Molekulska Spektroskopija

INSTRUMENTALNE METODE INSTRUMENTALNE METODE ANALITIČKE KEMIJEANALITIČKE KEMIJE

Milan Sak-BosnarOdjel za kemijuSveučilište Josipa Jurja Strossmayera u OsijekuUlica Cara Hadrijana 8/A31000 OsijekE-mail: [email protected]

mailto:[email protected]

SADRŽAJ1. Uvod Tipovi instrumenata za analizu Komponente instrumenta Kalibracija Značajke mjerenja Odnos signal-šum

2. Atomska spektroskopija Atomska apsorpcijska spektroskopija Atomska fluorescencijska spektroskopija Atomska emisijska spektrometrija Optička emisijska spektrometrija s induktivno spregnutom plazmom

3. Molekulska spektroskopija UV-Vis apsorpcijska spektrometrija Infracrvena spektrometrija Ramanova spektroskopija

SADRŽAJ4. Elektroanalitičke metode Potenciometrija Kulometrija Elektrogravimetrija Voltametrija

5. Kromatografske metode Principi kromatografije Plinska kromatografija Tekućinska kromatografija

Naslov (HR):

Određivanje nekih organskih kloro-kiselina atomskom apsorpcijskom spektrometrijom (AAS) nakon ekstrakcije njihovih ionskih asocijata sa dipiridilobakrom(II) ili fenantrolinobakrom(II) kompleksom

Title (EN):

Determination of Some Organic Chloro Acids by Atomic Absorption Spectrometry (AAS) after Extraction of Their Ion-Associates with the Dipyridylocopper(II) or Phenanthrolinocopper(II) Complex (Maja Barešić)

Authors: V. Stužka, Z. Ševčikova

Journal data: Chem. Papers 50 (1996) 12-14.

Struktura izlaganja seminarskog rada:

1.Sažetak2.Uvod3.Eksperimentalni dio4.Rezultati i rasprava5.Zaključci6.Reference (navesti najvažnije, na koje se referent poziva)

Ime i prezime: Maja Barešić

Naziv kolegija: Instrumentalne metode analitičke kemije

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Odjel za kemiju

Datum: 14.12.2015.

SEMINARSKI RAD

3. MOLEKULSKA SPEKTROSKOPIJA

Odjel za kemijuOdjel za kemiju

3. Molekulska spektroskopija

Temelji se na apsorpciji ultraljubičastog, vidljivog i infracrvenog zračenja od strane ispitivanih specija.

Široko se primjenjuje za identifikaciju i određivanje brojnih anorganskih i organskih vrsta.

Visible

©Gary Christian, Analytical Chemistry, 6th Ed. (Wiley)

Elektromagnetski spektar.

Vidljiv je samo mali dio elektromagnetskog spektra.

Pri spektrofotometrijskim metodama mjeri se apsorpcija zračenja od UV do dalekog infracrvenog područja (far IR)

UV = 200-380 nm

VIS = 280-780 nm

IR = 0.78 mm-300 mm

Odjel za kemijuOdjel za kemiju

Dijagram energetskih nivoa koji prikazuje energetske promjene uvjetovane apsorpcijom elektromagnetskog zračenja. E0 je elektronsko osnovno stanje; E1 je prvo pobuđeno elektronsko stanje

A – čiste rotacijske promjene ( daleka infracrvena oblast, far IR).

B – rotacijsko-vibracijske promjene (bliska infracrvena oblast, near IR).

C - rotacijsko-vibracijske-elektronske promjene (vidljivo i UV područje).

Svi ovi prijelazi su kvantizirani.


Apsorpcija zračenja: Fizikalne osnove

Apsorpcija se događa kada se energija sadržana u jednom fotonu apsorbira od strane jednog elektrona što rezultira njegovim prijelazom u pobuđeno stanje.

http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab1.htm

Budući da su energetski nivoi fotona i elektrona kvantizirani, dobiju se samo specifični dozvoljeni prijelazi.

~ 115 nm~ 200 – 400 nm

~ 150-250 nm

~ 400 - 700 nm

E=h (h = 6.626*10-34 J·s)

http://teaching.shu.ac.uk/hwb/chemistry/tutorials/molspec/uvvisab1.htm

Procesi UV-apsorpcije

• * i * prijelazi: visokoenergetski, high-energy, odvijaju se u vakuum-UV-području (max <150 nm). Rijetko se odvijaju u molekulskom UV-Vis području.

•n * i * prijelazi: nevezujući elektroni (usamljeni parovi), valna duljina (max) u području 150 – 250 nm.

•n * i * prijelazi: najuobičajeniji prijelazi u organskoj molekulskoj UV-Vis spektroskopiji, zastupljeni kod spojeva s usamljenim parovima elektrona i višestrukim vezama s max = 200-600 nm.

•Bilo koji od spomenutih prijelaza zahtijevaju da dolazni fotoni zadovoljavaju energetsku barijeru koja odgovara prijelazu iz osnovnog u pobuđeno stanje.

•Energije koje odgovaraju jednom fotonu od 300 nm su ca. 95 kcal/mol.

Apsorpcija: oblik linija (Lineshape)

h *

Očekuje se da apsorpcijski spektar izgleda kao na slici:

To se ipak ne događa ….

Absorption: Lineshape

Razlog je što molekule stalno rotiraju i vibriraju. Svako rotacijsko ili vibracijsko stanje pomalo mijenja energiju prijelaza.

Raspodjela takvih stanja je slučajna.

Stoga je i oblik linija apsorpcijskog spektra normalno distribuiran!


Absorption: Lineshape

Apsorpcija je aditivno svojstvo:Spektar je suma svih Gaussovih raspodjela koje se odnose na svaki prijelaz.


Efikasnost apsorpcije analita ovisi o:Prirodi analita,

Broju raspoloživih mikrostanja (microstates),

Prirodi otapala.

Efikasnost apsorpcije analita generalno ne ovisi o:

Ostalim otopljenim tvarima (niskih koncentracija),

Koncentraciji.

To čini apsorpcijsku spektroskopiju jednu od malog broja analitičkih metoda, gdje je intenzitet signala direktno proporcionalan koncentraciji.

Temperaturi (u razumnim granicama),

Apsorpcija: intenzitet

Tipičan VIS-apsorpcijski spektar (1 = uzorak; 2 = blank).

Elektronski prijelazi (pri većim energijama-kraćim valnim duljinama) superponirani su na rotacijske i vibracijske prijelaze.

Takovi mnogi diskretni prijelazi rezultiraju širokom vrpcom neraščlanjene fine strukture.

p (dvostruke ili trostruke veze) i n (vanjski omotač, outer shell) elektroni odgovorni su za većinu elektronskih prijelaza u UV i VIS području.


Spektrofotometar

Komponente spektrofotometra:

1. Izvor zračenja

2. Selektor valnih duljina (filteri, monokromatori)

3. Držač uzoraka (Sample container)

4. Detektor

5. Sustav za obradu i prikaz podataka

Jednosnopni i dvosnopni instrumenti (Single and double beam instruments)

UV-Vis instrumentacija

1616

1717

A single beam spectrophotometer

Wavelength selector

Polikromatsko zračenje iz izvora razdvaja se u uske vrpce (trake) valnih duljina (gotovo monokromatsko zračenje) pomoću selektora valnih duljina, prolazi kroz držač uzoraka, a propušteno zračenje, P, nakon uzorka mjeri se detektorom.

Kod jednosnopnog instrumenta (single beam instrument), zraka svjetlosti slijedi jedan put od izvora do monokromatora, do ćelije s uzorkom i konačno do detektora.

UV-Vis instrumentacija

Izvor zračenja

Grating

Rotiranjem rešetke mijenja se valna duljina koja prolazi kroz uzorak.

Razrez (slits)

Razrez

Uzorak

Fotocijev

Komponente jednosnopnog spektrofotometra

Ako je slijepa proba (blank) uzorak, mjeri se Po, u suprotnom mjeri se P.

Razdvaja bijelo svjetlo u različite boje.Detektira svjetlo i

mjeri intenzitet.

- Bijelo svjetlo konstantnog intenziteta

Dvosnopni spektrofotometar

Dva PM ulaza, razlika napona ide na pojačalo.

Kvarcne kivete (Matched quartz cuvettes),

Uzorak u otopini, ca. 10-5 M,

Sistem štiti PMT* od raspršenog svjetla,

D2 lampa-UV,

Volframova (Tungsten) lampa-Vis

Rotates, to achieve scan

*PMT (Photomultiplier tube), fotomultiplikatorska cijev

2020

Double Beam Spectrophotometer

Slit

Beam Chopper

Reference(Blank)

Mirror Mirror

Semi-transparentMirror

TungstenLamp Grating Photo-

multiplierQuartz Cuvette

Sample

Mirror

Schematic diagram of a double beam scanning spectrophotometer

Kod „double beam” sustava, svjetlo naizmjenično prolazi kroz uzorak i slijepu probu (the sample and reference, blank), usmjeravano rotirajućim ogledalom koje se sastoji od 2 polusektora (chopper), u i izvan svjetlosnog puta (light path).

Kad svjetlo prolazi kroz uzorak, detektor mjeri P. Kad sjeckač (chopper) usmjeri svjetlo kroz blank, detektor mjeri P0.

Svjetlosni zrak sjecka (chopped) se nekoliko puta u sekundi, a elektronički krug automatski uspoređuje P i P0 i izračunava Apsorbanciju ili Transmitanciju.

Prednosti double beam instrumenta u odnosu na single beam instrument

Single beam spektrofotometar nepovoljan je jer

1. Uzorak i blank moraju se naizmjenice stavljati u svjetlosni put.

2. Pri mjerenjima na više valnih duljina, blank se mora mjeriti na svakoj valnoj

duljini.

Kod double beam instrumenta:

1. Apsorpcija u uzorku automatski se korigira za apsorpciju slijepe probe.

2. Automatska korekcija promjena intenziteta izvora i promjena u odzivu

detektora s vremenom ili valnom duljinom, jer se dva zrake uspoređuju i

mjere u isto vrijeme.

3. Automatsko pretraživanje (scanning) i kontinuirano registriranje spektra

(Apsorbancija vs. Valna duljina).

Izvori zračenja

Izvori koji se koriste u UV-Vis spektrofotmetrima su kontinuirani izvori.

• Kontinuirani izvori emitiraju zračenje na svim valnim duljinama unutar spektralnog područja za koje se koriste.

• Izvori zračenja trebaju biti stabilni i velikog intenziteta.

Continuous Sources

Visible and near IR radiation

Ultravioletradiation

Deuterium Lamp200-400 nm

Tungsten Lamp320-2500 nm

UV/Visible Spectroscopy: Light Sources

Xenon, Mercury/Xenon

Čisti Xe ima širok emisijski spektar ~200 – 1200 nm

Xe/Hg spektar pomaknut je u plavo područje sa više snage u UV-području, koristi se često za sterilizaciju

UV/Visible Spectroscopy: Light Sources

Deuterij D2

D2 plin: pražnjenje pri kontaktu s visokonaponskom volframovom katodom,

Kontinuiran spektar od 150 nm ~ 370 nm,

Obično se koristi u sprezi sa volfram/halogen-izvorom, koji emitira vidljivi spektar.

2626

Selektori valnih duljinaIdealno bi bilo da izlaz iz selektora valnih duljina bude monokromatsko zračenje (single wavelength).

Nema idealnog selektora valnih duljina, obično se dobije vrpca (band) zračenja.

Što je uža širina vrpce, to su bolje performanse instrumenta.

Wavelength selectors

Filters Monochromators

Izvori zračenja koji se koriste emitiraju kontinuirani emisijski spektar. Ali potrebno je monokromatsko zračenje:

Czerny-Turner sustav (setup):

D je prizma ili difrakcijska rešetka (u novije vrijeme uvijek rešetka).

B i C postavljaju zrak koji je u beskonačnom fokusu.

E fokusira jednu valnu duljinu na razrez F.

Mogu se fokusirati različite valne duljine na F rotiranjem D ili E (gotovo uvijek D).

Monokromatori

2828

• Filteri dopuštaju određenim vrpcama valnih duljina (širina vrpce ~ 50 nm) da prođu kroz filter.

• Najjednostavnija vrsta su apsorpcijski filteri, najuobičajeniji od ovih su filteri od obojenih stakala (colored glass filters).

• Koriste se u vidljivom području.• Obojeno staklo apsorbira široki dio spektra (komplementarnu boju) a

propušta ostale dijelove (njihove boje).

Nedostatci• Loši su selektori valnih duljina i ne mogu se koristiti u instrumentima

namijenjenim istraživanju.• To je stoga što propuštaju široku vrpcu valnih duljina omogućavajući

šansu odstupanjima od Beer-ovog zakona.• Apsorbiraju značajan dio željenog zračenja.

Filteri

Koriste se za pretraživanje spektara (spectral scanning), variranjem valnih duljina zračenja u određenom području.

Mogu se koristiti u UV/Vis području.

Svi su monokromatori slične mehaničke konstrukcije.

Svi monokromatori koriste razreze, ogledala, leće, rešetke ili prizme (slits, mirrors, lenses, gratings or prisms).

2929

Monokromatori

Refleksijska rešetka

Rešetkin monokromator (Grating monochromators)

Polikromatsko zračenje s ulaznog razreza konkavnim se ogledalima (kolimatori) prevodi u snop paralelnih zraka. Ti zraci padaju na refleksijsku rešetku, gdje se različite valne duljine reflektiraju pod različitim kutovima. Položaj refleksijske rešetke usmjerava samo usku vrpcu valnih duljina na izlazni razrez monokromatora. Rotacija rešetke omogućava različitim valnim duljinama da prođu kroz izlazni razrez.

The reflection grating monochromator

Sastoji se od ulaznih i izlaznih razreza, ogledala i rešetke za disperziju svjetla.

Prizmin monokromator (Prism monochromator)

Disperzija pomoću prizme ovisi o refrakciji svjetla, a koja ovisi o valnoj duljini.

Ljubičasto svjetlo veće energije (kraće valne duljine) ima najveći otklon.

Crveno svjetlo manje energije (dulje valne duljine) ima najmanji otklon.

Kao rezultat, polikromatsko bijelo svjetlo razlaže se u svoje individualne boje.

Izbor širine vrpce Veličina izlaznog razreza monokromatora određuje širinu zračenja (širinu vrpce) emitiranog od monokromatora.

Veća širina razreza daje veću osjetljivost zbog toga što veći intenzitet zračenja prolazi kroz uzorak, dok manja širina razreza daje bolju rezoluciju spektra.

Općenito, izbor širine razreza koji se koristi prilikom mjerenja mora biti kompromis između ta dva faktora.

Problem niske osjetljivosti s malim razrezom može se prevladati povećanjem osjetljivosti detektora.

Prednosti i nedostatci smanjenja širine razreza monokromatora

3333

Izbor valne duljine

Mjerenja apsorbancije uvijek se izvode pri fiksnoj valnoj duljini (korištenjem monokromatskog svjetla). Kad se odabere valna duljina za kvantitativnu analizu tri faktora se moraju uzeti u obzir .

1. Valna duljina treba biti odabrana tako da daje najveću moguću osjetljivost. To se postiže odabirom max ili općenito odabirom valne duljine pri kojoj je

apsorptivitet relativno velik.

λmax

λmax – valna duljina maksimalne apsorbancije

3434

Izvođenjem analize na toj valnoj

duljini treba osigurati mogućnost

mjerenja uzorka najniže

koncentracije zadovoljavajućom

točnošću.

Naprimjer, najniža koncentracija

uzorka (10-5 M) može se mjeriti

dobrom točnošću na max, jer se na

drugim valnim duljinama ne može

uopće detektirati. A

bsor

banc

e

max 1

wavelength

10-2 M10-3 M10-4 M

10-5 M5x10-5 M

shoulder

Broad horizontal bands

m

Abs

orba

nce

A

A

wavelength

Band A

Band B

2. Preporuča se odabrati valnu duljinu pri kojoj se apsorbancija neće značajnije mijenjati , ako se valna duljina malo promjeni, tj. A / is minimum.

Pri valnoj duljini koja odgovara širokoj horizontalnoj vrpci spektra (vrpca A), zračenje se većinom apsorbira u istom iznosu (A / nula).

S druge strane apsorbancija na strmom dijelu spektra (vrpca B) mijenja se značajno ako se valna duljina promijeni (A / je veliko) . Stoga se pri ponovljenim mjerenjima apsorbancije mogu dobiti različita očitanja a preciznost mjerenja bit će niska.

3. Ako otopina sadrži više apsorbirajućih specija, valna duljina bira se, kadgod je moguće, u području gdje ostale vrste ne apsorbiraju ili apsorbiraju minimalno (m).

wavelength

Abs

orba

nce

sample

m

Interfering species

3636

3737

3. Nosači/držači uzoraka (Sample compartment (cells)) U UV-Vis spektroskopiji tekući uzorci se mjere u kiveti. Staklo je pogodno za Vis- spektroskopiju, ali ne za UV- spektroskopiju. Kvarc se može koristiti i u UV- i Vis- spektroskopiji

1 cm 1 cm

Opa

que

Face Transparent

Face

Long pathlength

Short pathlength (b)

1 cm pathlength cuvet

3939

4. Detektori Detektori su uređaji koji pretvaraju energiju zračenja u električni signal. Detektor mora biti osjetljiv i mora imati brz odziv u širokom području valnih duljina. Električni signal koji generira detektor mora biti direktno proporcionalan intenzitetu propuštenog zračenja (linearni odziv).

h

e-

-VPhotosensitive cathode

amplifier

i. Fotocijev (Phototube)

anode

Fotocijev emitira elektrone sa fotoosjetljive negativno nabijene katode kad su izloženi vidljivom ili UV zračenju.

Elektroni putuju kroz vakuum do anode i proizvode struju koja je proporcionalna intenzitetu zračenja.

4040

ii. Fotomultiplikatorska cijev (Photomultiplier tube, PMT)

Vrlo osjetljiv uređaj u kome elektroni emitirani od fotoosjetljive katode udaraju u drugu površinu (dinoda) koja je pozitivna u odnosu na originalnu katodu.

Elektroni se stoga ubrzavaju i mogu izbaciti više od jednog elektrona sa dinode.

Ako se gornji proces ponavlja nekoliko puta može se skupiti više od 106

elektrona za svaki za svaki foton koji udari u prvu katodu.

photochathode

anode

high voltage

voltage divider network

dynodeslight

electronse-

Detektor s nizom dioda (Diode Array Detector)

Karakteristike spektrofotometrijskih metoda

1. Široka primjena na organske i anorganske sustave,

2. Visoka osjetljivost 10-6-10-4 M,

3. Umjerena do visoka selektivnost,

4. Dobra točnost, relativna greška 1% to 3%.

UV spektri organskih spojeva

UV - spektri:

- Najčešće su nespecifični.-Teški za interpretaciju, osim što mogu biti konzistentni sa strukturom.-Svaka vrpca može biti superpozicija mnogih prijelaza.

Infracrvena spektroskopija (Infrared (IR) Spectroscopy)

IR se bavi interakcijom infracrvenog zračenja s tvari.

IR spektar nekog spoja daje važne informacije o njegovog kemijskoj prirodi i molekulskoj strukturi.

Najčešće se spektar dobija mjerenjem apsorpcije IR zračenja, premda se koriste i IR emisija i refleksija.

Najšira primjena IR spektroskopiije je pri analizi organskih materijala, ali je korisna i za poliatomne anorganske molekule i za organometalne spojeve.

Granica crvenog svjetla: 800 nm, 0.8 m, 12500 cm-1

Bliska IR oblast (Near Infrared, NIR): 0.8 -2.5 m, 12500 - 4000 cm-1

Srednja IR oblast (Mid Infrared, MIR): 2.5 - 50 m, 4000 - 200 cm-1

Daleka IR oblast (Far Infrared, FIR): 50 - 1000 m, 200 - 10 cm-1

Podjele/rasponi rastu zbog različitih optičkih materijala i instrumentacije.

Područja IR zračenja (Infrared regions)

Molekulski spektri

Postoje 3 osnovna tipa optičkih spektara koji se odnose na molekule:

1.Elektronski ili vibronički (vibronic) spektri (UV-Vis, near IR)(prijelazi između specifičnih vibracijskih i rotacijskih nivoa jednog elektronskog stanja i vibracijskih i rotacijskih nivoa drugog elektronskog stanja)

2.Vibracijski ili vibracijsko-rotacijski spektri (IR oblast)(prijelazi s rotacijskih nivoa jednog vibracijskog nivoa na rotacijske nivoe drugog vibracijskog nivoa u istom elektronskom stanju)

3.Rotacijski spektri (područje mikrovalova)(prijelazi između rotacijskih nivoa istog vibracijskog nivoa u istom elektronskom stanju)

• Dva različita tipa vibracija:

-Istezanje (stretching): vibracije koje uključuju promjenu duljine veze,

-Savijanje (bending): uključuju promjenu kuta veze (bond angle).

Tipovi vibracija

Vibracije istezanja se dijele na:

- sjeckanje (scissoring),

- ljuljanje (rocking),

- klanjanje (wagging), i

- uvrtanje (twisting).

Kolika su kretanja/promjene pri vibraciji C-C veze?

10 pm

154 pmstretching vibration

Za C-C vezu duljine 154 pm, promjena (varijacija) je oko 10 pm.

bending vibration

4o 10 pm

Za C-C-C kut veze (bond angle) tipična promjena je 4o. To izaziva pomak C-atoma oko 10 pm.

INFRARED SPECTROSCOPY

INFRARED SPECTROSCOPY MethaneMethane

Symmetricstretching

Antisymmetricstretching Scissoring

Rocking Wagging Twisting


Samo vibracije koje uzrokuju promjenu polariteta daju vrpce (pikove) u IR spektru.

Koje su vibracije CO2 IR aktivne?

O C O

O C O

O C O O C O

Symmetric stretch

Asymmetric stretch

Bending (doubly degenerate)


Što je vibracija u molekuli?

Svaka promjena oblika molekule – istezanje veza, savijanje veza ili interna rotacija oko pojedinih veza.

Koje vibracije mijenjaju dipolni moment molekule?

Asimetrično istezanje/savijanje i interna rotacija mijenjaju dipolni moment molekule. Asimetrično istezanje/savijanje je IR aktivno.

Simetrično istezanje/savijanje ne mijenja dipolni moment molekule i nije IR aktivno.

Apsorpcijska područja

Frekvencije grupa (Group frequencies)

Za određene funkcionalne grupe i strukturne grupe (strukture) nađeno je da su njihove vibracijske frekvencije gotovo nezavisne od ostatka molekule – to su frekvencije grupa.

Karbonilna grupa: 1650 to 1740 cm-1 razni aldehidi i ketoni

Za mnoge grupe koje se sastoje od samo dva atoma, približna frekvencija osnovne vibracije može se izračunati iz jednostavnog modela harmonijskog oscilatora.

Izračunavanja pokazuju da za mnoge grupe karakteristične frekvencije vibracija istezanja trebaju ležati u području 4000 to 1000 cm-1. U praksi se područje od 4000 do 1300 cm-1 često naziva područje frekvencija grupa.

Prisustvo različitih vibracija grupa u IR spektru od velike je pomoći u identifikaciji apsorbirajuće molekule.

Model harmonijskog oscilatora

F = sila, potrebna za povrat opruge u ravnotežnu poziciju

k = katakteristična konstanta istezanja

x = pomak od ravnotežne pozicije

Model: Slika atoma dvoatomne molekule kao dvije mase povezane s oprugom (vezom).

Hooke-ov zakon: F = -kr

1

2k

mr

mr m1m2

m1 m2

IR Stretching Frequencies of two bonded atoms:

= fre= frekvencijakvencijak = k = konstanta opruge konstanta opruge (jakosti veze)(jakosti veze)mmrr = = reducirana masareducirana masa (~ mas (~ masaa većeg atoma)većeg atoma)

O čemu ovisi frekvencija ?

Područje „otiska prsta” (Fingerprint region)U području od 1300 do 400 cm-1, vibracijske frekvencije pod utjecajem su cijele molekule – područje „otiska prsta”.

Apsorpcija u tom području „otiska prsta” karakteristična je za molekulu kao cjelinu. Ta oblast nalazi najširu primjenu za identifikaciju molekule usporedbom sa spektrima iz biblioteke spektara.

y osa: %T or A

x osa: valni broj (wavenumber) ili valna duljina

Io uzorak I

T = I/Io %T = 100 I/Io

T = transmisija / transmitancija

A = - log T

A = apsorbancija (bez dimenzija)

(Note: A (ne T) koncentracija)

IR spektar


Ljuski dah (Human Breath)

0

20

40

60

80

100

5001000150020002500300035004000wavenumber/cm -1

%T

OH H

OH H

O C O

O C O

O C O

Koje valne duljine elektromagnetskog zračenja mogu izazvati vibracije molekula?

Infracrveno (IR) elektromagnetsko zračenje izaziva vibracije molekula (valne duljine od 2500-15,000 nm ili 2.5 – 15 µm).

U kojoj mjeri masa može utjecati na vibraciju? Što je veća masa – to je niži valni broj (manja frekvencija, veća

valna duljina).

H2I2


Ethane Chloroethane


POLOŽAJ Manja masaManja masa

Jačina vezeJačina veze

Laki atomi, viša Laki atomi, viša frekvencijafrekvencija

Jake veze, viša Jake veze, viša frekvencijafrekvencija

JAČINA Promjena polarnostiPromjena polarnosti Jako polarne veze Jako polarne veze daju intenzivne vrpce daju intenzivne vrpce

(pikove)(pikove)ŠIRINA Vodikova vezaVodikova veza Jaka vodikova veza Jaka vodikova veza

daje široke vrpce daje široke vrpce (pikove)(pikove)


Generalno:

VezaVeza

C-HC-H C-DC-D C-OC-O C-ClC-Cl

/cm/cm-1-1

30003000 22002200 11001100 700700

VezaVeza

CCOO C=OC=O C-OC-O

/cm/cm-1-1

21432143 17151715 11001100


4000-30004000-3000cmcm-1-1

3000-20003000-2000cmcm-1-1

2000-15002000-1500cmcm-1-1

1500-10001500-1000cmcm-1-1

O-H O-H N-HN-HC-HC-H

CCCCCCNN

C=CC=CC=OC=O

C-OC-OC-FC-FC-ClC-Cl

deformacijedeformacije

Porast energije

Porast frekvencije


Interpretacija IR spektara

Za interpretaciju IR spektara potrebno je veliko iskustvo.

Područje 1600-3600 cm-1: korištenjem tablica ili baza podataka s IR spektrima moguće je identificirati neke pikove (tip veze, tip vibracije, npr. O-H vibracije istezanja ili C-H vibracije savijanja.

Najkorisnija područja su:

1680-1750 cm-1: C=O istezanje je jako naglašeno u IR spektru, a tip karbonilne grupe može se odrediti iz točne pozicije pika.

2700-3100 cm-1: različiti tipovi C-H vibracija istezanja.

3200-3700 cm-1: različiti tipovi O-H i N-H vibracija istezanja.

600-1600 cm-1: previše veza apsorbira u tom području da bi omogućilo pouzdanu identifikaciju pojedinih pikova. Međutim, to je područje „otiska prsta” molekula, pa ako je spektar gotovo identičan autentičnom referentnom spektru, struktura se može potvrditi sa izvjesnom pouzdanošću.

Područja apsorpcije IR zračenja

Tipično područje IR apsorpcije za kovalentne veze je 600 - 4000 cm-1.

Graphics source: Wade, Jr., L.G. Organic Chemistry, 5th ed. Pearson Education Inc., 2003

Ethanoic acid

Interpretacija IR spektara

IR spektrofotometri

Nosač uzorakaIR izvor Detektor

Disperzijski instrumenti: •koriste monokromator koji se primjenjuje u srednjem IR području (MIR) za snimanje spektara i kvantitativnu analizu.

Fourier transform IR (FTIR) sustavi: •široka primjena u dalekom IR području (FIR) i u srednjem IR području (MIR).

Nedisperzijski instrumenti: •koriste filtere kao selektore valnih duljina i primjenjuju se pri analizi plinova.

IR spektrofotometri

Disperzijski IR spektrofotometri

Današnji disperzijski IR spektrofotometri u pravilu su dvosnopni (double-beam) instrumenti, mada neki omogućavaju i single-beam rad.

Disperzijski IR spektrofotometri

Nernst Glower heated rare earth oxide rod (~1500 K)

1-50 µm(mid- to far-IR)

Globar heated SiC rod (~1500 K) 1-50 µm(mid- to far-IR)

W filament lamp 1100 K 0.78-2.5 µm(Near-IR)

Hg arc lamp plasma 50 - 300 µm(far-IR)

CO2 laser stimulated emission lines 9-11 µm

1. Izvor IR zračenja

Disperzijski IR spektrofotometri, komponente

Thermocouple thermoelectric effect -dissimilar metal junction

cheap, slow, insensitive

Bolometer Ni, Pt resistance thermometer (thermistor)

Highly sensitive <400 cm-1

Pyroelectric Tri glycine sulfate piezoelectric material

fast and sensitive (mid IR)

Photoconducting PbS, CdS, Pb Se light sensitive cells

fast and sensitive (near IR)

2. Detektor / pretvornik (transducer)

• Refleksijske rešetke (napravljene od različitih plastika): razmak utora: (120 utora mm-1). U cilju smanjenja efekta raspršenog zračenja i preklapajućeg zračenja viših redova koriste se filteri ili prizme. Za snimanje cijelog IR područja koriste se 2 ili više rešetki sa nekoliko filtera.

• Ogledala (ne leće) se koriste za fokusiranje i kolimaciju IR zračenja, načinjena od Pyrexa ili drugog materijala niskog koeficijenta termičkog širenja. Frontalne površine prevučene su tankim filmom metala Al, Ag ili Au (nataložen u vakuumu).

3. Optički sustav

OPTIČKE ĆELIJE (KIVETE)

OPTIČKE ĆELIJE (KIVETE)

• Čisti ili otopljeni u IR-transparentnom otapalu – NE voda (nagriza pločice),

• Uzorak je najčešće u obliku tekućeg filma (u „sendviču” između 2 NaCl pločice),

• Podesiva duljina puta (0.015 to 1 mm) – pomoću Teflonskog razmaknika (spacer).

Tekući uzorci

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio

Područja propusnosti za uobičajena IR - otapala

Vodoravne linije pokazuju područja gdje otapalo propušta barem 25% upadnog zračenja u ćeliji od 1 mm.



IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Stavljanje uzorka u nosač ili ćeliju koja je transparentna u IR

području, NaCl ili pločice od NaCl najčešće se koriste.

IR transparentne pločice od NaCl

Pločice od NaCl moraju se čuvati u suhoj (bez vlage) atmosferi (eksikator).


Pri rukovanju s pločicama moraju se koristiti rukavice da se spriječi dodir s vlagom ruku.

Za snimanje IR spektra tekućeg uzorka, nanese se kap ili dvije uzorka na pločicu.

Druga pločica stavi se preko prve, tako da se tekući uzorak nalazi poput sendviča između dviju pločica.

IR spektroskopija - Eksperimentalni dio Držač ćelije postavi se na put zrake

instrumenta. IR spektar uzorka snimi se prema

zadanim parametrima. Dobar spektar ima dobro definirane

pikove, ali ne suviše intenzivne da na dnu pika imaju zaravnanje.

Benzoic acid


Pločice se čiste pogodnim organskim otapalom, obično cikloheksanom – NIKAD VODOM!

Zamućene pločice moraju se polirati sve dok ne postanu transparentne.

To se postiže rotiranjem pločica na krpi za poliranje.


Čišćenje NaCl pločica

• Ćelija za plinovite uzorke sastoji se od staklenog, a rjeđe metalnog cilindra. Ćelija je zatvorena na oba kraja s odgovorajućim prozorima od IR-transparentnog materijala (NaCl/KBr) i snabdjevena ventilima ili slavinama za uvođenje uzorka.

• Ćelije imaju dug optički put (10 cm) i koriste se za razrijeđene (nekoliko molekula) ili slabo apsorbirajuće uzorke.

• „Multipass” ćelije – kompaktnije i efikasnije od ćelija dugog optičkog puta. Ogledala se tako koriste da zraka prolazi nekoliko puta kroz uzorak prije nego napusti ćeliju (efektivna duljina puta 10 m).

• Za razlučivanje rotacijskih struktura uzorka, ćelija mora biti opremljena da se može evakuirati za snimanja pri sniženom tlaku.

• Za kvantitativna određivanja lakih molekula, ćelija mora biti opremljena da radi pod tlakom da bi se proširile rotacijske strukture i pojednostavilo mjerenje.

Plinoviti uzorciIR spektroskopija - Eksperimentalni dio

Kruti uzorci• Spektri krutina dobivaju se od diskova alkalnih halogenida (KBr), pasta (npr. Nujol, visoko rafinirana smjesa zasićenih ugljikovodika) i filmova (dobivenih pomoću otapala ili taljenjem).

Diskovi alkalnih halogenida:

1. Jedan miligram ili manje fino usitnjenog uzorka mješa se sa oko 100 mg suhog KBr - praha u avanu ili mlinu.

2. Smjesa se komprimira u obliku transparentnog diska.

Paste (Mulls)

1. Usitnjavanje nekoliko mg praškastog uzorka u avanu ili mlinu. Doda se nekoliko kapi mineralnog ulja (usitnjavanje se nastavlja dok se ne dobije fina pasta).

2. IR spektar paste dobije se kao i za tekuće uzorke.


Prevladavanje ograničenja disperzijskih IR spektrofotometara:

• Spor proces snimanja spektra, nekoliko minuta (nepovoljno ako se traže brze informacije)

Rješenje:

Interferometar: mjeri sve frekvencije istovremeno.

Interferometar generira signal koji u sebi ima „ukodirane” sve IR frekvencije.

„Dekodiranje” signala (Fourierove transformacije) i dobivanje kompletnog IR spektra: nekoliko sekundi.

Bolja rezolucija.

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Zašto FTIR?

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR)

Dijelovi FTIR-spektrometra

1.Izvor zračenja2.Interferometar3.Nosač uzoraka4.Detektor5.„Dekoder” interferograma (PC software)6.Jedinica za prikaz rezultata

Michelsonov Interferometar (MI)

Opis rada:

1.MM se kreće konstantnom brzinom.

2.MI cijepa zraku u 2 puta različite duljine i potom ih rekombinira.

3.Detektor mjeri sumu superponiranih valnih duljina (varijacije intenziteta izlaznog zraka).

4.Rezultirajući signal (interferogram): svaki podatak sadrži informaciju o svakoj IR frekvenciji koja dolazi iz izvora (sve frekvencije se mjere istovremeno).

Dijelovi:

a)Djeltelj zrake (beam splitter)b)Pomično ogledalo (moving mirror, MM)c)Stacionarno ogledalo (stationary mirror)

Ako se pokretno ogledalo pomakne za 1/4 (1/2 sa povratkom) valovi su izvan faze (out of phase) na djelitelju zraka (beam-splitting mirror) - NEMA signala.

Ako se pokretno ogledalo pomakne za 1/2 (1 sa povratkom) valovi su u fazi na djelitelju zraka – SIGNAL.

Michelsonov Interferometar (MI)

Interferogrami

PC je potreban da prevede kompleksni interferogram u IR spektar.

FTIR generira spektar u vremenskoj domeni (time-domain spectra) kao trenutno raspoložive podatke (interferogram), gdje se intenzitet dobiva u funkciji vremena.

Kako je IR spektar u frekvencijskoj domeni (frequency-domain spectra), mora se interferogram „dekodirati” pomoću Fourierovih transformacija (PC).

Infracrvena spektroskopija s Fourierovom transformacijom (Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR)

In one arm of the interferometer, the IR source radiation travels through the beam splitter to the fixed mirror back to the beam splitter through the sample and to the detector. In the other arm, the IR source radiation travels to the beam splitter to the movable mirror, back through the beam splitter to the sample and to the detector. The difference in pathlengths of the two beams is the retardation . An He-NE laser is used as a monochromatic reference source. The laser beam is sent through the interferometer in the opposite direction to that of the IR beam.

Single-beam FTIR Spectrometer

Double-beam FTIR Spectrometer

• Vrlo visoka rezolucija (< 0.1 cm –1 )

• Vrlo visoka osjetljivost (nanogramske količine)- Može se spregnuti s GC analizom (pri snimanju IR spektara u plinskoj fazi).

• Visok odnos S/N

- Malo optičkih komponenata; nema razreza pa je veliki intenzitet zračenja.

• Brzina snimanja (<10 s)

• Visoka reproducibilnost

• Povoljna cijena

Prednosti FTIR spektroskopije

1. Fundamentalna kemija

Određivanje molekulske strukture/geometrije.

npr. Određivanje duljine veze, kuta veze i plinovitih molekula

2. Kvalitativna analiza – jednostavna, brza, nedestruktivna

Monitoring tragova plinova, vlaga, N u tlu. Analiza fragmenata zaostalih nakon zločina itd.

Kvantitativna analiza ugljikovodika na filterima, u zraku ili u vodi.

Primjena IR spektroskopije:

Povijest Ramanovog raspršenja (Raman Scattering)

1923 – Neelastično raspršenje svjetla predvidio A.

Smekel

1928 – Landsberg i Mandelstam uočili neočekivane

pomake frekvencija pri raspršenju kroz kvarc

1928 – C.V. Raman and K.S. Krishnan su uočili “slabu

fluorescenciju” iz čistih otapala

1930 – C.V. Raman dobiva Nobelovu nagradu

C. V. Raman

http://bwtek.com/raman-theory-of-raman-scattering/

Ramanova spektroskopija (Raman Spectroscopy)

Spektroskopska tehnika koja služi za promatranje vibracijskih, rotacijskih i drugih

niskih frekvencija u sustavu.

Ramanovi spektri slični su IR spektrima.

Korisna za detekciju funkcionalnih grupa i područje „otiska prsta”, te omogućava

identifikaciju specifičnih supstanci.

PrednostiPrednosti: : mala količina uzorka, minimalna osjetljivost prema interferencijama

vode.

Kemija Ramanove spektroskopije

Monokromatsko zračenje primjenjuje se na uzorak,

Ulazno zračenje se raspršuje na:

• Rayleigh-evo (elastično) and Ramanovo (neelastično) raspršenje,

Rayleigh-evo raspršenje se uklanja filterom,

Povratno raspršeno zračenje različitih je valnih duljina,

Ta razlika odgovara energetskom pomaku koji osigurava jedinstven kemijski „otisak prsta”.

Ramanova spektroskopija

Ramanova spektroskopija

h

h(-+) 1)

h 3

2

1

0 S1

3

2

1

0 S0

Ener

gy

Virtual Level

Rayleigh Raman (inelastic)(elastic) Scattering Scattering

Neelastično raspršenje

Razlika u energiji

• Energija prenešena od ulaznog zračenja na molekulske vibracije

Raman – spektrofotometri

Raman - spektrofotometri slični su po dizajnu i koriste iste tipove komponenata kao klasični UV-Vis disperzijski instrumenti.

Najčešće koriste sustave sa dvostrukom rešetkom da smanje strano zračenje koje bi dospjelo na pretvornik.

Fotomultiplikatori služe kao pretvornici.

Danas se Raman – spektrofotometri prodaju kao FT – instrumenti opremljeni hlađenim pretvornikom od germanija ili višekanalni instrumenti na bazi CCD (charge-coupled devices) pretvornika.

Raman - spektrofotometar




Izvori zračenja u Ramanovoj spektrometriji

Detektori: CCD (charge-coupled devices) detektori

Većina disperzijskih Raman – spektrofotometara opremljena jevišekanalnim dvodimenzijskim CCD detektorima.

Glavne prednosti tih detektora:

- Ekstremno nizak nivo termičkog šuma (kod efikasnog hlađenja),

- Nizak nivo šuma Ramanovog spektra,

- Široko spektralno područje.

Postoje mnogi CCD čipovi, jedan od najčešćih formataspektroskopskih senzora je 1024 x 256 pixela.

1. Vrpce koje su u intenzivne u IR, obično su slabe u Ramanu. Spektralne smetnje od vodikove veze značajno su umanjene. Voda je uporabivo otapalo u Ramanu (u IR loše). Optika u Ramanu je od stakla ili kvarca umjesto od soli (NaCl, KBr, CsI).

2. Usporedba IR i Raman spektara može dati važne strukturne informacije.

3. Ramanovi spektri općenito su jednostavniji od IR spektara.

4. Kompletno IR područje pokriveno je Ramanovom spektroskopijom, pošto se koristi laser a spektar se dobiva registriranjem razlika frekvencija u odnosu na ulazno zračenje. IR treba različitu optiku i djelitelje zraka da pokrije kompletno područje od od NIR do FIR.

5. IR spektrofotometri su jeftiniji i osjetljiviji. Ramanovi spektri jako su osjetljivi na snagu lasera, geometriju ćelije i manje su reproducibilni nego IR spektri.

6. Samo je mali dio ulaznih fotona u Ramanu raspršen (e. g. 10-8). Širokopojasna fluorescencija može potpuno prekriti Ramanove signale.

7. Ramanova spektroskopija daje manje strukturnih informacija.

Usporedba IR i Ramanove spektroskopije

Raman vs Infrared Spectra

Prednosti Ramanove spektroskopije

Daje molekulski „otisak prsta” svakog analita, omogućavajući visokoselektivna određivanja.

Primjenjiva na svaki optički dohvatljiv uzorak; organski, anorganski, ili biološki.

Mogu se mjeriti kruti, tekući, plinoviti, transparentni i netransparentni uzorci.

Mjerenje moguće i u vodenim otopinama. Snimanje uzorka je neinvazivno. Detekcija je moguća na uzorcima od 1 µm2 – dm2 i udaljenostima od

nekoliko milimetara do nekoliko metara. Ramanov „otisak prsta” neovisan je od valne duljine pobuđivanja,

omogućavajući korištenje bilo kojeg lasera za pobuđivanje. Detekciju je moguće provoditi danonoćno bez prisustva signala pozadine

(background) zbog ambijentalnih svjetlosnih interferencija. Ramanova spektroskopija postala je potpuno prenosna tehnika.

Documents

Molekulska Spektroskopija