KOLORIMETRIJA I SPEKTROFOTOMETRIJA

Instrumentalna analiza , Profesor HemijeDr D. Manojlovi, Hemijski fakultet Beograd

Kolorimetrijskim metodama se odreuju koncentracije obojenih rastvora koji apsorbuju u vidljivom ili bliskom UV delu spektra

Boja koju ima rastvor neke supstance komplementarna je boji koju ta supstanca apsorbujeAkva-bakar(II) jon je bledoplave boje, to znai da apsorbuje u utom delu spektra

U kolorimetriji se uvek radi sa polihoromatskim zraenjem to iskljuuje mogunost kvalitativne analize

Da bi se supstanca mogla odrediti kolorimetrijski mora ispunjavati sledee uslove:- intenzitet boje mora biti stabilan u duem vremenskom intervalu- boja mora biti intenzivna-apsorpcija zraenja mora da se pokorava Lambert-Beerovom zakonu

-male promene temeprature, pH i drugih faktora ne smeju bitno da utiu na intenzitet bojeUkoliko je intenzitet neke boje nedovoljan onda se dodatkom pogodnog reagensa moe prevesti u intenzivnije obojeno jedinjenje

Reagens u kolorimetriji mora da poseduje sledee osobine :-reagens treba da reaguje stehiometrijski sa ispitivanom supstancom i uvek treba dodati dovoljnu i istu koliinu reagensa u ispitivane rastvore i standarde-reagens ne sme da apsorbuje u vidljivom delu spektra-reagens mora biti selektivan u odnosu na ispitivanu supstancu

-boja nastalog proizvoda mora se brzo razvijati

-reagens ili ispitivana supstanca ne smeju da stupaju u reakcije sa drugim sastojcima u rastvoru koji ih mogu prevesti u neaktivne oblike ili kompleksno jedinjenje zbog ega bi izostalo razvijanje bojeU kolorimetriji se obino intenzitet boje nepoznatog rastvora uporeuje sa jednim ili vie standardnih rastvora poznate koncentracije

Prema tehnici rada kolorimetrijske metode delimo na:metode standardne serijemetode balansovanjametode kolorimetrijske titracije

Aparati koji se koriste u kolorimetriji su jednostavne konstrukcije i kao izvor svetlosti koriste belu svetlost

Tipini kolorimetrijski aparati su Helligeov komparator i Duboscquov kolorimetar.

Fotokolorimetrijske metodeOptika shema fotoelektrinog kolorimetra

SPEKTROFOTOMETRIJASpektrofotometrija je apsorpciona metoda koja se zasniva na praenju zavisnosti apsorbance ili apsortiviteta od talasne duine zraenja koje je prolo kroz analiziranu supstancuApsorpcija se moe pratiti u UV, Vis, IC, mikrotalasnoj i radiofrekventnoj oblasti.U analitikoj hemiji su od interesa oblasti od 200-1000 nm, a u organskoj analizi jo i IC oblast, EPR i NMR spektroskopija

Spektrofotometrija je kvalitativna i kvantitativna analizaKvalitativna analiza se zasniva na injenici da apsorpcioni spektar supstance zavisi od njenog sastava i strukture

Na osnovu zavisnosti apsortiviteta od talasne duine i vrednosti apsortiviteta na odreenoj talasnoj duini mogue je identifikovati apsorbujuu supstancu

Kvantitativna analiza sa zasniva na Beerovom zakonu: Kod spektrofotometra b je jednako debljini kivete i konstantno je i onda apsorbanca zavisi samo od koncentracije i apsortivitetaDa bi se postigla mogua tanost i osetljivost apsorbance bitan je izbor talasne duine merenja

Ona mora da ispuni sledee uslove:-da se merenjem postie maksimalna osetljivost

-da male promene talasne duine ne utiu na reproduktivnost

-da vai Beerov zakon

Na osnovu ovih zahteva merenje apsorbance se izvodi na:-na talasnoj duini gde je apsorbanca maksimalna max

-na taasnoj duini optimalne apsorbance, opt i

-na talasnoj duini izobestike take, izobizob kada dva oblika imaju istu apsorbancu (kiseli i bazni indikator)

Shema spektrofotometra

DERIVATIVNA SPEKTROFOTOMETRIJA

Derivativna spektrofotometrija je relativno nova metoda ija je primena u poslednje vreme jako porasla pre svega zahvaljujui razvoju raunarske tehnike

Primena derivativne spektrofotometrije:

-Pogodna je pri analizi viekomponentnih sistema

-Kvantitativno odreivanje tragova u viekomponentnim sistemima

-Karakterizaciju istih supstanci

-Eliminie ili smanjuje apsorbancu pozadine ime omoguava odreivanja u suspenzijama, mutnim rastvorima

-Derivatizacijom osnovnog spektra mogue je tanije odrediti talasne duine maksimuma irokih apsorpcionih traka

Dobijanje derivativnih spektara:

-Optiki

-Elektronski

-Matematiki

Optiki:

Najmanje se smanjuje odnos signala i uma

Elektronski:

Lo odnos signala i uma, moe se koristiti samo do etvrtog izvoda

Matematiki:

Koristi se polinomska interpolacija, Furijeva transformacija

Optika metoda dobijanja derivativnih spektara se sastoji u modulaciji elektromagnetnog zraenja u nekoj oblasti talasnih duina , koja se naziva interval modulacije

Ispred monohromatora se postavi kvarcna ploica koja vibrira napred-nazad za nekoliko stepeni i samim tim izvodi modulaciju talasne duine upadnog zraenja po sinusoidalnom zakonu

Rezultujui signal se detektuje elektronski, detektorom koji je podeen na frekvenciju vibracije ploice .

Amplituda rezultujueg modulisanog snopa bie proporcionalna nagibu apsorpcione trake unutar modulacionog intervla, a samim tim i prvom izvodu spektra, pod uslovom da je modulacioni interval dovoljno mali u odnosu na irinu trake

Elektronska metoda derivacije sastoji se od povezivanja elektrinog kola sa otpornikom i kondenzatorom (RC) na analogni izlaz detektora pomou operacionog amplifikatora

Ovde se dobija izvod u funkciji vremena, , ali se na osnovu poznate brzine skeniranja moe izraunati izvod apsorbance po talasnoj duini;

Kod ovakvog naina dobijanja derivativnih spektara veliki uticaj imaju instrumentalni parametri kao to su brzina skeniranja spektra, irina razreza, veliina pojaanja

Pored toga svaki RC ureaj smanjuje odnos signala prema umu za 2 to ograniava metodu do etvrtog izvoda

Matematike metode derivacije se danas najvie koriste

Diferenciranje osnovnog spektra se izvodi bilo snimanjem spektra taku po taku (neregistrujuim ureajem ili ureajem sa jednim zrakom) i primenom formula za numeriko diferenciranje tako dobijenih vrednosti A=f() ili digitalizacijom spektra snimanjem registrujuim spektrofotometrima i primenom interpolacije i diferenciranja

Najee se koristi polinomska interpolacija, Furierova transformacija i interpolacija pomou splajnova

Nakon toga se, pomou odgovarajuih numerikih algoritama ovako dobijene interpolacione formule diferenciraju potreban broj puta.

Razlika absorbanci za dve bekonano bliske talasne duine 1 i 2 u osnovnom spektru, A= f(), podeljena veliinom spektralnog intervala =2-1, predstavlja prvi izvod tog spektra

Daljim diferenciranjem dobijamo:

Ako ovo primenimo na apsorpcionu traku gausovog oblika onda dobijam derivativne spektre

Derivativni spektri neparnog rada imaju malo slinosti sa originalnim spektrom i sloeniji su od njega

Ono to je bitno za ove izvode je da prolaze kroz nulu (seku osu talasne duine) apsorptivnog maksimuma to daje osnovu za kvalitativnu analizu.

U praksi se od neparnih spektara koriste samo spektri prvog reda

Derivativni spektri parnog reda imaju centralnu traku (pik) promenjivog znaka (u drugom izvodu negativan, u etvrtom pozitivan), praenu sa dve satelitske trake suprotnog znaka i znatno manjeg intanziteta od centralne trake

Maksimumi apsorpcije u osnovnom spektru odgovara maksimumu centralne trake parnog reda

Poluirina te trake znatno je manja nego na osnovnom spektru i traka je ua ukoliko je red spektra vei pa parni izvodi imaju veu primenu od neparnih.

Osnovna osobina izvoda je da su amplitude uih traka relativno vee od amplituda irokih traka

Za n-ti izvod bilo gausovske ili lorencovske irine trake amplituda pika je povezana sa n-tim stepenom reciprone vrednosti irine trake, u osnovnom spektru, .

Zbog toga za trake istih apsorbanci a razliitih irina u osnovnom spektru, amplituda ue trake u derivativnom spektru je vea od amplitude ire trake za faktor koji raste sa porastom reda izvoda

Nedostatak derivativne tehnike da odnos signala prema umu postaje loiji progresivno sa poveavanjem izvoda

Zbog toga se javlja potreba da se izvede ravnanje spektra kako bi se ovaj odnos poboljao i um sveo na najmanju meru

U tu svrhu se koriste razliiti numeriki algoritmi od kojih su najpoznatiji metoda A. Savitzkog i E. Golaya, metoda Furijerove transformacije i metoda splajn aproksimacije

Visok odnos signala prema umu mora se postii pri nekom dozvoljenom nivou deformacije spektra s obzirom da se pri velikoj filtraciji uma poveavaju sistematske greke

Drugi izvod spektra metil-digoksima snimljen na spektrofotometru Cary 3 Varian

Preciznost odreivanja max

Kada se apsorpcioni spektar sastoji od irokih traka taan poloaj maksimuma apsorpcije moe se odrediti samo aproksimativno

Na max prvi izvod prolazi kroz nulu tako da se talasna duina maksimuma apsorpcije moe odrediti veoma precizno

Poveanje rezolutivnosti Primenom derivativnih spektara mogu se razdvojiti trake koje se preklapaju i ne mogu se razdvojiti niti razlikovati u osnovnom spektruPrvi i drugi izvod dve preklapajue Gaussovske trake

Spektrofotometrija u suspenzijama i mutnim rastvorima

Mutni rastvori i suspenzije ili emulzije jako oteavaju spektrofotometrijsku analizu

Zbog rasipanja zraenja koje raste sa smanjenjem talasne duine na spektar uzorka se superponira manji ili vei intenzitet pozadine, a pored toga se gubi i intenzitet samog spektra

Zbog rasipanja zraenja na nehomogenostima sredine primena derivativnih spektara eliminie uticaj fona na spektar analiziranog uzorkaApsorpciona traka u rasipajuoj sredini i njen prvi izvod (a) Gaussovska traka (b) prvi izvodSpektar uzorka traka (A), Spektar pozadine traka(B), traka uzorka + pozadina (C) i odgovarajui prvi izvodi

Analiza tragova

Odreivanje tragova supstanci u razliitim uzorcima izvodi se radi utvrivanja njihove istoeOdreivanje benzola u etanolu. I etanol, II-etanol +1 ppm benzola, III-etanol + 10 ppm benzola, IV-4-ti-izvod od II, V-4-ti izvod od IIIU osnovnom spektru prisustvo benzola se jedva uoava

Tek u spektru 4-tog izvoda benzol se moe kvantitativno odrediti (AB je srazmerno koncentraciji benzola).

Kvantitativna nalaiza

Kod kvantitativne derivativne spektrofotometrije meri se samo amplituda trake u derivativnom spektru u zavisnosti od koncentracijie jer je koncentracija linearno povezana sa amplitudom n-tog izvoda

Merenja amplitude mogu biti rezultat raunarskog izraunavanja, ali moe da se izvede i gafiki, a vaenje Lamber-Beerovog zakona kao i aditivnost apsorbance se podrazumeva

Za odreivanje amplitude koriste se sledee metode:

-piki-pik maetoda, kod koje se meri rastojanje izmeu maksimuma i njemu odgovarajueg minimuma

-metoda tangente kada se povlai tangenta izmeu dva susedna maksimuma (ili minimuma) i meri rastojanje izmeu tangente do maksimuma (ili minimuma) izmeu tih maksimuma paralelno sa ordinatom

-pik-nula metoda gde se meri rastojanje od maksimuma ili minimuma do apscise paralelno sa ordinatom.

Ova metoda se koristi kod spektara vieg rada koji imaju simetrine pikove u odnosu na apscisu (spektri prvog reda)Obrada derivativnog spektra. Metoda tangente (t), pik-pik metoda (p) i pik-nula metoda (z).

Arsenazo III gradi obojene komplekse sa Th(IV) i U(IV) jonima sa maksimumima apsorpcije na oko 665 nm.Drugi izvod kompleksa U pokazuje dve nule na 650 i 684 nm, a Th na 648 i 680 nm.

Nulte take na 680 i 684 nm mogu se koristiti za simultano odreivanje metala u smesi.

Na nultoj taki Th (680 nm) meri se amplituda apsorpcije U, a na nultoj taki apsorpcije U (684 nm) meri se amplituda kompleksa Th.