. UV se obično odredjuje na uzorku otopljenom u određenom otapalu. U otopini dolazi do interakcije supstance sa otapalom pa se fina struktura apsorpcione trake gubi i javlja se široki združeni sistem apsorpcionog maksimuma. U elektronskim spektrima karakterističnu apsorpciju pokazuju HROMOFORNE GRUPE. To su strukturni elementi organskih spojeva koji sadrže: dvostruke ili trostruke veze i slobodne elektrosnke parove kombinovane sa dvostrukim vezama : C C C O C S C N N N N O C C 6

7 AUKSOHROMI-grupe koje sadrže slobodne elektronske parove a nisu hromofori. To su polarne grupe kao: -OH, -OR, -NH2, -SH i atomi halogena. Oni pomiču apsorpciju hromofora prema većim talasnim dužinama Chromophore Example Excitation λ max, nm ε Solvent C=C Ethene π > π* ,000 hexane C C 1-Hexyne π > π* ,000 hexane C=O Ethanal n > π* π > 290 π* ,000 hexane hexane N=O Nitromethane n > π* π > 275 π* ,000 ethanol ethanol C-X X=Br X=I Methyl bromide Methyl Iodide n > σ* n > 205 σ* hexane hexane U organskim molekulama koje sadrže samo jednu dvostruku vezu kao što su jednostavni alkeni, apsorpcije uzrokovane -- * prelazom, nalazi se kod 180 nm u dalekoj UV oblasti. Trake ovih prelaza ponekad se označavaju kao E trake. U ovoj oblasti apsorbiraju i dieni sa izdvojenim dvostrukim vezama. 7

8 Konugacija dvostrukih veza smanjuje potrebnu energiju prelaza i apsorpcija se pomiče prema većim talasnim dužinama. Intenzitet ovih apsorpcija se takodjer mijenja Trake konjugovanih sistema se označavaju kao K- trake. Efekat konjugacije je karakterističan i za karbonilne spojeve kod kojih su mogući prelazi: n * i *. Npr. Kod metil-vinil ketona oba prelaza se zbog konjugacije nalaze kod većih talasnih dužina, nego kod metil etil ketona O O CH 3 CCH 2 CH 3 CH 3 CCH CH 2 n * max 277 nm n * max 324 nm * max 187 nm * max 219 nm Za aldehide i ketone j ekarakteristično da su trake od n * prelaza uvijek slabijeg intenziteta od traka * Elektronski prelazi karakteristični za benzenov prsten u UV spektru obilježavaju se kao B-trake. Spektar benzena u otopini heksana pokazuje apsorpcionu traku na 184 nm, 203 nm i 254 nm. Traka sa 254 nm pokazuje finu strukturu i pomjera se prema većim talasnim dužinama kada su na benzen vezane alkilne grupe. 8

9 9

10 Supstituenti na benzenu koji imaju dvostruke veze ili atome sa slobodnim elektronskim parovima, koji mogu da stupaju u konjugaciju sa * elektronima iz prstena, daju intenzivne apsorpcijske trake u oblasti nm. 10

11 Na položaj apsorpcijskog maksimuma jako utiče: Priroda supstituenta i Polarnsot otapala Da bi se odredio uticaj supstituenata i otapala na elektronske spektre koriste se slijedeći pojmovi: BATOHROMNI POMAK (pomak maksimuma apsorpcije prema većim talasnim dužinama).ovaj pomak izazivaju polarna otapala i auksohromne grupe. HIPSOHROMNI POMAK (pomak maksimuma apsorpcije prema kraćim talasnim dužinama). HIPERHROMNI efekat očituje se u intenziviranju maksimuma apsorpcije uslijed stabilizacije određene strukture molekule u otapalu. HIPOHROMNI efekat označava smanjenje intenziteta apsorpcije. PRIMJENA ELEKTRONSKIH SPEKTARA U ANALITIČKE SVRHE Kvalitativna i kvantitativna analiza Kvalitativna analiza (najvažnijeodredjivanje nepoznatog spoja). Ova oblast spektara pruza mogucnost dokazivanja prisustva hromofornih grupa: 11

12 12

13 Nezasiceni keton Prednost prikaza logaritamske vrijednosti ε. The π π* vrlo jaka apsorpcija je na 242 nm, sa ε = 18,000. slaba apsorpcija n π* oko 300 nm ima ε =

14 Buta-1,3-diene 14

15 Apsorpcije u podrucju nm, velikih intenziteta najcesce karakteriziraju konjugovane sisteme dva hromofora, koji mogu biti isti ili razliciti. Intenzivna apsorpcija iza 300 nm ukazuje na povecanje konjugacije Vrlo mali intenziteti u oblasti nm mogu se pripisati karbonilnoj grupi, uslijed n * prelaza prisustvo apsorpcione trake na nm ukazuju na aromatske spojeve sa polarnim supstituentima. Ako spektar pokazuje apsorpciju za neki hromofor to jos ne znaci da je on prisutan, ali ako ocekivana apsorpcija nije prsutna, znaci da spoj ne sadrzi hromofor. Ako spoj sadrzi vise hromofora, javlja se vise maksimuma i to otezava identifikaciju. Tada se koriste podaci drugih metoda. Identifikacija nepoznatog spoja: - Spektar nepoznatog spoja se uporedjuje sa spektrom pretpostavljenog spoja ili sa spektrom iz kataloga - Uporedjivanje spektara se vrsi i kod odredjivanaj cistoce nekog spoja. 15

16 Instrument 1. Izvor zracenja (UV i VIS) 2. Monohromator (za izbor talasne duzine) 3. Drzac za uzorak (kivete) 4. Detektor 5. Procesor signala, pisac Kao izvor zracenja: volframova lampa halogenska lampa ili specijalne deuterijumove lampe Obicno se koriste dvozracni spektrofotometri. Jedan snom zraka prolazi kroz ispitivanu otopinu, a drugi kroz kivetu koja sadrzi slijepu probu. Fotocelija: mjeri intenzitet zraka Pojacivac: zrake se pojacavaju nakon izlaska iz fotocelije, i intenzitet signala za suostancu prenosi na pisac. Kivete: Staklene za VIS podrucje Kvarcne za UV podrucja Upotrebljava se uvijek identican par kiveta. Deterktor obicno fotomultiplikator, fotodioda itd 16