APSORPCIJA ZRAČENJA - ffh.bg.ac.rs · PDF fileAPSORPCIJA ZRAČENJA Interakcija elektromagnetnog zračenja i materije • Lamber-Berov zakon • Boja supstancije Optička aktivnost

APSORPCIJA ZRAČENJA


Interakcija elektromagnetnog zračenja i materije

• Lamber-Berov zakon

• Boja supstancije

Optička aktivnost

• Hiralnost

• Optička rotacija

• Cirkularni dihroizam


Zakon održanja energije:

I0 = IA + IT + IR

refleksija

transparencija

apsorpcija

Grotus-Draperov zakon

RTAI

I

I

I

I

I RTA 000

1

FOTONI

fotoni ili talasni paketi energije

chhE

POLI- I MONOHROMATSKA SVETLOST

Polihromatska (bela) svetlost:

skup talasa različitih talasnih dužina.

Monohromatska svetlost:

skup talasa iste talasne dužine.

ELEKTROMATNETNI SPEKTAR

Ako elektromagnetno zračenje uredimo po talasnim dužinama,

rekvencijama ili energijama dobijamo elektromagnetni spektar.

ZRAČENJE I SPEKTROSKOPIJA

zračenje talasna dužina (m) prelazi

gama zraci 5 x 10-13 – 1.4 x 10-10 nuklearni

X-zraci 1 x 10-9 – 1 x 10-8 unutrašnji elektroni

UV- vidljiva 1.8 x 10-7 – 7.8 x 10-7 elektroni veza

infracrvena 7.8 x 10-7 – 3 x 10-4 molekulske

vibracije

mikrotalasna 7.5 x 10-4 – 3.75 x 10-3 molekulske rotacije E

VIDLJIVI DEO SPEKTRA

UV: 180 – 380 nm

VID: 380 – 780 nm

1 nm = 1·10-9 m

ATOMSKI ENERGETSKI NIVOI

Energetski novoi atoma vodonika

ATOMSKI EMISIONI SPEKTAR

linijski spektar

MOLEKULSKI ENERGETSKI NIVOI

rotacioni nivoi

vibracioni nivoi

elektronski

nivoi

energija

MOLEKULSKI EMISIONI SPEKTAR

LAMBER-BEROV ZAKON

Shematski prikaz jednostavnog spektrofotometra

Intenzitet zračenja I je energija koju snop zračenja nosi u jedinici

vremena po jediničnom prostornom uglu.

Transparencija: T = I / I0

disperzioni

element

izvor

svetlosti

detektor

svetlosti uzorak

I0 I

b

LAMBER-BEROV ZAKON

upadna

svetlost

propuštena

svetlost

rastvor koji

apsorbuje I I-dI

b

x=b x=0 dx

IcdxdI

– konstanta proporcionalnosti (ekstinkcioni koeficijent)

LAMBER-BEROV ZAKON

I

I

I

ITA

acbI

I

bcI

Idxc

I

dI

dxcIdI

bI

I

0

0

0

00

logloglog

10ln10lnlog

ln

0

a – molarni apsorpcioni koeficijent [dm3 mol-1 cm-1]

abcA

212121

21

loglogloglog AATTTTTA

TTT

LAMBER-BEROV ZAKON

Berov zakon:

Lamberov zakon:

Lamber-Berov zakon:

apsorpcioni spektar analitička prava

abcA

cA

bA

Fosfat u morskoj vodi

talasna duzina 880nm

y = 0.12078x - 0.00193

R2 = 0.99989

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

concentration uM

A

OGRANIČENJA BEROVOG ZAKONA

Realna

• velike koncentracije apsorbujuće vrste međusobno

reaguju

Hemijska

• analit disosije/asosuje ili reaguje sa rastvaračem

Instrumentalna

• = f(); većina izvora su polihromatski, a ne isključivo

monohromatski

• rasejana svetlost nastala refleksijom na monohromatoru

KVALITATIVNA ANALIZA

0I

IT

I

I

TA

0log

log

KMnO4

u

z

o

r

a

k

max – talasna dužina

na kojoj je maksimalno

I0 I



Prelazni metali su često obojeni zbog prelaza između d orbitala:

apsorbuju u vidljivoj oblasti; broj pikova, max i identifikuju

metalni jon i geometriju.


Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u

vezujućim orbitalama analita.

Mesta nezasićenih veza u oprganskim molekulima:

• dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) → *

• d →d prelazi u metalnim kompleksima

• metal d → ligand prelazi

KVANTITATIVNA ANALIZA (I)

Koristi se Lamber-Berova jednačina

• pripremiti rastvore analita

• meriti apsorbanciju na poznatim max (a) i b

• izračunati c.

Molarne apsorptivnosti nisu precizno poznate, stoga

ovakva izračunavanja nisu precizna.

abcA

KVANTITATIVNA ANALIZA (II)

Koristiti kalibracione krive – uobičajen metod

BOJA I STRUKTURA MOLEKULA

Boja supstancije je određena neapsorbovanim delom

kontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je

komplementaran apsorbovanom delu bele svetlosti.

VIDLJIVI SPEKTAR – 380-780 nm

KOMPLEMENTARNE BOJE

ako supstancija

ovde apsorbuje...

ovde se

javlja boja

KRUG BOJA

KOMPLEMENTARNE BOJE

primer

boja koja se

apsorbuje

boja koju vidimo

šargarepa plava narandžasta

laboratorijski

mantil

nijedna (sve se

reflektuje)

bela

voda

nijedna (sve se

propušta)

providna

lišće crvena zelena

blato sve se apsorbuje crna

RASTVORI HALOGENA U CCl4

Fluor apsorbuje u UV oblasti bezbojan

Hlor apsorbuje ljubičasto i plavo žuto zelen

Brom apsorbuje plavo i deo zelenog mrko crven

Jod apsorbuje zeleno roze ili purpuran


Atomi ili atomske grupe čija ekscitacija elektrona dovodi do

apsorpcije fotona nazivaju se hromoforama (njihovo prisustvo u

molekulu odgovorno je za boju supstancije):

• u organskim molekulima - atomske grupe sa dvostrukim i

trostrukim vezama (elektroni su labavije vezani)

• joni prelaznih metala, kao i nespareni elektroni u radikalima

predstavljaju hromofore.

MINERAL OBOJEN ZBOG APSORPCIJE METALNOG JONA

BOJA KOMPLEKSA PRELAZNIH METALA

Rubin

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Cr3+

Safir

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Fe2+ i Ti4+

Smaragd

Beril

AlSiO3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr3+

oktaedarski raspored gde metalni

centar ima koordinacioni broj 6

Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa

ligandima koje metali vezuju. Svi kompleksi sadrže Co(III) i

5 NH3.

Elektroni u prstenovima pokretljivi i apsorbuju svetlost.

Većina boja koje se koriste u industriji hrane su slične strukture

ALURA CRVENO – boja za hranu

KRISTALNO LJUBIČASTO

Molekul sa konjugovanim vezama.

C N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

Crystal Violet

(Intense Violet Color)

+ OHC N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

OH

Colorless Product


Uvođenjem auksohromnih grupa (donora elektrona) kao

što su OH, OR, OCH3, NH2 ili antiauksohromnih grupa

(akceptora elektrona) kao što su CN, CO, NO, dolazi do

promene položaja ili intenziteta apsorpcionog maksimuma.


Batohromni efekat (izazivaju ga auksohromne grupe): pomeranje

apsorpcionog maksimuma prema većim talasnim dužinama što

se postiže ubacivanjem nezasićenih konjugovanih grupa.

Hipsohromni efekat (izazivaju ga antiauksohromne grupe):

pomeranje apsorpcionog maksimuma prema kraćim talasnim

dužinama.

Hiperhromni efekat: povećanje apsorbancije apsorpcione trake

Hipohromni efekat: snižavanje apsorbancije apsorpcione trake.

OPTIČKA AKTIVNOST

ELEKTROMAGNETNO ZRAČENJE

Linearno polarizovan svetlosni talas - vektor električnog polja osciluje

uvek u jednoj ravni.

PRIRODNA SVETLOST

Prirodna svetlost se sastoji od velikog broja talasa, čiji su vektori

električnog (magnetnog) polja podjednako orijentisani u svim pravcima.

Ona je nepolarizovana i polihromatska.

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

Polarizacija se može dobiti od

nepolarizovanog zraka:

• selektivnom apsorpcijom

• refleksijom

• refrakcijom

POLARIZACIONI FILTER (apsorpcija)

Nepolarizovano EM

zračenje Horizontalno

polarizovana

komponenta je

apsorbovana.

Vertikalno

polarizovana

komponenta EM

zračenja prolazi.

BRUSTEROV UGAO (refleksija)

ri

ir

iri

ri

i

rrii

n

n

n

n

nn

arctg

tg

2sinsin

2

1

sinsin

DVOJNO PRELAMANJE

U KRISTALU KALCITA (refrakcija)


linearno polarizovano zračenje

cirkularno polarizovano zračenje

linearno polarizovano zračenje

cirkularno polarizovano zračenje



y

z x

y

z

y

z x

y

z

y

z x linearno polarizovano zračenje

levo cirkularno polarizovani talas

desno cirkularno polarizovani talas

OPTIČKA AKTIVNOST

Optički aktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan

polarizovane svetlosti

OPTIČKA AKTIVNOST

Optički aktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan

polarizovane svetlosti

L-komponenta (spora)

D - komponenta (brza)

vd

c

lnn

v

l

v

lt DL

LD

lnntc DL

22

SPECIFIČNA ROTACIJA

ugao rotacije

specifična rotacija čiste supstancije

specifična rotacija rastvora optički

aktivne supstancije (c - masena konc.)

molarna rotacija

DL nnl

2

l

lc

MM

OPTIČKA AKTIVNOST

Optički aktivne supstancije rotiraju ravan polarizacije polarizovane svetlosti

OPTIČKA AKTIVNOST

Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli

oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno od toga da li je

reč o L ili D obliku.

Koja je razlika između leve

i desne ruke?

Enantiomeri: ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom

HIRALNI MOLEKULI

Molekuli (kao i ruke) koji ne mogu da se rotacijom ili translatornim

pomeranjem poklope sa svojim ogledalskim likom su hiralni.

Luj Paster

Paster je došao do zaključka da se enantiomeri mogu

razlikovati/razdvojiti samo živim organizmima

OPTIČKA AKTIVNOST (HIRALNOST)

Neke supstancije obrću ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke

na satu (“desnogiri”) a neki u suprotnom smeru kazaljke na satu

(“levogiri”).

Optička aktivnost je otkrivena 1811 od strane Arago-a.

Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ili

kristalne rešetke. Zavisno od toga optička aktivnost može biti:

• permanantna kada se ova osobina ne gubi sa promenom

stanja date supstancije

• promenjljiva kada se optička aktivnost javlja samo

u kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji

OPTIČKA AKTIVNOST (HIRALNOST)

PROMENLJIVA OPTIČKA AKTIVNOST

Većina prirodnih materijala ne pokazuje hiralnost, ali oni koji to

pokazuju su optički aktivni (kvarc, natrijum hlorat, kalijum bromat).

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

Najčešće optička aktivnost molekula potiče od prisustva asimetričnog

atoma (atomi čije su valence asimetrično zaposednute, različitim

atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetrični ugljenikov

atom.

-hidroksipropionska kiselina


LEVOGIRI I DESNOGIRI MOLEKULI

Ključni molekuli života su skoro svi levogiri.

Molekuli “pogrešne ” hiralnosti mogu izazvati ozbiljne bolesti

(npr. talidimid) dok je drugi enantiomer bezopasan.


Inozit zbog asismetrije molekula takođe pokazuje optičku aktivnost.


Optičku altivnost pokazuju i sledeći asimetrični centri:

• Sistemi sa tetraedarskom strkuturom (koordinacioni broj je 4)

ako su vezani za različite atome ili atomske grupe, npr. atomi

kao: Si, N, P, S, Se, Te, Cr, Co, platinski metali, kompleksne

soli pojedinih metala (Cu, Pb, Co, Pd i Pt).

• Centralni katjon može imati i koordinacioni broj 6, a molekul

tada ima oktaedarsku strukturu.


Optički enantiomeri ili antipodi: dva oblika istog optički aktivnog

jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga.

Imaju identične hemijske osobine sem kada reaguju sa drugim hiralnim

jedinjenjima enantiomeri se mogu razlikovati u mirisu i biološkoj i

farmakološkoj aktivnosti, a samo jedan od enantiomera pokazuje ovu

aktivnost.

Sintetičke supstancije sadrže uvek oba enantiomera u istim količinama,

tako da je nagrađena smeša optički inaktivna i naziva se racematskom

smešom. Nasuprot tome reakcije u živim ćelijama kao rezultat daju

samo jedan enantiomer koji je biološki aktivan.

OPTIČKA AKTIVNOST

Optička aktivnost: supstancija interaguje različito sa levo i desno

cirkularno polarizovanom svetlošću, manifestujući dva različita

ali povezana fenomena:

1) Optička rotacija – posledica različitih indeksa prelamanja za

desno i levo cirkularno polarizovanu svetlost (nL nD).

2) Cirkularni dihroizam – posledica razlčitih molarnih

apsorpcionih koeficijenata za levo i desno cirkularno

polarizovanu svetlost (aL aD).

OPTIČKA ROTACIONA DISPERZIJA (ORD)

I CIRKULARNI DIHROIZAM (CD)

ORD – Spektar optičke rotacione disperzije je zavisnost

specifične rotacije od talasne dužine (posledica je zavisnosti

indeksa prelamanja od frekvencije tj. talasne dužine).

CD –. Spektar cirkularnog dihroizma je zavisnost (Id-Il) od

talasne dužine (razlika u apsorpciji desno i levo cirkularno

polarizovane svetlosti).

Koriste se za praćenje konformacionih promena, posebno

bioloških molekula.

CIRKULARNI DIHROIZAM

Snimanje apsorpcionog spektra cirkularno polarizovanom svetlošću:

crvena i zelena kriva se odnose na spektre snimljene levo i desno

cirkularno polarizovanom svetlošću, a plava kriva je njihova razlika.


Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički

aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično

polarizovanu svetlost.


Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički

aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično

polarizovanu svetlost.

CD se češće koristi od ORD za

ispitivanje biomolekula:

• bolja rezolucija

(ORD signal je proširen)

• veća osetljivost

• lakše za dešifrovanje

OPTIČKA ROTACIONA DISPERZIJA (ORD)

I CIRKULARNI DIHROIZAM (CD)

Documents

APSORPCIJA ZRAČENJA - ffh.bg.ac.rs · PDF fileAPSORPCIJA ZRAČENJA Interakcija elektromagnetnog zračenja i materije • Lamber-Berov zakon • Boja supstancije Optička aktivnost