Optické metody

Optické a separační metodyObsah přednášky UV-VIS spektroskopie

Vibrační spektroskopie

UV-VIS spektrometrie

UV-VIS spektrometrie

Molekulová spektroskopie Interakce elektronů v molekulách UV – ultrafialová oblast (200 – 400 nm) VIS – viditelná oblast (400 – 800 nm) Princip:

primární záření (190 – 800 nm) je absorbováno zředěnými roztoky molekul látky

Pásová spektra

UV-VIS spektrometrie

Abs. barva Vnímaná barva (doplňková)

400-435 nm fialová žlutozelená

435-480 nm modrá žlutá

500-560 nm zelená červená

620-760 nm červená zelená

UV-VIS spektroskopieSloučeniny bez chromoforů Jednoduché vazby (C-C, C-H)

Sigma orbitaly

Neabsorbují v UV-VIS oblasti

Voda, n-hexan, ethanol ad. - použití jako rozpouštědla

UV-VIS spektroskopieSloučeniny s jednoduchými chromofory

Valenční elektrony v π orbitalech - organika Vazby C=C, C=O, N=N, N=O Maximální absorbance na vlnové délce v závislosti

na typu chromoforu C=O 280 nm C=N 300 nm N=N 350 nm C=S 500 nm N=O 650 nm

Vliv substituentu Vliv rozpouštědla

UV-VIS spektroskopieAromatické sloučeniny

Konjugované π systémy

Spektra obsahují charakteristické pásy nad

200 nm

Benzen a jeho deriváty, naftalen a

polykondenzované uhlovodíky, jejich

deriváty, heterocykly

Absorpce v UV

UV-VIS spektroskopieDonor-akceptorové pásy, komplexy přechodných kovů

Donor-akceptorové pásy Široké a intenzivní pásy Komplexy jódu s donory jako alkoholy nebo

aminy, anorganické komplexy (PbI+, FeSCN2+, Me(H2O)n

2+)

Komplexy přechodných kovů Slabé pásy nad 300 nm Typické zbarvení roztoků iontů nebo krystalů

UV-VIS spektroskopieLambert-Beerův zákon

I0 = Ia + I

A = log I0/I = -log T [%]

I = I0 . 10-ax …….Bouguerův zákon

I/I0 = 10-ax = T

UV-VIS spektroskopieLambert-Beerův zákon A = ε . l . c

ε – molární absorpční koeficient l – délka absorpčního prostředí c - koncentrace

A = -log T [%]

UV-VIS spektroskopieInstrumentace

UV-VIS spektroskopieInstrumentace Zdroj

Deuteriová výbojka Wolframová žárovka

Kyvety Skleněné Křemenné Průtočné

UV-VIS spektroskopieAplikace Stanovení kovů

Barevné komplexy Dithizon (difenylthiokarbazon) – Hg, Cd, Co, Cu 1,10 – fenantrolin – Fe, Ag, Co Dimethyldioxim – Ni, Mo, Fe

Stanovení organických látek Převedení na barevnou sloučeninu (činidla) Hodnocení čistoty org. látek (tabelovaná spektra) Kontinuální měření absorpce (kontrola čistoty) Studium chemických rovnováh Stanovení disociačních konstant kyselin a zásad Stanovení stechiometrie komplexů Spektrofotometrické detektory u separačních metod

Vibrační spektrometrie

Vibrační spektrometrie

Rotačně-vibrační přechody Molekulová spektrometrie

Infračervená spektrometrie Absorpce záření

Ramanova spektrometrie Rozptyl záření

Infračervená spektrometrie

Infračervená spektroskopie (IR, IČ)

Interakce s molekulami látek Rotační a vibrační energie molekul Vlnové délky > 800 nm Pásová spektra Dělení IR oblasti

Blízká (NIR): 12500 – 4000 cm-1, 800 – 25000 nm Střední (MIR): 4000 – 400 cm-1, 25000 – 250000 nm Vzdálená (FIR): 400 – 10 cm-1, 250000 – 1000000 nm

IR spektroskopie

K

2

1 K ... silová konstanta vazby ... redukovaná hmotnost molekuly

2121 mmmm

Harmonický oscilátor Anharmonický oscilátor

IR spektroskopieTypy vibračních přechodů Přechody fundamentální:

základní energetická hladina 1. excitovaná hladina

Vyšší harmonické – overtonyzákladní energ. Hladina 2. nebo 3. excitovaná hladina

Horké přechody1. excitovaná hladina vyšší excitované hladiny

Za normálních podmínek se téměř nevyskytují

IR spektroskopieVýběrové pravidlo Schopnost absorbovat IČ závisí na struktuře

molekuly Zvýšení vnitřní energie absorpcí je možná jen

v případě, že dojde ke změně elektrického dipólu molekuly.

Ke změně dipólmomentu dochází u asymetrických molekul Asymetrické molekuly aktivní v IČ (HCl) Symetrické molekuly neaktivní (N2,O2) nebo

mnohem méně aktivní (CO2)

IR spektroskopieVibrace víceatomových molekul Počty stupňů volnosti – počty možných

vibrací Lineární molekuly: 3N – 5 (2 transl. 3 rot. osy) Nelineární molekuly: 3N – 6 (3 transl. 3 rot. osy)

Dělení vibrací Valenční Deformační

a)-symetrická valenční, b)-asymetrická valenční, c)- symetrická deformační rovinná (nůžková), d)-asymetrická deformační rovinná (kývavá), e)-symetrická deformační mimorovinná (vějířová), f)-asymetrická deformační mimorovinná (torzní)

IR spektroskopieSpektrum

Závislost absorpce záření na vlnočtu Nejčastěji se měří v MIR – fundamentální

vibrace, a první harmonické (overtony) 2 oblasti

Oblast otisku palce – projev vibrace a rotace molekuly jako celku (1500 – 400 cm-1)

Oblast charakteristických vibrací (4000 – 1500 cm-1)

IR spektroskopieInstrumentace

Disperzní IRFT IR

Michelsonův interferometr

IR spektroskopieInstrumentace Nastavení zrcadel interferometru: He-Ne

laser Zdroje záření

Pevná látka zahřívaná průchodem proudu - Globar

Detektory Termočlánek (deuterovaný triglycinsulfát,

merkurokademnatý telurit) Golayův pneumatický detektor

IR spektroskopieVzorky a techniky měření Vzorky – pevné, kapalné i plynné Techniky

Průchodové techniky KBr Tableta Nujolová suspenze Kapalinové a plynové kyvety

Reflexní techniky ATR – attenuated total reflectance (zeslabená totální

reflexe) DRIFT – Difúzní reflexe

IR spektroskopieAplikace Strukturní analýza organických látek Kontrola čistoty látek Prakticky neexistují 2 sloučeniny s totožným

spektrem – knihovny spekter Jednotlivé skupiny se projevují ve spektru

podobně – kvalita – přítomnost skupin v molekule

Stanovení NEL

Ramanova spektrometrie

Ramanova spektrometrie

Vibrační děje v molekule Generováno na základě rozptylu Zdrojové záření

VIS NIR UV

Ramanova spektrometrie

Ramanův rozptyl Přechod molekuly na virtuální vibrační hladinu Okamžitý pokles na vyšší vibrační hladinu

Fluorescence

Majoritní část záření Absorpce, fluorescence

Ramanova spektrometrieTypy Ramanova rozptylu Rayleighův rozptyl

Zachování vlnové délky

Změna vlnové délky 1923 – Smekal – teoreticky 1928 - Chandrasekhara Venkata Raman –

prakticky 1930 – Nobelova cena za fyziku

Ramanova spektrometrie

Vznik Ramanova rozptylu

Ramanova spektrometrieVýběrové pravidlo

Změna dipólového momentu

Velikost indukovaného dipólmomentu přímo úměrná intenzitě elektrické složky použitého záření (µ = αε)

α – polarizovatelnost

Ramanova spektrometrie

Výběrové pravidlo

Pro výskyt pásů v Ramanově spektru je nutná nenulová změna polarizovatelnosti dané vazby (dα/dr)

Symetrické molekuly mnohem aktivnější v Ramanově spektru než asymetrické

Molekuly se středem symetrie Princip alternativního zákazu

Ramanova spektrometrie

Disperzní přístroje

Zdroj záření Vzorkový prostor Filtr Monochromátor/

polychromátor Detektor

Ramanova spektrometrie Striktně monochromatické intenzivní budící

záření Lasery

Laditelné S pevnou vlnovou délkou Kontinuální Pulsní

Ramanova spektrometrie

Vzorkový prostor

Optimální konstrukce pro maximální zisk rozptýleného záření

Různé úhly zachycování záření 0° 90° 180°

Ramanova spektrometrie Monochromátor

Co nejkvalitnější Dvojitá až trojitá holografická mřížka Konkávní mřížka

Detektory Viditelná oblast – nenáročné Fotonásobiče

Jednokanálová detekce Skenovací přístroje

Plošné polovodičové detektory (CCD) Polychromátory Vícekanálová detekce

Ramanova spektrometrie

FT přístroje

Často nástavce pro FTIR Budící záření v NIR oblasti Nd-YAG laser Většinou 90° uspořádání Navíc He-Ne laser NIR detektory

Ramanova spektrometrie

Srovnání disperzních a FT přístrojů

Výběr závisí na požadované aplikaci Disperzní jsou dražší NIR laser pro FT má nižší intenzitu, ale

nedochází k fluorescenci Pokročilé metody vyžadují VIS oblast –

disperzní přístroje

Ramanova spektrometrieMěřící techniky

Kapalné vzorky skleněné/křemenné kyvely Tyndalův efekt

Pevné látky Skleněné kapiláry Kovové kalíšky KBr tablety Držáky pro filmy ad.

Plyny – velmi obtížné

Ramanova spektrometrie

Ramanská spektra podobná infračerveným Ostřejší pásy Symetrické části molekul

Vzorky podobné IR spektrometrii

Vibrační spektroskopie

Přístroje FTIR

Vibrační spektroskopie

Přístroje Raman

Vibrační spektroskopie

A co dál?

Pro dnešek vše