12/6/2010

1

SPEKTROSKOPSKE METODE • Spektroskopija je nauka koja proučava interakciju

elektromagnetskog zračenja i materije. • Spektroskopija se koristi u mnogim granama prirodnih

nauka jer daje informacije o građi i sastavu tvari.• Vjerojatno najšira upotreba spektroskopije je u analitičke

svrhe.• Spektroskopija se najčešće dijeli prema spektralnom

području, a to često ovisi o grani nauke koja koristi dotičnu spektroskopiju.

• Kao rezultat spektroskopskog istraživanja dobiva se spektar .

• Spektroskopija se, prema fenomenu koji izaziva sprezanje elektromagnetskog zračenja može podijeliti na:

• rotacijsku spektroskopiju

• vibracijsku spektroskopiju

• elektronsku spektroskopiju

12/6/2010

2

X-ray: core electron excitation

UV: valance electronic excitation

IR: molecular vibrations

Radio waves:Nuclear spin states(in a magnetic field)

Electronic Excitation by UV/Vis Spectroscopy :

UV i VIS

• Mnoge molekule imaju sposobnost apsorpcije u UV i VIS oblasti.

• UV područje obuhvata od 10-400 nm i dijeli se na:

Daleku (vakuum) UV oblast: 10-200 nm

Blisku UV oblast : 200-400 nm

VIS 400-750 nm

• UV zračenje je bogato energiom i njegovom apsorpcijom dolazi do promjena u elektronskom stanju molekule

• -elektroni, • -elektroni i • n-elektroni se pobuđuju i prelaze sa nižih na više energetske

nivoe bogatije energijom.Pošto ovi elektroni imaju različitu energiju,

pobuđuju se zračenjem različite talasne dužine.

12/6/2010

3

Primjer π π* Exkscitacije

• λ = h • c/ΔE

λ = h • c/ΔE

• Što je manja razlika u energiji između osnovnog i pobuđenog stanja, apsorpcija se dešava kod većih talasnih dužina.

• Najlakše se pobuđuju n-elektroni sa heteroatoma i

• -elektroni višestrukih veza• Dok je za pobudjivanje -elektrona

zasićenih veza potrebna visoka energija

12/6/2010

4

• Zato se za mnoge spojeve elektronski prelazi ostvaruju u dalekoj UV oblasti spektara, izvan područja mjerenja uobičajenih spektrometara.

• U bližoj UV oblasti apsobbiraju karakteristične grupe i konjugirani sistemi.

• Osim položaja trake apsorpcije na koordinati talasnih dužina, druga važna karakteristika elektronskog spektra je intenzitet apsorpcije, koja ovisi o vjerovatnoći elektronskog prelaza i polarnosti pobuđenog stanja.

• Intenzitet apsorpcije se izražava kao apsorpcija A koja se definiše logaritmom omjera intenziteta ulaznih (Io) i izlaznih (I) zraka.

A = log10

Io

I

12/6/2010

5

• Apsorpcija svjetlosti pokorava se Lambert-Beerovom zakonu prema kojem je apsorpcija proporcionalna koncentraciji uzoraka c i debljini sloja otopine l kroz koju zračenje prolazi:

A = lc• c = koncentracija uzorka (mol/dm3)

• l = Debljina kivete u cm

• = molarni apsorpcioni koeficijent

• -koji karakterizira molarnu apsorpcijsku sposobnost molekule.

• To je karakteristična konstanta za određenu molekulu a ovisi o talasnoj dužini i temperaturi

• Jedinica za je mol –1 dm3cm-1

• Elektonski spektri predstavljaju grafičku ovosnost intenziteta apsorpcije od talasne dužine ili frekvencije .

• Za izražavanje intenziteta apsorpcije koriste se veličine ili log10.

12/6/2010

6

• Ukupna energija se određuje zbirom energija elektrona Eel,

• vibracionog Evib

• Rotacionog Erot stanja

• Asorpciojom UV i vidljivog zračenja, pored pobuđivanja elektrona dolazi i do promjena vibracione i rotacione energije.

• Uslijed toga se na spektru javlja fina struktura apsorpcionih maksimuma.

• UV se obično odredjuje na uzorku otopljenom u određenom otapalu.

• U otopini dolazi do interakcije supstance sa otapalom pa se fina struktura apsorpcione trake gubi i javlja se široki združeni sistem apsorpcionog maksimuma.

• U elektronskim spektrima karakterističnu apsorpciju pokazuju HROMOFORNE GRUPE.

• To su strukturni elementi organskih spojeva koji sadrže:

• dvostruke ili trostruke veze i• slobodne elektrosnke parove kombinovane

sa dvostrukim vezama :

C C C O C S C N

N N N O C C

12/6/2010

7

• AUKSOHROMI-grupe koje sadrže slobodne elektronske parove a nisu hromofori.

• To su polarne grupe kao: -OH, -OR, -NH2, -SH i atomi halogena.

• Oni pomiču apsorpciju hromofora prema većim talasnim dužinama

Chromophore Example Excitation λmax, nm ε Solvent

C=C Ethene π __> π* 171 15,000 hexane

C≡C 1-Hexyne π __> π* 180 10,000 hexane

C=O Ethanaln __> π*π __> π*

290180

1510,000

hexanehexane

N=O Nitromethanen __> π*π __> π*

275200

175,000

ethanolethanol

C-X X=BrX=I

Methyl bromide

Methyl Iodide

n __> σ*n __> σ*

205255

200360

hexanehexane

• U organskim molekulama koje sadrže samo jednu dvostruku vezu kao što su jednostavni alkeni, apsorpcije uzrokovane -- * prelazom, nalazi se kod 180 nm u dalekoj UV oblasti.

• Trake ovih prelaza ponekad se označavaju kao E –trake.

• U ovoj oblasti apsorbiraju i dieni sa izdvojenim dvostrukim vezama.

12/6/2010

8

• Konugacija dvostrukih veza smanjuje potrebnu energiju prelaza i apsorpcija se pomiče prema većim talasnim dužinama.

• Intenzitet ovih apsorpcija se takodjer mijenja Trake konjugovanih sistema se označavaju kao K-trake.

• Efekat konjugacije je karakterističan i za karbonilne spojeve kod kojih su mogući prelazi:

n * i * .

• Npr. Kod metil-vinil ketona oba prelaza se zbog konjugacije nalaze kod većih talasnih dužina, nego kod metil etil ketona

CH3CCH2CH3

O

CH3CCH

O

CH2

n * max 277 nm n * max 324 nm

* max 187 nm * max 219 nm

• Za aldehide i ketone j ekarakteristično da su trake od prelaza uvijek slabijeg intenziteta od traka

• Elektronski prelazi karakteristični za benzenov prsten u UV spektru obilježavaju se kao B-trake. Spektar benzena u otopini heksana pokazuje apsorpcionu traku na 184 nm, 203 nm i 254 nm.

• Traka sa 254 nm pokazuje finu strukturu i pomjera se prema većim talasnim dužinama kada su na benzen vezane alkilne grupe.

n * *

12/6/2010

9

12/6/2010

10

•

• Supstituenti na benzenu koji imaju dvostruke veze ili atome sa slobodnim elektronskim parovima, koji mogu da stupaju u konjugaciju sa * elektronima iz prstena, daju intenzivne apsorpcijske trake u oblasti 210-300 nm.

12/6/2010

11

• Na položaj apsorpcijskog maksimuma jako utiče:• Priroda supstituenta i • Polarnsot otapala• Da bi se odredio uticaj supstituenata i otapala na

elektronske spektre koriste se slijedeći pojmovi:• BATOHROMNI POMAK (pomak maksimuma

apsorpcije prema većim talasnim dužinama).Ovaj pomak izazivaju polarna otapala i auksohromne grupe.

• HIPSOHROMNI POMAK (pomak maksimuma apsorpcije prema kraćim talasnim dužinama).

• HIPERHROMNI efekat očituje se u intenziviranju maksimuma apsorpcije uslijed stabilizacije određene strukture molekule u otapalu.

• HIPOHROMNI efekat označava smanjenje intenziteta apsorpcije.

PRIMJENA ELEKTRONSKIH SPEKTARA U ANALITIČKE SVRHE

• Kvalitativna i kvantitativna analiza

• Kvalitativna analiza (najvažnije-odredjivanje nepoznatog spoja).

• Ova oblast spektara pruza mogucnost dokazivanja prisustva hromofornih grupa:

12/6/2010

12

12/6/2010

13

• Nezasiceni keton• Prednost prikaza

logaritamske vrijednosti ε. The π π* vrlo jaka apsorpcija je na 242 nm , sa ε = 18,000. slaba apsorpcija n π* oko 300 nm ima ε = 100.

12/6/2010

14

Buta-1,3-diene

12/6/2010

15

• Apsorpcije u podrucju 200-300 nm, velikih intenziteta najcesce karakteriziraju konjugovane sisteme dva hromofora, koji mogu biti isti ili razliciti.

• Intenzivna apsorpcija iza 300 nm ukazuje na povecanje konjugacije

• Vrlo mali intenziteti u oblasti 270-350 nm mogu se pripisati karbonilnoj grupi, uslijed n * prelaza

• prisustvo apsorpcione trake na 210-360 nm ukazuju na aromatske spojeve sa polarnim supstituentima.

• Ako spektar pokazuje apsorpciju za neki hromofor to jos ne znaci da je on prisutan, ali ako ocekivana apsorpcija nije prsutna, znaci da spoj ne sadrzi hromofor.

• Ako spoj sadrzi vise hromofora, javlja se vise maksimuma i to otezava identifikaciju. Tada se koriste podaci drugih metoda.

• Identifikacija nepoznatog spoja:

- Spektar nepoznatog spoja se uporedjuje sa spektrom pretpostavljenog spoja ili sa spektrom iz kataloga

- Uporedjivanje spektara se vrsi i kod odredjivanaj cistoce nekog spoja.

12/6/2010

16

Instrument

1. Izvor zracenja (UV i VIS)2. Monohromator (za izbor talasne duzine) 3. Drzac za uzorak (kivete)4. Detektor 5. Procesor signala, pisac

• Kao izvor zracenja: volframova lampa halogenska lampa ili specijalne deuterijumove lampe

• Obicno se koriste dvozracni spektrofotometri. Jedan snom zraka prolazi kroz ispitivanu otopinu, a drugi kroz kivetu koja sadrzi slijepu probu.

• Fotocelija: mjeri intenzitet zraka• Pojacivac: zrake se pojacavaju nakon izlaska iz fotocelije, i

intenzitet signala za suostancu prenosi na pisac.• Kivete: Staklene za VIS podrucje • Kvarcne za UV podrucja• Upotrebljava se uvijek identican par kiveta.• Deterktor –obicno fotomultiplikator, fotodioda itd