Elektronová absorpční spektra molekul, princip spektrofotometrických stanovení, L´ambert – Beerův zákon

- tyto metody tvoří největší skupinu všech anc. metod a zahrnují v sobě velmi širokou škálu měření od nejjednodušších metod (spekol ve VID oblasti), až po složité přístroje pracující v okrajových částech spektra ( RTG, NMR – nukleárně mag. rezonance). Původně se každá z těchto metod vyvíjela samostatně až teprve s rozvojem kvantové fyziky bylo zjištěno, že všechny tyto metody mají společného jmenovatele a tím je energie použitého záření. Protože se v počátcích každá metoda vyvíjela samostatně, používají jiné jednotky a jiné názvosloví.

- základní jednotky -  

1) vlnová délka – λ - [m] – definice vlnové délky: vzdálenost dvou nejbližších maxim

2) vlnočet – ῡ – def.: počet vln na jeden metr, ῡ = 1/ λ - [m^-1]

3) kmitočet –  υ  – def.: počet kmitů za sekundu,  υ  = c/ λ - [s^-1]

4) energie záření – E – je dána Planckovým zákonem E = h . υ..h = konst. 6,6 . 10^-34 J.s [J] => E = h . c/ λ. Ze vztahu plyne, že energie záření je nepřímo úměrná vlnové délce. Energie záření se velice často udává na 1 mol částic: E = h. υ . Ak…Avogardova konst. = 6,023.10²³

- spektrální oblasti -  podle toho, jakou má použité záření vlnovou délku, nebo energii, mluvíme o jednotlivých spektrálních oblastech

- RTG – rentgenové záření – interaguje s elektrony nejblíže jádru

- UV – ultrafialové záření – interaguje ve stejné oblasti jako VIS ... často přístroje UV – VIS

- VIS – viditelné záření – interaguje s valenčními a vazebnými elektrony

- IR – infračervené záření – tepelné záření – interaguje s vazbami – rozkmitá je

- MW – interagují s mezimolekulovými interakcemi – vodíkové můstky

- rádiové vlny – v anc se nepoužívají – pouze pokud máme rádio v laboratoři

- interakce záření s hmotou – podstatou všech spektroskopických metod je vzájemné působení záření a hmoty. U většiny metod si hmota a záření vyměňují energii ( skoro všechny) pouze u malé části metod hmota pouze ovlivní vlastnosti měření.

- výměna energie mezi hmotou a zářením – metody emisní a absorpční

Elektrony jsou v atomu uspořádány do elektronových hladin a energie v nich je kvantována, což značí, že má celistvé násobky: E = h . υ, takže při změně energetického stavu dojde k pohlcení, nebo vyzáření energie, a tato energie má určitou vlnovou délku odpovídající vzdálenosti hladin.

1) Emisní metody – je-li atom v základním stavu má nejnižší energii. Po dopadu záření ( UV,VIS) jsou valenční elektrony vybuzeny do vyšších elektronových hladin. Tento stav je však nestálý a elektrony se v zápětí vracejí do základního stavu a vydají při tom emisní záření, ve kterém jsou vlnové délky, které odpovídají rozdílům energií mezi hladinami. Emisní spektrum je zařízení, které vydává vzorek po dodání energie a dochází přitom k návratu do původního stavu. 

2) Absorpční metody – Jestliže na atom v základním stavu působíme spojitým zářením, pak si atom vybere z tohoto souboru ty vln. délky, které použije k excitaci. Tyto vln. Délky pak ve spektru, které prošlo vzorkem, chybí, nebo jsou výrazně zeslabeny. Toto spektrum pak nazýváme absorpční spektrum. 

Sečtením absorpčního a emisního spektra dostaneme celé spektrum, protože ty vln. délky, které v absorpčním spektru chybí, tvoří spektrum emisní. 

L´ambert – Beerův zákon – molekulová absorpční spektrometrie (MAS) je založena na měření absorpce záření roztokem. Platí, že čím větší je absorpce záření roztoku, tím větší je také koncentrace roztoku. Tuto závislost popisuje L´ambert – Beerův zákon.

A

- odvození – jestliže do kyvety vstupuje světelný tok Φ₀ (fí) vystupuje z ní světelný tok Φ. Propustnost roztoku ( transmitace) je dána vztahem T = Φ/ Φ₀. Jestliže sledujeme závislost světelných toků na délce kyvety a koncentraci roztoku, zjistíme, že platí Φ = Φ₀ . 10^-Ɛλ.l.c , přičemž Ɛ_λ = lineární absorpční koeficient, l = délka kyvety, c = koncentrace roztoku. Abychom se zbavili exponenciálního vztahu, byla definována jednotka absorbance A jako záporný dekadický logaritmus transmitance: A = -logT, A = -log Φ/ Φ₀, A = - log 10^{- Ɛλ.l.c} => A = Ɛ_λ.l.c. L´ambert – Beerův zákon je potom základem všech fotometrických stanovení, kdy při určité vlnové délce měříme absorbanci a vynášíme ji do grafu proti koncentraci. Graf je zpočátku lineární, poté se začíná zakřivovat. 

Lineární oblast nazýváme oblast platnosti Lambert-Beerova zákona. Dostaneme-li se mimo tuto lineární oblast, musíme vzorek naředit, anebo použít menší tenčí kyvety. Pro ředění, nebo tenčí kyvety platí vztah l₁ . c₁ = l₂ . c₂ => vyplývá z: Ɛ_λ1 . l₁ . c₁ = Ɛ_λ2 . l₂ . c_2. Ɛ_λ je pro určitou látku a vlnovou délku konstantní – můžeme ze vztahu vyškrtnout.

Spektrofotometrická měření provádíme vždy při určité vlnové délce, které odpovídá maximum absorpčního pásma. Maximum zjistíme měřením vzorku při různých vln. délkách.

Základní části spektrálních přístrojů – spektrální metody jsou často velmi rozdílné, ovšem základní části všech spektrofotometrických přístrojů jsou shodné.

1) zdroj záření – je záření schopné emitovat záření o dostatečné intenzitě v požadované oblasti vlnových délek. Používáme: a) ve VIS – jsou to žárovky, b) IR – rozžhavené tuhé látky, c) UV – výbojky ( deuteriová), d) RTG – RTG lampy, e) NMR – elektromagnety

2) vzorek – je umístěn v kyvetě, která propouští záření měřené vlnové délky nejlépe a) pro VIS – sklo, b) IR – halogenidy alk. kovů, c) UV – křemenné sklo, d) RTG – polyetylen

spektrum

3) monochromátor – zařízení, které vybere ze spojitého záření ( obsahuje soubor λ) určitou měřenou vln. délku tak, že je nejprve rozloží ve spektrum a poté štěrbinou vybere určitou vln. délku. a) ve VIS – hranoly, nebo optické mřížky, hranol – u hranolu využíváme toho, že úhel lomu světla závisí na vlnové délce. Čím menší je vln. délka, tím větší je úhel lomu světla.

Původně spojité záření se proto po průchodu rozloží na spektrum, ze kterého štěrbina vybere příslušnou vln. délku. Na podobném principu pracuje i optická mřížka, což je skleněná, nebo plastová destička, ve které je hustá síť vrypů a to 100-1000 na 1 mm. b) IR a UV – používáme také optické mřížky, ale s příslušnou hustotou vrypů. c) RTG – musíme použít např. krystaly, které jsou rozřezány napříč krystalovými rovinami. Mřížku pak tvoří krystalové roviny.

4) detektor – zařízení, které nám převádí záření o určité energii na el. signál. VIS – fotoelektrické články – fotonky, kde dopadem záření se uvolní elektrony → vzniká proud, který je zesílen ve fotonásobiči.

- uspořádání přístrojů – jednopaprskové, dvoupaprskové – úvodní paprsek je ze zdroje rozdělen na 2 z nichž jeden prochází měřeným vzorkem a druhý standardem.