SPEKTROFOTOMETRIAI MÉRÉSEK

Átírás

1 SPEKTROFOTOMETRIAI MÉRÉSEK Elméleti bevezetés Ha egy anyagot a kezünkbe veszünk (valamilyen technológiai céllal alkalmazni szeretnénk), első kérdésünk valószínűleg az lesz, hogy mi ez az anyag, milyen összetevők alkotják. Ha használni, előállítani, biztonságosan kezelni akarjuk, a következő fontos kérdés, hogy mennyi van az egyes komponensekből, mennyi az összetevők koncentrációja. E két egyszerű kérdés megválaszolására az elmúlt kb 300 év alatt egy igen gazdag tudományterület, az analitikai kémia fejlődött ki. Jóllehet, egy leendő villamosmérnök számára ez mérsékelten izgalmas szellemi kaland, azt mindenképpen hasznos tudnunk, hogy a fenti kérdésekre milyen jellegű választ kaphatunk, hogyan kérdezzünk, hogy ők a kérdést, mi a választ használni tudjuk. Ezen kívül a gyakorlat során megismerkedhetünk egy optikai elven működő műszer használatával, fő funkcionális egységeivel. A spektroszkópia, spektrofotometria az egyik legelterjedtebb anyagvizsgálati módszer. Az igen sokféle technikai megoldás közös alapja az, hogy az anyagok atomi- molekuláris szintű energia-átmenetei kvantáltak és ezek az energiaszintek jellemzőek az adott anyagra. Az egyes energia-átmenetekhez meghatározott hullámhosszak tartoznak a E=hν=hc/λ összefüggés alapján. Az 1. ábrán a H atom lehetséges energia-átmenetei láthatók. Ezek közül az un. Balmer sorozat tartozik a látható tartományba, a nagyobb energiájú UV, a kisebb infrasugárzás. Mint az már ismert, a színképelemzés két alapváltozata az emissziós és az abszorpciós fotometria. Legegyszerűbbek és legelterjedtebbek a látható fénnyel történő mérések, de a szerves molekulák vizsgálatára az infravörös tartományba eső rezgési színképeket használják, és nagyon sok módszer van, amely a belső pályán lévő elektronok UV vagy RTG szinthez tartozó átmeneteit használja mérésre. Az anyagok spektroszkópiai szempontból fontos tulajdonsága a színük, amely szoros összefüggésben van molekula-szerkezetükkel. Színesnek akkor nevezünk egy anyagot, ha a ráeső fényből szelektíven abszorbeál, vagy szelektíven ver vissza. Ha pl. valamely anyag a fehér fényből a vöröset nyeli el, akkor a többi spektrumszín keverékét, vagyis a zöldet engedi át vagy veri vissza. (A zöld a vörös kiegészítő színe.) Lehetséges az is, hogy az anyag az ultraibolya vagy az infravörös tartományban abszorbeál, ezt szemünk nem érzékeli, az ilyen anyagokat színtelennek látjuk. 1. ábra A H atom energiaszintjei és a lehetséges átmenetek Lényeges a különbség a gázhalmazállapotú minták és az un. kondenzált fázisok (folyadék és szilárd állapot) között. Szabadon levő atomok, molekulák esetében (azaz gáz halmazállapotban) az eddig bemutatott kép igaz, a gerjesztő energia néhány diszkrét érték lehet (az elemek energiaszintjei határozott értékek, és minden 1

2 kémiailag azonos atomé teljesen megegyezik) ennek következtében az elnyelt (kibocsátott) fény is csak a megfelelő hullámhosszúságú lehet. Ezért a gázok abszorpciós spektruma vonalas. Kondenzált rendszerekben, így oldatokban is a közvetlen környezet, az erős kölcsönhatás a szomszédokkal azt eredményezi, hogy az energiaszint-rendszer zavart szenved, torzul. Minden egyes atomnak egy kicsit más az aktuális szomszédsága, ezért az energiaszint-rendszere is egy kicsivel eltér a többitől, statisztikusan ennek az a következménye, hogy energiasávok alakulnak ki. Ezért az elnyelt (kibocsátott) fény is egy hullámhosszsávra terjed ki. Az abszorpciós sáv szélessége és helye is befolyásolható a szomszédos idegen molekulákkal.az oldószer szolvát burka (vizes oldatban hidrát burka) jelentősen eltolhatja az abszorpciós sáv helyzetét. Pl a jód ibolya színnel oldódik azokban az oldószerekben, amelyekben nem szolvatálódik, és barna vagy sárga színű, ha igen. Másik példa a réz ion: hidratáltan kék, vízmentes környezetben színtelen. Színes oldatok fényabszorpciója : Az oldatban az oldott ionok vagy molekulák kölcsönhatásba lépnek a megvilágító fény fotonjaival, s azokból energiát nyelnek el. A molekulák energiafelvétele a fényintenzitás csökkenését vonja maga után. Az, hogy milyen hullámhossz-sávokban történik meg az elnyelés (milyen az oldaton átengedett fény spektrális összetétele) az oldat anyagi minőségétől, intenzitása pedig a koncentrációtól, az átvilágított réteg vastagságától és természetesen az anyagi minőségtől függ (Bouguer - Lambert -Beer törvény) I = I 10 0 α cl ahol : I I 0 az átengedett fény intenzitása; a belépő fény intenzitása; c az oldat koncentrációja, (mól/ l) ; l a rétegvastagság (az edény szélessége); α a moláris abszorpciós (extinkciós) koefficiens (függ az anyagi minőségtől, valamint a hőmérséklettől, nyomástól és a megvilágító fény hullámhosszától). Vezessük be a lg (I 0 /I) = A (abszorbancia, régebben extinkció) fogalmát: A = α l c. α a definíció értelmében megegyezik annak a rétegvastagságnak a reciprok értékével, amelyen áthaladva a fényintenzitás eredeti értékének tizedére csökken. Azok az anyagok, melyeknek az abszorpciós koefficiense a színkép látható részében (380 és 780 nm között) állandó, színtelenek (fehérek, szürkék vagy feketék), azok viszont, amelyek abszorpciós koefficiense a láthatón belül különböző hullámhosszon más és más - vagyis szelektíven abszorbeál - színesek. Az I / I 0 hányadost áteresztésnek (transzmittanciának) nevezzük. Ennek értéke 0 és 1 (vagyis 0 és 100% transzmisszió) között változhat. A százalékban mért áteresztés negatív logaritmusa az abszorpció A= - lgt ill. 100 I/I 0 = T% 2

3 Spektrofotométerek általános felépítése Az általunk használt műszerek egy fényutasak. Ezek blokkvázlata az alábbi A fényforrás általában halogénlámpa, amellyel megfelelő stabilitású, folytonos sugárzást lehet előállítani a látható és IR tartományban. Az UV-ben is működő spektrofotométerekben még egy deutérium-lámpa is van, amely kb 200 és 450 nm között szolgáltat folytonos sugárzást. A fényt felbontó elem vagy monokromátor feladata, hogy a folytonos sugárzásból kiválaszthassunk egy hullámhosszt (egy szűk sávot), amely a mintánk elnyelési sávjába esik, hiszen a spektrum összes többi hullámhossza csak fölösleges zaj a detektor számára. Monokromatikus fény előállításának több módja lehet - prizmás monokromátorral (pl. Spektromom 195) a prizma a fehér fényt elemeire bontja, a prizma kismértékű forgatásával elérhetjük, hogy a kívánt hullámhosszúságú fény jusson ki a kilépő résen. - interferenciaszűrővel üvegre párologtatott vékony dielektrikumréteg-rendszer, amelyen a rétegvastagságtól függő interferencia következtében szűk hullámhossztartományra van áteresztés a többi visszaverődik. - optikai ráccsal az optikai rácsról visszaverődő fénysugarak interferenciájának következtében minden hullámhosszra más szögben lesz erősítés, így a prizmához hasonló színfelbontást kapunk. A különbség annyi, hogy a ráccsal előállított spektrum egyenletes lépésközű, míg a prízmánál a felbontás a kék tartomány felé nagyobb, a vörös felé kisebb. A kiválasztott hullámhosszúságú fényt itt is a rács elfordításával juttathatjuk a kilépő résre. (Pl. egészen jó optikai rács a CD ) A monokromatikus fény a kilépő rés után a mérendő oldattal töltött küvettán halad keresztül. A küvetta igen tiszta üvegből (az UV-ban használt kvarcüvegből) készült, pontosan párhuzamosra csiszolt falú edény, amelyben a fényút is pontosan adott, általában 1,000 cm. A fotodetektor többféle megoldású lehet (leggyakrabban félvezető fotodióda, ritkábban fotocella). Bármelyikre igaz, hogy spektrális érzékenysége nem állandó. (Ez az egyik ok, amiért minden hullámhosszon újra kell állítani a nulla pontot.) A szélesebb hullámhossz-tartományban dolgozó készülékekben két fotodetektort is használhatnak, egyik az UV és a látható alsó fele, másik a látható hosszabb hullámhosszú tartománya és esetleg a közeli IR érzékelésére. A félvezető fotodetektorok olcsóbbá válása tette lehetővé egy új spektrofotométer típus kialakítását. Ebben egy (jellemzően 512 elemből álló) diódasor érzékeli a kilépő fényt, amely az un. polikromátorból érkezik. Azaz a rács / prizma felbontja a fényt, de nem kell kiválasztani egy hullámhosszt, hanem a diódasor, és a hozzá kapcsolt elektronika egyszerre elemezheti a teljes áteresztési spektrumot. 3

4 Mérési elvek A Lambert-Beer törvény alapján, ha ismerjük az extinkciós koefficienst, elvileg közvetlen koncentrációmérést is végezhetnénk, azonban ehhez minden paraméter pontos (hiteles) mérése lenne szükséges. Ezért gyakorlatilag csak összehasonlító módszerrel szoktak a spektrofotometriában mérni. 1. Az első lépés az, hogy beállítjuk a használt hullámhosszt. Ez az, ahol a mérendő anyag abszorpciója a legnagyobb, mert itt lesz legjobb a mérés érzékenysége. (Ezt a λ-t tudhatjuk spektroszkópiai kézikönyvekből, vagy megkereshetjük magunk. Úgy történik, hogy a műszerünk által átfogható hullámhossz tartományban nm-es lépésekkel végigmérjük az anyagunk elnyelését és ebből egy λ - A grafikont, abszorpciós spektrumot rajzolunk. Az az alkalmas hullámhossz, ahol a görbének maximuma van, de az abszorpció nem haladja meg a 2-t.) 2. Ezután a műszer alappontjainak beállítása történik zárt résnél a 0 % transzmisszió (= végtelen abszorpció) beállítása. A zárt réssel egyenértékű a nyitott küvettaház fedél. a nulla koncentrációhoz tartozó nulla abszorpció (=100%T) beállítása. Tiszta(!) küvettába desztillált vizet töltve a fényintenzitást egy rés segítségével addig szabályozzuk, míg A = 0 lesz. (amíg hullámhosszt nem váltunk, ezt a két pontot sem változtatjuk.) 3. Egy vagy néhány kalibráló (standard) oldatot készítünk, amelyek abszorpcióját mérve egy kalibráló egyenest rajzolunk. (A standard oldat akkor alkalmazható jól, ha koncentrációja a mérendő oldatok nagyságrendjébe esik és a nem mérendő komponensekből is kb. ugyanannyit tartalmaz, mint az ismeretlenek, mert néha ezek is befolyásolhatják a minta elnyelését). 4. A mérendő mintákat sorban megmérjük, abszorpciójukat lejegyezzük és a kalibrációs egyenesből leolvassuk a koncentrációkat. Sok olyan anyag van, amelynek oldata színtelen, vagy alig színes, ezek közvetlen mérése nem lehetséges. Ugyanakkor szinte mindegyikhez található olyan (általában szerves) reagens, amellyel reagáltatva már jó abszorpciójú oldatot kapunk. Pl. a Fe 3+ halványsárga, kb. 0,1 mólos oldata még éppen mérhető egyszerű spektrofotométerben, de ha SCN (rodanid) ionokkal reagálhatjuk az érzékenység kb mól/l-re nő. Ugyanez rézzel is megvalósítható, az egyszerű rézsók vizes oldata világoskék, kb 0,01 mól/l-es oldat még éppen mérhető. Ha ammónium-hidroxidot adunk hozzá, mélykék Cu[(NH 3 ) 4 ] 2+ (réztetrammin) komplex ion keletkezik, amelynél a kimutatási határ egy nagyságrenddel kisebb. A műszeren (és a kalibrációs grafikonon) az A skála nagyjából 0,02 és 2 között használható, ennek megfelelően a legkisebb és a legnagyobb mérhető koncentráció között is alig két nagyságrendnyi különbség van (A és c lineáris kapcsolata miatt). Ez nagyon szűk mérési tartomány lenne, de van pár egyszerű mód a méréshatár eltolására mindkét irányba. A töményebb oldatokat viszonylag könnyű a mérhető tartományba hígítani, hígabb oldatoknál az ügy nehezebb, lehet a küvetta hosszát 4-5 cm-re növelni, ha ez nem elégséges, akkor valamilyen érzékenyebb reagenst kell keresni, esetleg más speciális megoldást lehet alkalmazni. 4

5 Mérési feladat 1. Abszorpciós spektrum felvétele A következő oldatokat 1-1 küvettába töltjük: 1. desztillált víz (a minden hullámhosszon szükséges nullázáshoz) 2. 0,1 mol/l CuSO4 (rézszulfát) 3. 0,01 mol/l [Cu(NH3)4](OH)2 (réz-tetrammin-hidroxid) 4. szerves színezék oldat Kihasználva az adott műszer hullámhossz-tartományát, hullámhosszon mérjük meg az oldatok abszorpcióját. Az A = 0 (T = 100%) pontot desztvízzel minden új hullámhosszra be kell állítani. Közös grafikonon ábrázoljuk a három oldat A-ját λ függvényében! 2. Koncentrációmérés Az előzőleg mért oldatok közül a rézszulfát oldattal folytatjuk a koncentráció meghatározását. Két un. standard oldatot használunk, ezekből készítünk kalibrációs egyenest, és egy ismeretlen oldatot kapunk, amelynek meghatározzuk a koncentrációját. Az előzőleg megmért abszorpciós spektrumból kiválasztunk egy vagy két olyan hullámhosszt, amely a réz meghatározására alkalmas és ezeken a hullámhosszokon megmérjük a két standard oldat, valamint az ismeretlen koncentrációjú oldat abszorpcióját. A két standard oldat adataiból kalibrációs egyenest rajzolunk, ha több hullámhosszon mértük ugyanazon oldatainkat, minden hullámhosszra külön egyenest, és ezek segítségével kiszámítjuk az ismeretlen koncentrációkat. Természetesen, ha több ismeretlen oldatunk lenne, ettől kezdve már csak azokat kellene sorozatban mérni, a többi megelőző lépés legfeljebb akkor kell, ha néha ellenőrizni akarjuk a műszer stabilitását Ellenőrző kérdések Mi a magyarázata, ha egy anyag; színes, átlátszó, fehér, fekete? Atomszerkezeti és optikai értelmezést is adjunk! Mi a spektroszkópia anyagszerkezeti alapja, milyen alaptípusait ismeri? Mi a különbség a szabad molekulák és a kondenzált fázisok fényelnyelése között? Értelmezze a Lambert-Beer- törvényt! Spektrofotométerek fő funkcionális elemei, azok feladata, működési elvük. Sorolja fel a diódasoros fotométer néhány várhatóan előnyös tulajdonságát a hagyományoshoz képest! Mi a spektrofotometriás koncentrációmérés menete? Hogyan lehet a mérési tartományt tágítani? Mi a feltétele, hogy két anyag egy oldatból meghatározható legyen? Mi ennek a menete? Hogy nézne ki egy T - c grafikon? 5

6 Jegyzőkönyv Spektrofotometria Mérést végezte: név, neptun kód, laborcsoport Gyakorlatvezető: Mérés ideje: Érdemjegy: Táblázat a hullámhossz -- abszorpció függvény felvételéhez λ Cu 2+ [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ Abszorpciós spektrum 2 1,8 1,6 1,4 abszorpció 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, hullámhossz Táblázat a kalibrációs egyenesek elkészítéséhez Cu 2+- λ 1 = λ 2 = 0,1 mol/l 0,02 mol/l ismeretlen λ 1 = λ 2 = abszorpció 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Kalibrációs grafikon Az ismeretlen koncentrációja: mol/l koncentráció A jegyzőkönyv tartalmazza a mérés elméletének rövid, (saját fogalmazású) összefoglalását, a mérés során szerzett tapasztalatokat, az eredmények értékelését. 6