APSORPCIONE METODE Dr D Manojlovi Hemijski fakultet Beograd

APSORPCIONE METODE Dr D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd

APSORPCIONE METODE Apsorpcione metode se zasnivaju na merenju smanjenja intenziteta elektromagnetskog zračenja usled apsorpcije pri prolasku kroz ispitivanu supstancu Apsorbovano zrčenje dovodi do energetskih promena u atomima, molekulima i jonima ispitivane supstance Apsorpcija vidljivog i ultraljubičastog zračenja dovodi do elektronskih prelaza, koji su u molekulima i njihovim jonima kombinovani sa nizom vibracionih i rotacionih prelaza

Infracrveno zračenje zbog svoje male energije, dovodi samo do promena vibracione i rotacione energije molekula Apsorpcijom zračenja molekul može preći iz osnovnog stanja na neki od mnogobrojnih vibracionih i rotacionih nivoa određenog pobuđenog stanja Energije fotona koji se tom prilikom apsorbuju vrlo se malo razlikuju tako da se apsorpcioni spektar molekula sastoji iz stotine pa i hiljade linija, koje su tako blizu jedna drugoj, da se javljaju kao kontinualne apsorpcione trake

Merenje apsorbance se izvodi radi: - određivanja koncentracije supstance, - analize hemijskih reakcija, - identifikacije supstance, - ispitivanje strukture molekula i - određivanja različitih supstanci

Apsorpcione optičke metode možemo podeliti u tri grupe: -Kolorimetriju - Apsorpcionu spektrofotometriju -Atomsku apsorpcionu spektrofotometriju

ZAKONI APSORPCIJE Prilikom prolaska elektromagnetskog zračenja kroz neku sredinu dolazi do smanjenja intenziteta upadnog snopa zračenja. Fizički procesi koji dovode do slabljenja intenziteta zračenja su: apsorpcija, rezonancija, fluorescencija (fosforescencija), refleksija i rasipanje svetlosti.

Primenjujući zakon o održanju energije, možemo napisati: gde je: I 0 -intenzitet upadnog zračenja Ia -intenzitet apsorbovanog zračenja Ip -intenzitet propuštenog zračenja -označava zbir intenziteta reflektovanog, rasutog, rezonantnog i fluoroscentnog (fosforescentnog) zračenja

Određenim eksperimentalnim tehnikama reflektovano, rezonantno, rasuto i fluoroscentno zračenje mogu se svesti na zanemarljivo malu meru Prolazak zračenja kroz providnu supstancu. I 0 -upadno, Ippropušteno i Ir- reflektovano zračenje

Smanjenje intenziteta zračenja u sloju supstance debljine db, srazmerno je intenzitetu zračenja u tom sloju i debljine sloja: k‘ je faktor proporcionalnosti i zavisi od talasne dužine zračenja, i temperature za datu optičku sredinu Integraljenjem gornje jednačine uzimajući u obzir da je pri b=0, I=I 0

Uvodeći novu konstantu dobijamo

Ova jednačina predstavlja opšti zakon smanjenja intenziteta zračenja u sloju transparentne supstance, debljine b i naziva se Lambertov zakon Ovaj zakon je univerzalan i važi za gasove, tečnosti, rastvore i transparentna čvrsta tela U opštem slučaju rastvori apsorbuju selektivno, odnosno zračenje različetih talasnih dužina se nejednako apsorbuje

Rastvorena supstanca koja apsorbuje zračenje određene talasne dužine dovodi do smanjenja intenziteta snopa upadnog zračenja Ovo smanjenje je srazmerno broju čestica u jedinici zapremine rastvora, odnosno koncentraciji Povećanje koncentracije rastvora ekvivalentno je povećanju debljine sloja kroz koji prolazi elektromagnetno zračenje

Na taj način koeficijent u Lambertovom zakonu postaje srazmeran koncentraciji: a je koeficijent i ne zavisi od koncentracije rastvora, već samo od prirode rastvorene supstance, talasne dužine i temperature logaritmovanjem ove jednačine dobijamo:

Umesto transparencije je uvedena nova veličina, apsorbanca A, koja je jednaka:

Ova jednačina je poznata kao Lambert-Beerov zakon Debljina sloja b se najčešće izražava u centimetrima, a koncentracija c u mol/dm 3 Konstanta proporcionalnosti a (predstavlja efikasan presek za sudare fotona sa molekulima rastvorene supstance) naziva se molarni apsortivitet i ima dimenziju dm 3 mol-1 cm-1

Molarna apsorptivnost je jednaka apsorbanci rastvora jedinične koncentracije i jedinične debljine sloja i može se definisati kao recipročna vrednost debljine sloja koja početni intenzitet zračenja smanjuje za 10 puta Odnos A i T

U rastvoru koji sadrži više komponenti, koje apsorbuju elektromagnetno zračenje date talasne dužine, koje međusobno ne reaguju, apsorbanca rastvora jednaka je zbiru apsorbanci pojedinačnih komponenti: Apsorbanca je aditivna veličina

Aditivnost apsorbance je veoma važna osobina koja omogućava raznovrsna određivanja Grafički prikaz molarne apsorptivnosti od talasne dužine zračenja (ili frekvence) za konstantnu debljinu sloja, koncentraciju i temperaturu naziva se apsorpcioni spektar supstance

Apsorbanca neorganskih jedinjenja d-d prelazi

Deo vidljivog apsorpcoinig spektra 1, 2, 4, 5 -tetrazina

U parnom satnju (a) su pojedinačni molekuli dovoljno udaljeni i mogu slobodno vibrirati i rotirati. Očigledno je prisustvo mnogih apsorpcionih linija koji su rezultat mnogih vibracionih i rotacionih stanja U kondenzovanom stanju ili u rastvoru se smanjuje slobodna rotacija pa nestaju linije zbog razlike rotacionih energetskih nivoa.

U prisustvu rastvarača se menjaju energije različitih vibracionih nivoa Energija određenog stanja poprima u molekulskom okruženju Gausovsku raspodelu na šta ukazuju široke linije (naročito polarni rastvarači) Apsorpcioni spektri predstavljaju kvantitativnu i kvalitativnu karakteristiku date supstance

Na osnovu izgleda apsorpcionog spektra, odnosno traka i pikova u UV, Vis i IC oblasti, može se utvrditi prisustvo određenih hromofora u molekulu ispitivane supstance (najčešće su to organski molekuli) UV i Vis spektri neorganskih supstanci (nemaju karakterističan spektar) i imaju široke trake, a kvalitativna analiza se izvodi određivanjem molarnog apsorpcionog koeficijenata na određenoj talasnoj dužini i upoređivanjem sa literatunim podacima.

Prilikom izvođenja Lambert-Beerovog zakona pretpostavilo se da molarni apsortivitet ne zavisi od koncentracije (razblaženja, p. H itd. ) Međutim to uvek nije slučaj jer se neke supstance prilikom razblaženja rastvora ili prisustva drugih supstanci delimično razlažu uz nastajanje novih supstanci sa drugačijim apsorpcionim karakteristikama

U tim slučajevima dolazi do odstupanja od linearnosti odnosno Lambert-Beerovog zakona koja mogu biti pozitivna i negativna, u zavisnosti od položaje eksperimentalno dobijene krive A=f(c), u zavisnosti na teorijsku pravu liniju Odstupanja od Lambert-Beerovog zakona

Apsorpcioni spektar KMn. O 4 Ova dostupanja mogu biti uslovljena hemijskim osobinama analiziranih rastvora i uslovima merenja (instrumentalna) apsorabce

Apsorbanca zavisi od talasne dužine tako da u zavisnosti od širine spektralne oblasti koja se propušta kroz analiziranu supstancu, dobiće se za istu koncentraciju rastvora, različiti molarni apsortiviteti Ako za merenje rastvora KMn. O 4 koristimo zeleni filter sa propustljivosti od 480 -570 nm, vrednost molarne apsortivnosti je 1700 -1800 dm 3/mol cm

Ako koristimo monohromator koji propušta traku širine BE dm 3/mol cm, sa kvalitetnijim monohromatorom širina trake je CD dm 3/mol cm.

Odstupanja od Lambert-Beerovog zakona usled odstupanja u vrednosti molarnog apsortiviteta

Hemijska odstupanja od Lambert-Beerovog zakona Uticaj promene p. H vrednosti U alkalnim rastvorima Cr(VI) postoji u obliku žutih hrmatnih jona ( max=366 nm) Sa opadanjem p. H hromatni jon se protonuje uz građenje HCr. O 4 - jonova koji se dalje dimerizuju

Kao rezultat nastaju dihromatni joni koji su obojeni narandžasto ( max=349 nm): Cr. O 42 - + H+ HCr. O 4 - + H+ H 2 Cr. O 4 2 HCr. O 4 - Cr 2 O 72 - + H+ Cr 2 O 72 - + H 2 O HCr 2 O 7 -

Uticaj disocijacije Pikrinska kiselina (bezbojna) pikratni jon (žut) Uticaj hidrolize Fe 3+ + H 2 O (bezbojan) Fe. OH 2+ + H+ (žuto-mrk)

Obrazovanje kompleksa Do odstupanaj od Lambert-Beerovog zakona dovodi obrazovanje kompleksa prilikom razblaživanja ili koncentrovanja rastvora. Cu(NH 3)4 2+ + H 2 O Cu(NH 3)3(H 2 O) 2+ + NH 3 Cu(NH 3)3(H 2 O) 2+ + H 2 O Cu(NH 3)2(H 2 O)2 2+ + NH 3 Prilikom razblaženja rastvora tertaamin-bakra(II) boja bledi usled formiranja triamin-bakra(II) i diamin -bakra(II) jon

Uticaj ometajućih supstanci Odstupanja od Lambert-Beerovog zakona mogu biti prouzrokovana prisustvom različitih ometajućih supstanci u rastvoru ispitivane obojene supstance Ovaj uticaj se ispoljva u sledećim oblicima: Ometajuća supstanca je obojena Obično se bira talasna dužina gde omatajuća supstanca ne apsorbuje a analizirajuća supstanca ima maksimum apsorpcije.

Ukoliko je to neizvodljivo izvodi se odvajanje nekim hemijskim ili fizičkim postupkom Ometajuća supstanca reaguje sa dodatim reagensom Analizirana supstanca je uglavnom bezbojna i da bi se ona odredila dodaje se određeni reagens koji sa analiziranom supstancom daje obojeno jedinjenje Ukoliko ometajuća supstanca reaguje sa reagensom boja rastvora ogovaraće mešavini analizirane i ometajuće supstance

Ometajuća supstanca utiče na boju analizirane supstance Uzimajući u obzir da je priroda ovog uticaja često potpuno nepoznata, ovo je najsloženiji slučaj koji može da nastupi Ovaj uticaj može biti povezan sa promenom jonske jačine ili sa obrazovanjem složenih kompleksa čiji se sastav menja prilikom promene koncentracije ometajuće supstance, p. H itd. Ometajuća supstanca mora da se odstrani iz rastvora

Uticaj koncentracije dodatog reagensa Intanzitet boje analizirane supstance može da zavisi od količine dodatog reagensa ili čak od redosleda dodavanja reagenasa. Primer je određivanje Fe(III) obrazovanjem tiocijanatnog kompleksa Sa porastom koncentracije tiocijanata apsorptivnost raste do određene granica a posle toga dodati reagens nema nikakav uticaj

Uticaj koncentracije analizirane supstance Pri višim koncentracijama analizirane supstance dolazi do pojave zavisnosti a od c i Lambert. Beerov zakon se ne može više primeniti

TAČNOST KOLORIMETRIJSKIH I SPEKTROFOTO-METRIJSKIH METODA Relativna greška kolorimetrijskih i spektrofotometrijskih metoda se može izračunati na osnovu Lambert-Beerovog zakona diferencijaljenjem jednačine Beerovog zakona po koncentraciji i apsorbanci, odnosno transparenciji. Na osnovu ovih razmatranja dolazi se do zaključka da je greška apsorbance A od T(%) ima oblik parabole sa temenom na T=37%

Levo i desno od ove vrednosti greška se malo menja, ali prelasku sa male (T 15% A 0, 8) i velike (T 65%, A 0, 2) vrednosti transparencije, relativna greška jako raste

Zbog ovoga je potrebno, bilo promenom intenziteta upadnog zračenja ili promenom intenziteta propuštene svetlosti (koncentrovanjem, razblaženjem) podesiti da T leži u oblasti male relativne greške (A= 0, 2 do 0, 8 a kod novih aparata do A= 1, 9 ).