Молекулска и атомска спектроскопија Примена Оддел IV. Спектрохемиски анализи Поглавје 23. Примена на молекулските и атомските спектроскопски методи Ског, Вест, Холер, Крауч, Аналитичка хемија Поглавје 10. Спектроскопски методи на анализа Харви, Модерна аналитичка хемија Предавање 5а, Инструментални аналитички методи (А), M. Стефова, 2016 http://hemija.pmf.ukim.edu.mk/subjects/view/212 UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Примена многу широка Ооогромен број органски и неоргански соединенија апсорбираат зрачење од UV и видливата област И тие што не апсорбираат може да се преведат (со хемиски реакции) во облик-соединение што апсорбира Кои супстанци апсорбираат UV-Vis зрачење? органски молекули неоргански молекули, јони биохемиски важни молекули 1
UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Кои молекули апсорбираат UV-Vis зрачење? Органски молекули Одговорни за апсорпција се: (1) заедничките (сврзувачките) електрони кои учествуваат во формирањето на врската и се поврзани со повеќе од еден атом (2) неспарените надворешни електрони кои се предимно локализирани околу хетероатоми како што се O, S, N, халогени елементи. Бранова должина јачина на врски прости C-C врски, C-H врски, l < 180 nm - проблематично двојни и тројни врски l 180 nm Ленти (апсорпција) корисни за аналитички цели! Незаситените органски функционални групи кои апсорбираат зрачење во UV-Vis областа хромофори! 2
UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија UV-Vis спектри на органски молекули Вредностите за брановата должина и апсорпциониот коефициент зависат од структурни детали на молекулата, од ефектите на растворувачот и др. Поврзаноста на два или повеќе хромофори доведува до поместување на апсорпциониот пик на подолги бранови должини. UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Кои молекули апсорбираат UV-Vis зрачење? А што со молекулите кои не апсорбираат UV-Vis зрачење? Постојат реагенси кои реагираат со органските функционални групи на неапсорбирачки аналити при што се добива хемиски вид кој апсорбира во UV или Vis областa. Примери: соединенијата кои имаат карбонилна група реагираат со динитрофенилхидразин обоено соединение кое апсорбира на 480 nm. црвената боја на 1:1 комплексите кои се формираат помеѓу нискомолекулските алифатични алкохоли и цериум(iv) се применува за квантитативно определување на овие алкохоли. органските соединенија може да се определуваат со специјално избрана ензимска реакција во која тие претставуваат супстрати (при определувањето на лактати, L-лактат реагира со коензимот никотинамид аденин динуклеотид (NAD), р-ја катализирана од L- лактат дехидрогеназата редуцирана форма на NAD, NADH, која апсорбира на 340 nm). 3
UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Други апсорбирачки видови Неоргански супстанци Одговорни за апсорпција: јоните и комплексите на преодните елементи, кои во најмалку една од своите оксидациони состојби апсорбираат во широка област на видливото зрачење и соодветно на тоа се обоени! Премини помеѓу пополнети и празни d-орбитали на металниот јон! Енергијата на преминот т.е. положбата на апсорпциониот max зависи од: местото на елементот во периодниот с-м оксидационата состојба и природата на сврзаниот лиганд UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Други апсорбирачки видови Апсорпција со пренос на полнеж! неоргански и органски комплекси, т.н. комплекси со пренос на полнеж = електрон донорна група сврзана со електрон акцептор посебно важна за кванититативни цели, поради необично големите моларни апсорпциони коефициенти, што пак доведува до висока осетливост При апсорпција - електрон од донорот преминува во орбитала која повеќе припаѓа на акцепторот ексцитирана состојба (производ на некаков внатрешен оксидационо-редукционен процес). 4
UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Други апсорбирачки видови Апсорпција со пренос на полнеж! Примери: фенолни комплекси на железо(iii), јодиден комплекс на I 2 феро/ферицијанидниот комплекс одговорен за бојата на Берлинско сино тиоцијанатен комплекс на железо(iii) 1,10-фенантролински комплекс на железо(ii) (1:3, Fe:L) комплекс на скроб со јод Почесто металот акцептор, лигандот донор на електрони, но не секогаш! UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Дали е погодна за квалитативна анализа??? - Па, не баш!!! Бидејќи: спектрите на повеќето соединенија во раствори содржат една или повеќе широки ленти oтсуствува фината структура на лентите што е потребна за посигурна идентификација. Сепак, положбата на лентата во спектарот укажува на присуство или отсуство на некоја структурна карактеристика или функционална група во молекулата (пр: фенил група, конјугирани двојни врски, нитро групa ) постојат збирки од UV/Vis апсорпциони спектри што се користат за споредување со спектрите на чисти непознати супс. во даден р-рувач. Затоа вообичаено, UV/Vis апсорпциона спектроскопија се користи како дополнување, со другите, посоодветни квалитативни техники, како што е на пример NMR, IR и масената спектрометрија. 5
UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Многу погодна за фундаментални испитувања Испитувања на хемиски рамнотежи: следење на еден или повеќе реактанти, продукти или интермедијарни хемиски форми. Се мешаат раствори со познати концентрации на реактантите, и по постигнувањето на рамнотежата, се добива апсорпциониот спектар на реакционата смеша. Со примена на Беров закон, преку познатите стехиометриски односи крајните концентрации на реактантите и продуктите и се определуваат константите на рамнотежа. определување на стехиометријата на реакциите (особено се применува за испитувањето на метални комплекси). Кинетички испитувања: следење на појавата на продукти или интермедиерни супстанци, или, пак на губењето на реактантот (Беров закон-квантификација) определување на законите на брзината и на механизмот на реакциите како и за добивање на константите на брзината на реакциите... UV-Vis молекулска апсорпциона спектроскопија Најпогодна за квантитативна анализа! Најмоќна и најшироко користена техника за квантитативна анализа бидејќи: широка применливост за органски, неоргански и биохемиски системи; добра осетливост; граници на детекција од 10-4 до 10-7 M; средна до висока селективност; доволно добра точност и прецизност (релативни грешки од 1 до 3% а со специјални техники и десетинки од %); брзина и погодност за работа. 6
Примена за квантитативна анализа мнооогу широка Ооогромен број органски и неоргански соединенија апсорбираат зрачење од UV и видливата област И тие што не апсорбираат може да се преведат (со хемиски реакции) во облик-соединение што апсорбира екологија клинички примени индустриски примени (фармација, храна, бои, метали...) форензика... екологија (анализа на загадувачи во отпадни води) иако метали главно - ААС, АЕС, сепак многу од нив може да се преведат во обоени комплекси UV-Vis теренски фотометри лиганди, пр. дитизон комплекси со повеќе метали екстракција во CHCl 3 селективноста зависи од ph (Cd 2+ со NaOH, Pb 2+ со NH 3, Hg 2+ слабо кисел р-р...) резидуален хлор (две форми: слободен како Cl 2, HOCl, OCl - и комбиниран како NH 2 Cl, NHCl 2, NCl 3 ): слободен резидуален хлор: со оксидација на леуко кристал виолет сина боја, 529 nm вкупен резидуален хлор: р-ја со HOI, а потоа нејзина оксидација со леуко кристал виолет сина боја, 529 nm 7
клинички примени (проблем комплексен матрикс) ph=13, и при ph=10 индустриски примени железо во храна со о-фенантролин UV-Vis фармација: контрола на препарати со ацетилсалицилна киселина за содржина на салицилна киселина (непожелна супстанца, резултат на хидролиза) апсорпција на 280 nm ацетилсалицилна киселина апсорпција на 312 nm салицилна киселина, а слабо и ацетилсалицилна киселина А 312 > 0,02 неприфатлива содржина на салицилна кис. 8
форензика тестирање на наркотици, лекови Breathalyzer: 52,5 ml издишан воздух се пропушта низ закиселен р-р од K 2 Cr 2 O 7 при што C 2 H 5 OH + Cr 2 O 7 2- CH 3 COOH + Cr 3+ Cr 2 O 7 2- - апсорбанца на 440 nm колку етанол? 9
Молекулска и атомска спектроскопија Примена - квантитативна анализа Оддел IV. Спектрохемиски анализи Поглавје 23. Примена на молекулските и атомските спектроскопски методи Ског, Вест, Холер, Крауч, Аналитичка хемија Поглавје 10. Спектроскопски методи на анализа Харви, Модерна аналитичка хемија (стр. 398- ) Предавање 5b, Инструментални аналитички методи (А), M. Стефова, 2016 http://hemija.pmf.ukim.edu.mk/subjects/view/212 Директна (конвенционална) спектрофотометрија Мерење на апсорбанца определување на концентрација Индиректна спектрофотометрија Спектрофотометриски титрации Кинетички мерења 1
Директна (конвенционална) спектрофотометрија Мерење на апсорбанца определување на концентрација на Аналит кој апсорбира Аналит кој не апсорбира, но е преведен во друг облик кој апсорбира За елиминирање на пречки (интерференци) од други компоненти во примерокот кои апсорбираат на истата λ: Претходна подготовка на примерокот (елиминација на матрикс), но долго! Мерење на апсорбанца и на друга бранова должина каде апсорбираат интерфернтните супс, па компензација. Пр. Определување на NO 3 - мерење на А на 220 nm (NO 3 - и орг. мат.) и на 270 nm (само орг. мат.) Преведување на аналитот во форма која апсорбира на специфична λ каде не апсорбираат другите компоненти од примерокот. Пр. фосфатите може да се определуваат со методата со молибденско сино, која вклучува реакција на PO 4 3- со Mo(VI) во кисел раствор и формирање на жолта 12-молибдофосфорна киселина или ([H 2 PMo 12 O 40 ], или 12-MPA) Директна (конвенционална) спектрофотометрија Метод на надворешен стандард и калибрациона крива Серија од стандардни р-ри Калибрациона крива = зависност апсорбанца од концентрација Линеарна регресиона равенка: коеф. на правец = εl Може, но ретко се користи и калибрација со една точка Еден стандарден р-р за определување на εl Теоретски можно, по цена на мнооогу несигурни резултати ε од литература, па се мери само апсорбанца на пробата и се пресметува концентрацијата единствен излез кога се тешко достапни стандарди 2
Директна (конвенционална) спектрофотометрија Развивање на квантитативна метода за една компонента 1. Проверка: дали важи Беровиот закон? 2. Избор на најсоодветната λ (најчесто на апсорпциониот макс. поради најдобра осетливост и покорување на Беров закон) *добро е да се проучи апсорпциониот спектар за да се избере оптималната λ и ширина на процеп 3. Конструирање на калибрациона крива = права за да се утврди концентрацискиот интервал во кој важи Беровиот закон 4. Проучување на влијанијата на потенцијалните интерференции и подготовка на најсоодветна слепа проба Метод на надворешен стандард и калибрациона крива 3
Директна (конвенционална) спектрофотометрија Метод на надворешен стандард и калибрациона крива Серија од стандардни р-ри Идеален стандард = ист состав со примерокот, но позната концентрација аналитот! Често тешко изводливо! Реалните стандарди се подготвуваат од чисти супстанци и не содржат од другите компоненти што ги има во примерокот. За компензација на ефектите од матрицата, стандардите треба да се подготват така што нивниот состав да е што е можно поблизок до оној на примерокот. Изедначување на матрицата! КАКО? Изедначување на матрицата! Еден од начините: МЕТОДА НА СТАНДАРДЕН ДОДАТОК Беровиот закон важи, проверено Слепа проба подготвена МЕТОДА НА ЕДЕН СТАНДАРДЕН ДОДАТОК А 1 за примерок без додаток А 2 за примерок со додаток Ако од првиот израз εb=a 1 /c x се замени во вториот 4
МЕТОДА СО ПОВЕЌЕ СТАНДАРДНИ ДОДАТОЦИ Еднаков волумен од пробата се става во неколку тиквички Во секоја од нив, освен во првата, се додава определен (различен) волумен од стандарден р-р од аналитот Зависно од методата, ако треба се додава/ат потребни реагенси, и тиквичките се дополнуваат до марката Се мери апсорбанцата на сите подготвени р-ри V s, c s волумен, конц. на стд р-р; V x, c x на примерок Зависностa на А s од V s треба да е линеарна Коеф. на правец: m = kc s отсечок: b = kv x c x Од m и b АНАЛИЗА НА СМЕШИ Апсорбанца = адитивна величина т.е. Вкупната апсорбанца на еден р-р на било која λ = сума на апсорбанци на поедините компоненти на р-рот Може да се определи концентрацијата на поединечните компоненти во смешата! Но, треба: ПРВО да се определат ε на M и N на погодни λ (λ 1, λ 2 ) каде M и N имаат апсорпциони max или каде нивните апсорбанци најмногу се разликуваат 5
АНАЛИЗА НА СМЕШИ ПОТОА се мери апсорбанцата на смешата на двете бранови должини: λ 1 : A 1 = ε M1 bc M + ε N1 bc N λ 2 : A 2 = ε M2 bc M + ε N2 bc N Познати: ε M1 ε N1 ε M2 ε N2 b систем на две равенки со две непознати СЕ РЕШАВА! -со метод на замена -со детерминанти Титрации проследени со мерења на UV-Vis апсорпција = спектрофотометриски титрации Индиректна употреба на UV-Vis спектроскопија за квантитативна анализа метода за индикација на завршна точка на титрација СО ОСНОВЕН ПРЕДУСЛОВ: БАРЕМ ЕДЕН ОД РЕАКТАНТИТЕ ИЛИ ПРОДУКТИТЕ ДА АПСОРБИРА ЗРАЧЕЊЕ ИЛИ ДА Е ПРИСУТЕН НЕКОЈ ИНДИКАТОР ШТО АПСОРБИРА со спектрофотометар се следи апсорбанца или трансмитанца на р-рот на погодна λ титрацијата се одвива во кивета и со секое додавање на реагенс се мери А или Т 6
Спектрофотометриски титрации криви на титрација А - аналит P - продукт T - титрант Спектрофотометриски титрации предности во однос на волуметриски титрации со визуелно следење попрецизни се се мерат помали промени на апсорбанца од оние видливи со око подобра селективност поради можност за избор на погодна бранова должина (заматени, обоени р-ри) подобра осетливост можност за следење на титрации со реакции со непогодни константи на рамнотежа 7
Спектрофотометриски титрации предности во однос на конвенционални спектрофотометриски мерења релативни мерења од измерените вредности на А не се определува завршната точка т.е. концентрација не треба стандардни р-ри од аналитот не пречи присуство на други супстанци кои апсорбираат или расејуваат зрачење се додека тие не реагираат со титрантот поедноставна е примена на спектрофотометриска титрација од директна спектрофотометрија комерцијален систем: (спектро)фотометар, сад за титрација, автоматска бирета, компјутер за обработка на податоци и графичко прикажување Спектрофотометриски титрации примена кај различни видови реакции: оксидациони реагенси со карактеристични апсорпциони спектри погодни за фотометриска детекција на завршна точка на титрација киселинско-базни реакции киселините и базите не апсорбираат но апсорбираат индикаторите фотометриска детекција на завршна точка титрации со EDTA и др. комплексообразувачи специфични комплекси со каракт. апсорпција, пр. титрација на Bi(III) и Cu(II) со EDTA и следење на А на 745 nm апсорбира комплексот на Cu(II), но не и на Bi(III) 8
Примена на спектрофотометрија за кинетички методи Кинетички методи мерење на брзина на аналитичка р-ја или концентрација на реактант (или продукт) за време на р-јата во однос на концентрацијата на аналитот Примена мерење на брзина на реакции, често само на почетокот доволно Пр. PO 4 - + Mo(VI) + аскорб. кис молибденско сино Почетната брзина на образување на Mo-сино директно зависи од c(po 4- ) Калибрациона крива од почетната брзина или соодв. величина зависна од c(аналитот) во станд р-ри Примена на спектрофотометрија за кинетички методи Предности пред конвенционалните спектро методи Покусо време на анализа особено за побрзи р-ции Подобра селективност мерат релативни промени на апсорбанцата, а не апс. вредности елиминација на интерференци особено кои реагираат побавно За реакции кои не покажуваат постојана стехиометрија или нестабилни реактанти-продукти може да се определуваат ензими (влијаат на брзината на р-јата, но не и на рамнотежните конц.) Инструменти спектрофотометар + контрола на t, може и повеќе кивети за следење на повеќе р-ции истовремено 9
Карактеристични примени на спектрофотометрија (Харви, стр. 403) Стехиометрија на метал-лиганд комплекси M + yl = ML y определување на y: метода на континуирани варијации (Jоb метода) метода на моларен однос и метода на однос на наклони метода на континуирани варијации (Jоb метода) серија р-ри каде n вк = (n M ) i + (n L ) I n(m): 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 n(l): 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Карактеристични примени на спектрофотометрија метода на континуирани варијации (Jоb метода) n(m): 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 n(l): 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 А на λ max на комплексот! (еден комплекс!) c(ml y ) најголема кога M и L се во стехиометриски однос: 10
Карактеристични примени на спектрофотометрија метода на моларен однос n(m): константен n(l): се менува (1 2 3 4 5 6 7 8 9 10) Карактеристични примени на спектрофотометрија метода на однос на наклони (s L, s M ) 1 серија: n(m): константно, но мн. поголемо од n(l) n(l): се менува целиот L врзан во комплекс 2 серија n(l): константно, но мн. поголемо од n(м) n(m): се менува - целиот М врзан во комплекс M x L y : 11
Карактеристични примени на спектрофотометрија Определување на константи на рамнотежа HIn + H 2 O = H 3 O + + In - H 3 O + - мерење на ph HIn и In - - мерење на апсорбанца каде апсорбира еден или обата Заклучоци: домен на примена мнооогу широк точност висока, релативна грешка 1-5% прецизност задоволителна, зависна од шум, полоша при ниски А (ниски концентрации) осетливост одредена од наклонот на калибрационата права т.е. εb, максимална при λ max селективност одредена од изборот на λ, можна и мултикомпонентна анализа време, цена, опрема брзи анализи, од неколку до неколку десетици илјади $ 12