Metody absorpční - atomová absorpční a infračervená spektrometrie

- 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.

- Je to metoda založena na sledování absorpce záření volnými atomy v plynném stavu. Používá se ke kvantitativnímu stanovení jedné látky. 

- schéma - 

- činnost přístroje – vzorek je nasáván do plamene acetylen – vzduch (pro obtížně atomizovatelné prvky např.: Al, Si, Ti, používáme N₂O). V plameni dojde k atomizaci vzorku. Do plamene pak svítíme speciální lampou s dutou katodou, která je zhotovena z materiálu stanovovaného prvku a vydává tudíž jeho emisní záření. Toto emisní záření pak jde na monochromátor a detektor, který změří intenzitu tohoto záření. Míra zeslabení je úměrná množství látky.

- pro přesné měření je důležité –

a) konstantní emisní proud ( žhavení lampy 15 minut)

b) teplota plamene – regulace průtoku plynu

c) konstantní rychlost vstřikování vzorku

Jsou-li dodrženy tyto parametry, je to velmi přesná metoda, měříme v jednotkách ppm (partes per milion). Obsah 1 ppm má látka, jestliže připadá 1 částice na 999 999 ostatních. Za předpokladu shodných molekulových hmotností 0,0001%.

Jestliže chceme metodu dále zpřesnit, použijeme k atomizaci vzorku grafitovou kyvetu s elektrotermickým ohřevem, do které přesně nadávkujeme vzorek a atomizaci provedeme proudem. Při použití těchto přídavných zařízení dosahujeme přesnosti ppb, čímž určíme 1 částici z miliardy.

- použití – pomocí AAS stanovíme prakticky všechny a celou řadu polokovů, typu arsen, antimon, křemík, cín které však musíme před stanovením převést na hydridy. Vzhledem k nutnosti delšího žhavení lampy a rekalibrace přístroje před každou sérií měření používáme ji především ke kvantitativnímu stanovení jednotlivých prvků. 

Molekulová absorpční spektrometrie – MAS v UV, VIS

- Jestliže spojité záření projde průhledným prostředím, absorbují se v něm ty vlnové délky, které odpovídají rozdílům energií elektronových hladin. Zatím co atomy vytvářejí ve spektru jednotlivé čáry, u molekul se jedná o široké absorpční pásy.

Jestliže látka absorbuj pouze v UV, nebo IR oblasti, jeví se nám bezbarvá. Absorbuje – li ve viditelné oblasti, jeví se nám potom ve své doplňkové barvě. Absorbuje-li veškeré záření, jeví se nám černá. Je-li absorbovaná látka modrá, je barva roztoku žlutá. Je-li absorbovaná barva zelená, barva roztoku je červená.

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.

- 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.

- vlastní měření MAS -  zdrojem světla je nejčastěji žárovka s ultrafialovým vláknem, která bývá doplněna deuteriovou výbojkou pro blízkou UV oblast. Vydává záření 300 – 2000nm. Toto záření je vedeno na vzorek a po průchodu  vzorkem se rozloží hranolem, nebo optickou mřížkou. Vzorek je umístěn ve skleněné kyvetě, délky 0,1 – 10cm eventuelně existují i průtokové kyvety. Vzorek měříme proti čistému rozpouštědlu, na které nastavíme nulovou absorbanci. Není – li vzorek barevný, můžeme jej na barevný převést vhodnou chemickou reakcí, např.: Fe³⁺ + 6CNS^- → Fe[Fe(CNS)₆], Ni²⁺ s dimethyldioxinem, NO₃^- se salicylanem sodným apod. Detekci záření provádíme fotoelektrickými články se zesilovačem.

- použití – zjišťování obsahu barvených látek,nebo látek, které lze jednoduchou chemickou reakcí na barevné převést.

Infračervená spektroskopie – absorpční spektrální analýza v IR oblasti používá IR záření = tepelné záření. Toto záření interaguje s vazbami a funkčními skupinami. Energie vazeb a funkčních skupin je také kvantována ( = nabývá určitých hodnot), proto v IR spektru mají molekuly charakteristické absorpční pásy. Zdánlivě chaotický pohyb molekul lze rozdělit na:

a) vibrace- vibrace molekul je kmitání okolo rovnovážné polohy a rozeznáváme 1) vibrace valenční, kdy se mění délka vazby ( twisting), 2) deformační, kdy se mění vazebný úhel (scissoring).

b) rotace – odpovídají rotaci okolo osy vazby.

- Obecně vibrace mají vyšší energii a pozorujeme je v blízké IR oblasti, kdežto rotace se projeví ve vzdálenější IR oblasti. V praxi obvykle pozorujeme spektrum ve střední infračervené oblasti, protože tam se nám projeví vibrace i rotace molekuly. K určení struktury potřebujeme mít oba údaje. Vibrace charakterizuje vazby, kdežto rotace udržuje molekulu jako celek. Oblast měření můžeme rozdělit na 2 části.

a) oblast charakteristických skupinových vibrací, které je v oblasti 2-8nm, kde se projeví vibrace vazeb a funkčních skupin a na základě toho měření vytipujeme pravděpodobné struktury látky

b) oblast otisku prstu, kt. je 8 – 25nm, kde získáme spektrum, které charakterizuje každou molekulu

- vlastní měření –

zdroj – jako zdroj záření používáme rozžhavené tuhé látky – nejčastěji se používá SiC, nebo Nerstnova tyčinka, která je zhotovena z ZrO₂, CeO₂, ThO₂. Tento materiál vydává dostatečně intenzivní záření v IR oblasti.

vzorek – vzorek je umístěn v kyvetě zhotovené z halogenidů alkalických kovů např.: NaCl, KCl, KBr, které ideálně propouští IR záření, jsou však velmi choulostivé na vlhkost. Jako rozpouštědlo samozřejmě používáme sirouhlík, nebo tetrachlor.

monochromátor – nejčastěji se používají optické mřížky, které mají řidší síť vrypů, aby jejich vzdálenost korespondovala s λ IR záření. Dříve se používaly také hranoly, které musely být zhotoveny z halogenidů kovů, byly však velmi choulostivé.

detektory – jako detektory nejčastěji používáme termo___, které jsou citlivé na změnu teploty. Některé přístroje mají i pneumatické detektory, což je v podstatě komůrka vzduchotěsně uzavřená pružnou membránou, která se vlivem změny teploty vychyluje.

- použití – především v org. chemii k identifikaci látek, kdy analyzovanou látku nejprve izolujeme, poté zjistíme v oblasti charakter vibrací, které funkční skupiny látka obsahuje a poté v oblasti otisku prstu zjistíme i strukturu látky. Spektra všech známých látek jsou tabelována.

 - kvantitativní analýza – platí zde L´ambert – Beerův zákon, najdeme char. osamocenou vibraci a z kalibrační přímky určíme množství látky. Dnes je používáme také na ověřování čistoty látek a studium struktury