KYM 342 ENSTRMENTAL ANALZ SPEKTROSKOPK YNTEMLER uvvis 2017

KYM 342 ENSTRÜMENTAL ANALİZ SPEKTROSKOPİK YÖNTEMLER uv-vis 2017 -2018 Bahar Yarıyılı Prof. Dr. Afife GÜVENÇ 1

UV-VIS SPEKTROSKOPİSİNİN UYGULAMA ALANLARI Yapı Analizi : Yapıda bir kromofor grubun olup olmadığının belirlenmesi, molekülün stereoyapısının belirlenmesi Nitel (kalitatif) Analiz : Bilinmeyen bir madde, literatürdeki spektrumlarla karşılaştırılarak bulunabilir. Ancak UV’nin bu amaçla kullanımı pek yaygın değildir. Saflık Analizi : Bir maddenin saflığı, spektrumundaki piklerin orijinal spek-trumdaki piklerle karşılaştırılmasıyla kontrol edilebilir. Nicel (kantitatif) Analiz : Bir karışımdaki bir bileşiğin derişimi, karışımın ve saf bileşiğin pik yükseklikleri karşılaştırılarak bulunabilir. * Tepkime kinetiğinin incelenmesinde * Kompleks yapının aydınlatılmasında * Zayıf asit ve bazların p. Ka ve p. Kb değerlerinin incelenmesinde * Molekül ağırlığı tayininde 2

IŞIN ABSORPSİYON YASALARI Geçirgen (şeffaf) bir kap içinde bulunan bir çözeltiye belli bir doğrultuda bir ışın demeti gönderilirse, bu ışın demetinin aynı doğrultuda çözeltiyi terkederken gücü azalır. Bunun nedeni ise, çözeltiden geçerken ışın demetinin bir kısmı absorplanır, bir kısmı dağıtılır, bir kısmı ise yansır. Io = I + Ia + Id + Iy Io I Ia Id Iy Gelen ışın şiddeti Geçen ışın şiddeti Absorplanan ışın şiddeti Dağılan ışın şiddeti Yansıyan ışın şiddeti Io = I + I a + I d + I y Io = I + I a 3

LAMBERT-BEER KANUNU Lambert Io şiddetinde monokromatik bir ışın demeti dx kalınlığında bir çözelti üzerine gönderildiğinde ışın şiddetinde meydana gelen azalma (soğurulma) için şu eşitlik önerilmiştir: -d. I = k’ I dx Sınır koşulları : x = 0 x=b Çözüm : I = Io I=I ln Io/I = k’ b (1) 4

Beer Işın şiddetindeki azalmanın derişime bağlılığı ise sabit dalga boyunda ve sabit kalınlıkta çözelti için şu eşitlik önerilmiştir: -d. I = k’ I d. C Sınır koşulları : C = 0 C=C Çözüm : I = Io I=I ln Io/I = k’ C (2) 5

10 tabanına göre logaritmaya geçilirse; Absorbans : A = log Io/I = a b C a = orantı katsayısı (4) Geçirgenlik : (Tranmitans) (5) (6) (4) eşitliğinde T = I / Io A = log (1/T) = -log. T a = 2. 303 tanımlanırsa; Lambert-Beer Kanunu A = log Io/I = b C ( : sbt) 6

Lambert-Beer Kanunu A = log Io/I = b C ( : sbt) b : ışının absorpsiyon ortamında aldığı yol (cm) C : absorpsiyon yapan maddenin derişimi (g/L ya da mol/L) 7

s : spesifik absorptivite katsayısı m : molar absorptivite katsayısı m = s / MA 0 (b: cm , C : mol/L) (madde cinsine ve dalga boyuna bağlı sabit) Geçirgenlik(T), % 100 Absorbans (b: cm , C : g/L ) 0. 05 80 60 0. 1 40 0. 3 0. 5 20 0 1. 0 2. 0 8

Geçirgenlik 100 60 T = 10 0 Geçirgenlik - b C Derişim üstel ilişki Derişim 9

Absorbans + sapma - sapma A = b C 0 Derişim 0 Absorbans üstel ilişki Derişim 10

LAMBERT-BEER KANUNUNDAN SAPMALAR Cihazdan gelen sapmalar Kimyasal sapmalar Cihazdan gelen sapmalar: Lambert-Beer Kanunu monokromatik ışın için geçerlidir. Ancak, uygulamalarda bu tip ışın elde edilmesi çok zordur. ve ’ dalga boylarında gelen ışınlara ayrı Lambert. Beer Kanunu uygulanırsa: b. C log (Io’/I’) = A’ = ’ b C log (Io/I) = A = Gelen dalgaların toplam gücü Absorplanmış ışının toplam gücü Birleşik Absorbans ya da ( daki absorpsiyon) ( ’ deki absorpsiyon) : Io + Io’ : I + I’ : AC = log [(Io + Io’)/(I + I’)] 11

AC = log ! (Io + Io’) [ Io 10 - b C + Io’ 10 - ’ b C ] Polikromatik ışın demeti için absorbans ile derişim arasındaki ilişki doğrusal değildir. Ayrıca; Cihaza gelen potansiyelin düzgün olmaması Işın kaynağının iyi çalışmaması Dedektörün iyi çalışmaması Kaçan ışınlar Slit aralığının iyi ayarlanamaması 12

Kimyasal sapmalar Analiz sırasında örnek çözeltide meydana gelebilecek; Assosyasyon Dissosyasyon İyonlaşma Polimerizasyon Kompleksleşme p. H ayarlanması Çözücü cinsi Sıcaklık gibi değişimler sapmanın başlıca nedenleridir 13

İyonlaşma : C 6 H 5 COOH + H 2 O ( max = 273 nm) C 6 H 5 COO- + H 3 O+ Benzoik asit ( max = 268 nm) Yüksek derişimlerde, tanecikler birbirlerinin yük dağılımlarını etkileyerek absorbans özelliklerini de değiştirirler. Absorbans 0. 20. 9 aralığında olacak şekilde çalışılırsa hata azalır. Sıcaklık, iyon dengesini değiştirdiği gibi iyonların absorbans verdikleri dalga boyunu da değiştiren bir etkendir. Çözücü cinsi de, batokromik ya da hipsokromik kaymalar gibi etkilerle maddenin absorbans yaptığı dalga boyunu değiştirebilir. Ayrıca, Çözeltide kabarcık ya da katı madde olması Örnek kabının kirli ve çizik olması maddenin absorbans yaptığı dalga boyunu değiştirebilir. 14

SPEKTROFOTOMETRELER Işın Kaynağı Monokromatör ya da Filtre Örnek Dedektör Kaydedici Spektrofotometrenin Birimleri 15

Işın Kaynağı Tekrarlanabilir sonuçların elde edilebilmesi için yaptığı yayınım şiddeti zamanla değişmemelidir. Spektrumun geniş bir aralığında aynı enerjili yayınım yapmalıdır. Kullanılan ışın kaynakları : Yüksek sıcaklıklara ısıtılmış siyah cisim Gaz boşalım lambaları Siyah cisim : Bir cisim yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılırsa sürekli bir spektrum yayar. En uygun ışın yayıcı siyah cisimdir. 16

Gaz boşalım lambaları * Düşük basınçlı gaz içeren özel tüplerdeki elektrotlara yüksek elektriksel gerilim uygulanır. Tüplerde elektron deşarjı olur; atomlara çarpan elektronlar enerjilerini onlara geçirirler, böylece uyarılmış atomlar oluşur. Bunlar temel hale dönerken üzerlerine aldıkları enerjiyi ışıma enerjisi olarak geri verirler. * Bu lambalardan tek dalga boyunda monokromatik ışın elde edilir. * Bazı lambalarda ise, her dalga boyunu içeren sürekli spektrum elde edilir. Bu lambalarda elektron boşalımı atomları uyarmakla kalmaz aynı zamanda iyonlaştırır. İyonlar potansiyel farkı nedeniyle kinetik enerji kazanırlar. Sürekli olan bu enerjinin kaybedilmesi sırasında, yayılan ışın belli aralıkta her dalga boyunu içerir. 17

Tablo 6. Bazı lamba ve siyah cisim türleri n Lamba Yayınım yaptığı dalga boyu aralığı ( , nm) Hidrojen boşalım 185 -375 Döteryum boşalım 185 -400 Halojenli tungsten 250 -2 000 Tungsten Işın şiddeti Zayıf, 360 nm için kullanılmamalı Aynı koşullarda hidrojen lambasından daha şiddetli Ön penceresi kuvars olmalı 320 -2 500 400 -1200 nm arası çok şiddetli Nerst çubuğu 1 000 -35 000 10 000 nm üzerinde zayıf Glober çubuğu 1 000 -50 000 18

IR bölge 1500 K’e ısıtılan çubuklar VIS bölge 2000 -3000 K’e ısıtılan tungsten tel içeren lambalar UV bölge hidrojen lambası, argon lambası UV-VIS bölge ksenon lambası 19

Spektrofotometrik çalışmalarda MONOKROMATİK (tek dalga boylu) ışın ile çalışılmak istenir. Ancak, kaynaklardan elde edilen ışın POLİKROMATİKtir. Bu nedenle özel bir düzenekle belli dalga boylarının seçilmesi gereklidir. 20

Filtreler Elektromagnetik ışımanın bazı dalga boylarını absorplayıp, çalışma alanına giren dalga boylarını seçimli olarak geçirirler. Ancak, monokromatik ışın elde edilemez, belli dalga boylarındaki demetler elde edilir. Filtrelerin özelikleri : En fazla geçirdiği dalga boyunu geçirme yüzdesi Geçirdiği bandın genişliği (en fazla geçirdiği dalga boyunun geçirgenliğinin % 50 sine eşit şiddette geçirdiği dalga boyları arasındaki genişlik) Imax ……………. . Imax/2 ……………. . Bant genişliği 21

Absorpsiyon filtreleri : Görünür bölgede (VIS) kullanılan bant genişliği büyük ( 50 nm) ve geçirgenliği küçük ( % 10 -30) filtrelerdir. Girişim filtreleri : UV, VIS ve 14 nm’ye kadar IR için kullanılabilen bant genişliği daha küçük ( 10 nm) ve geçirgenliği daha büyük (%70) filtrelerdir 22

Monokromatörler Çeşitli dalga boylarından oluşan ışın demetini bir yarıktan geçirerek tek dalga boylu demetler haline getiren düzenektir. İki gruba ayrılır: Prizmalar A B Kırınım ağları (optik ağlar) C 1 2 B’ 1 D 2 A B, B’ : giriş aralığı (slit) : mercek C : prizma D : çıkış aralığı 23

Prizmalar Yüksek kırılma indisli geçirgen maddelerden yapılmış düzeneklerdir. Geçirgen kırınım ağları (düz bir cam ya da geçirgen düz bir levha) Kırınım ağları Örnek Yansıtmalı kırınım ağları ( parlak ve cilalı bir metal) (en çok kullanılan) : Gaz, katı ya da sıvı olabilir. Örnek kapları : Cam Plastik Kuvarz Görünür bölge UV 24

Dedektörler : Işımanın gücündeki değişmeleri ölçmek amacıyla kullanılan, ışıma enerjisini elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Dedektörlerin özelikleri : Cevap süresi kısa olmalıdır. Geniş bir spektrum aralığında hassas olmalıdır. Yüksek verimle çalışmalıdır. Parazit elektrik akımları olmamalıdır. Elde edilen sinyalin şiddeti dedektöre gelen ışının gücüyle orantılı olmalıdır 25

Dedektör tipleri Fotovoltaik Hücreler: 350 -750 nm dalga boylu ışınlar için uygundur. Fototüpler : Katot ve anottan oluşmuştur. Sezyum katot 1000 nm’den küçük, sodyum katot ise 500 nm’den küçük dalga boylu ışınlara duyarlıdır. Fotomultiplikatörler : Düşük güçlü ışınların ölçülmesinde kullanılırlar. Termoçiftler : IR bölgede kullanılır, ısı enerjisi ölçümüne dayanır. Bolometreler : IR bölgede kullanılır, direncin sıcaklıkla deişimini ölçerler. Golay cihazları : IR bölgede kullanılır, Ksenon gazı içerir. 26

UV SPEKTROFOTOMETRELERİ UV – VIS Spektrofotometreleri =200 -1000 nm aralığında çalışır. Işın kaynağı : Düşük basınç ve gerilimde çalışan Hidrojen ya da döteryum boşalım lambaları (UV) =180 -400 nm aralığını içeren ışınlar yayarlar Tungsten ya da halojenli tungsten gibi akkor flaman lambalar 350 nm ve 2. 5 m’ye kadar ışınlar yayarlar (yakın IR) Tek Işın Demetli Spektrofotometreler Çift Işın Demetli Spektrofotometreler 27

Işın kaynağından dedektöre tek bir yol vardır. Maddenin maksimum absorbans yaptığı dalga boyunda örnek bölmesine referans çözelti (genellikle çözücü) konur. Cihazın 0 absorbans ya da % 100 geçirgenlik ayarı yapılır. Örnek bölmesine çözelti konur ve absorbans okunur. 28

toplayıcı ayna İki adet prizma vardır. Işın prizmalardan geçtikten sonra aynı güçte iki ışın demetine ayrılır; biri örnek üzerine giderken, diğeri referans çözeltiden geçer ve dedektöre ulaşır. Örnek ve çözücü absorbansları arasındaki fark kaydediciden okunur. 29

TEŞEKKÜRLER BAŞARILAR 30