Fizikai kémia és radiokémia labor II, Laboratóriumi gyakorlat: Spektroszkópia mérés A gyakorlatra vigyenek magukkal pendrive-ot, amire a mérési adatokat átvehetik. Ajánlott irodalom: P. W. Atkins: Fizikai kémia II. Szerkezet, - A Lambert-Beer törvény 501-503 - Töltésátvitellel járó átmenetek 508-509 - A gerjesztett elektronállapotok sorsa 509-511 1. A molekulaspekroszkópiai módszerek elve 1.1. A fény A fény elektromágneses sugárzás, melynek részecske és hullámtermészete van. A hullámsajátságot jellemző változók - a hullámszám (ΰ, cm -1 ), a hullámhossz (λ, cm), a frekvencia (ν, s -1 ), a fénysebesség (c=2,988 10 10 cm s -1 ) - között az alábbi összefüggés érvényes: ~ ν ν = 1 = 1.1. λ c Az elektromágneses sugárzást hordozó fotonok energiáját a Planck féle összefüggés írja le: E foton =hν=hc/λ 1.2. ahol h a Planck féle állandó (6,626 10-34 Js). 1.2. A spektrum Az atomok és a molekulák belső energiája azok szerkezete által meghatározott, diszkrét értékeket vehet fel, tehát az energiaszintek közti különbség is diszkrét értékű. Az atomok, vagy molekulák energiája megváltozhat sugárzásos folyamatban (fénylenyeléssel, vagy kibocsátással) és sugármentes folyamatban is (pl. ütközéssel). Sugárzásos energiaváltozás az energia megmaradás tétele: E foton = E 2 atom vagy molekula -E 1 atom vagy molekula 1.3. Az anyagi minőségre jellemző E 1 E 2 energiaváltozás az 1.2. és az 1.3. egyenletek szerint, az elektromágneses sugárzás adott hullámhosszán észlelhető. A molekulák energiája forgási, rezgési, és elektron energiákból tevődik össze, ezek megváltozása rendre egyre nagyobb energiájú foton elnyelésével/kibocsátásával jár. A minta alkotóinak különböző energia változásait a spektrum jeleníti meg, melyet úgy kapunk, hogy az anyag által kibocsátott, áteresztett vagy visszavert, esetleg szórt sugárzás intenzitását mérjük a hullámhossz függvényében. E= f () 1
A forgási állapotok között a legkisebb az energiakülönbség gerjesztésükre a mikrohullámú és a távoli infravörös sugarak alkalmasak (1 cm -1 200 cm -1 ). Forgási spektrum. Rezgési állapotok gerjesztéséhez a közép és a közeli infravörös sugarak (200-10000 cm -1 ) alkalmasak. A rezgési állapotok gerjesztésével együtt a forgási állapotok is gerjesztődnek, ezért a rezgési sávoknak forgási szerkezete van. Elektronszínképek felvételékor a látható, vmint a közeli és a távoli ultraibolya fényt (10000 cm -1 80000 cm -1 ) használnak. Elektronállapotok gerjesztésével rezgési és forgási állapotváltozás is együtt jár. Az elektronszínkép sávjainak rezgési és forgási szerkezete van. A molekulákban a gerjesztő fotonok hatására többféle folyamat játszódhat le, a bekövetkező változások a Jablonski-diagramon ábrázolhatók. Az ordinátán az egyes elektron- és a vele kombinálódott rezgési állapotok energiáit ábrázoltuk. Elkülöníthetőek az alap elektronállapotú- (S0), az első gerjesztett elektronállapotú (S1) nívósorozatok (az egyszerűség kedvéért a többi gerjesztett állapottal nem foglalkozunk. A sugárzásos átmeneteket folytonos, a sugárzás nélkülieket hullámos nyíllal vannak jelölve. Jablonski-diagram A molekula a gerjesztő foton elnyelésével az S0 alapállapotból az S1 egy vibrációsan gerjesztett szintjére kerül. Innen vibrációs relaxációval (vr) jut az S1 szint rezgési alapállapotára. A molekula ezután többféleképpen juthat vissza az S0 alapállapotba: 1. fluoreszcens sugárzás formájában adja le energiájának nagy részét, miközben az S0 egy magasabb rezgési nívójára kerül, ahonnan vibrációs relaxációval a rezgési alapállapotba jut. A fluoreszcens fény frekvenciája ezáltal energiája általában kisebb, mint az abszorbeált fényé. 2
2. ún. belső konverzióval (ic) sugárzásmentesen kerül vissza az S0 egy magasabb rezgési nívójára, ahonnan vibrációs relaxációval jut alapállapotba. 2. Ultraibolya és látható spektroszkópia 2.1. UV-látható abszorpciós spektroszkópia Az elektronállapotok gerjesztéséhez szükséges fény elnyelését mérjük. A mérés során a sugárzás intenzitása a mintára jellemző hullámhossznál az abszorpció miatt csökken. A Lambert-Beer törvény szerint a mintába belépő fénysugár I 0 intenzitása az abszorpció miatt I-re csökken, mely az alábbi összefüggésben van a koncentrációval. Log I o /I= ε l c 2.1. ε: abszorpciós együttható anyagi minőségre jellemző és hullámhossztól függő érték, szokásos mértékegysége: dm 3 /mol cm l: küvettavastagság a mintában megtett úthossz, c: koncentráció, I/I o: transzmittanci a (T) áteresztőképesség log I o /I abszorbancia (A). Az abszorbancia additív tulajdonság, a vizsgált hullámhossznál az egymás mellett előforduló komponensek koncentrációjuk és abszorpciós együtthatójuk arányában, egymástól függetlenül nyelnek el, ezért többkomponensű rendszerekben mód van a komponensek egymás melletti mérésére, ha azok között nincs kölcsönhatás. 2.1.1 Vizsgálható vegyületek : 1 A σ-σ * átmenetek a telitett szénhidrogénekben fordulnak elő, melyekben csak σ elektronok vannak. Ezen elektronok gerjesztéséhez nagy energiájú távoli UV fényt használható. 2 A π-π * átmenet kettős és hármas kötéseket, aromás gyűrűket tartalmazó vegyületeknél figyelhető meg. Az átmenet létrehozására főleg az UV és a kiterjedt konjugált kötésű rendszerekben a látható fotonok alkalmasak. Pl: poliklórott benzol származékok: PCB, poliaromás szénhidrogének: PAH, bifenil, antracén. 3 Az n-π * átmenet az UV és látható energiatartományban jelentkezik, a nem kötő elektronpárt tartalmazó molekuláknál. (pl: C=O, C=S, N=O) Pl: aldehidek. 4 Az n-σ * típusú átmenetek létrehozására a távoli UV fotonok alkalmasak. Ez az átmenet heteroatomokat (pl Cl, Br) tartalmazó telitett vegyületeknél figyelhetőek meg 200 nm-nél kisebb hullámhosszon. Pl: rövid alifás klórozott vagy brómozott szénhidrogének freonok. 3
2.1.2. Kétsugaras UV-VIS abszorpciós spektrométer felépítése és működése. Az UV-VIS spektrumokat leggyakrabban oldatban, ritkán gáz illetve gőz halmazállapotban, mérünk. Az oldatokat vízzel vagy szerves oldószerekkel készítjük. Általában 10-5 -10-3 mol/dm 3 koncentrációjú oldatokkal dolgozunk. A fényforrás fénye a monokromátorra jut, ami a fényt spektrálisan komponenseire bonja és rávetíti fényosztóra. A fényosztóról a fény egy része a minta küvettára, a másik része a referencia küvettára jut, végül a detektorba kerül. 2.1.3 A spektrum ábrázolása A vízszintes tengelyen λ (nm), függőleges tengelyen A (abszorbancia) vagy T % (transzmittancia százalék) van. 2.2. UV-látható emissziós spektroszkópia A mintát besugározzuk adott hullámhosszú gerjesztő fénysugárral, hatására az elektronállapotok gerjesztődnek, majd relaxáció során fényt bocsátanak ki, ezt az emittált fényt detektáljuk. Ez többnyire fluoreszcencia esetleg foszforeszcencia. 2.2.1. Vizsgálható vegyületek Fluoreszkáló anyagok, viszonylag merev, sík szerkezetű szerves molekulák. Pl. floureszcein, rhodamin, antracén. 2.2.2. A spektrofluoriméter felépítése és működése. 4
A fényforrás fénye a gerjesztési monokromátorra jut, amellyel a gerjesztő fény hullámhosszúságát választjuk ki. A fény halad tovább a mintáig, a minta gerjesztődik és az emittált fényt az emissziós monokromátor komponenseire bontja, végül detektáljuk. 2.2.3. A spektrum ábrázolása: A vízszintes tengelyre hullámhossz λ (nm), a függőleges tengelyre a fluoreszcencia intenzitása kerül. 2.2.4. A fluoreszcencia spektroszkópia előnyei. 1. Az érzékenység sokkal nagyobb, mint az abszorpciós spektroszkópiai mérésnél, mivel itt a jelet az I=0-hoz képest mérjük. Az abszorpciós spektroszkópiánál pedig I o =100, és ha a vizsgált minta áteresztőképessége nagy, akkor az I az I o -hoz képest nem sokat változik. 2. Kétszeres szelektivitás: - elnyelés hullámhossza szerint - kisugárzás hullámhossza szerint 5
3. A spektroszkópia labor mérési feladata 3.1. A mérés célja: A fluoreszcein abszorpciós és emissziós színképének felvétele és a felvett spektrumok értelmezése, összehasonlítása. 3.2. Fluoreszcein A fluoreszcein jól ismert szerves festékmolekula, - O O O melyet például alkalmaznak a természetes vizek (folyók patakok), színjelzésére a folyásirány, áramlatok nyomon követése céljából. A floureszcein piros por. COO - Molekulatömege 332, 32g pk: 6,99 3.3 A mérési feladat. 1 A hígítási oldatsorozat elemeinek az UV-VIS abszorpciós spektrumainak megmérése. 2 Ismeretlen koncentrációjú oldat abszorpciós spektrumának felvétele 3 Az abszorpciós spektrum alapján az emissziós mérésnél a gerjesztő fény hullámhosszának megállapítása. 4 A 10-6 M és 10-7 M oldatokról fluoreszcens színkép felvétele 5 A mért spektrumok összehasonlítása, kalibrációs görbe megrajzolása, a mért ismeretlen oldat koncentrációjának meghatározása. 6