4.1.-Spectroscopie Moleculara Uv-Vis - Prima Parte -50

Spectroscopie molecular UV-VIS

179

II.4.

SPECTROSCOPIA MOLECULAR

II.4.1. Bazele teoretice

Exista trei procese de baz prin care o molecul poate absoarbi energie:

- prin rotaie - molecula se rotete dup axe variate, energia de rotaie fiindla nivele energetice bine definite. Atunci cnd molecula absoarbe energie,ea poate trece la nivele energetice de rotaie mai ridicate printr-o tranziierotaional;

- prin vibraie - atomii sau grupele de atomi din interiorul unei moleculevibreaz relativ unii fa de ceilali. Energia acestor vibraii se gsete iea pe nivele energetice precise, cuantificate. Prin absorbia unei cantitidiscrete de energie, molecula se poate ridica la un nivel vibraional mairidicat printr-o tranziie vibraional;

- pe cale electronic - electronii unei molecule pot s ajung la niveleenergetice mai nalte ca urmare a unei tranziii electronice de pe un nivelenergetic inferior pe un nivel energetic superior (vezi i capitolul II.1.1.2.);


180

Toate cele trei modaliti de absorbie a energiei snt cuantificate, elepresupun absorbii de cuante de energie hn i creterea corespunztoare anivelului energetic al moleculei. Aceste tranziii snt ilustrate n figura II.4.1. pe

Fig.II.4.1. Schema de principiu pentru ilustrarea pe baza nivelurilor energetice aleabsorbiei de energie cuantificat de ctre o molecul. A-tranziie rotaional (infraroundeprtat), B- tranzitie vibraional (infrarou apropiat), C-tranziie electronic (vizibil iultraviolet). E0-energia strii fundamentale, E1- energia strii excitate

baza modelului nivelurilor energetice. Energiile relative ale celor trei procesede tranziie ntr-o molecul snt n ordine descresctoare, electronic -vibraional -rotaional, astfel:


181

- tranziiile rotaionale au loc la nivele energetice foarte sczute (lungimi deund mari, specifice microundelor sau infrarou ndeprtat, lungimi deund ce snt cuprinse ntre 100 mm i 10 cm);

- tranziiile vibraionale necesit energii mai mari i se plaseaz ndomeniul infrarou apropiat;

- tranziiile electronice necesit energii mult mai mari ceea ce le plaseazn domeniul vizibil i ultraviolet;

La temperatura obinuit a mediului se consider c molecula este n stareaenergetic cea mai sczut, E0 , denumit stare fundamental. Tranziia purrotaional va avea loc numai din aceast stare fundamental, figuraII.4.1.(A). Atunci cnd au loc tranziii pur rotaionale, n spectru vor aprea liniidrepte discrete de absorbie, lungimea de und a fiecrei linii corespunzndunei tranziii particulare. Din punct de vedere analitic tranziiile rotaionalepure nu prezint o importan att de mare. Dac energia absorbit crete(lungimea de und descrete), pe lng tranziiile rotaionale apar i tranziiivibraionale rezultnd diferite combinaii ale regimului roational vibraionalcu foarte multe valori. Fiecare nivel de rotaie al celui mai sczut nivelvibraional poate fi excitat la diferite nivele rotaionale ale nivelului vibraionalexcitat, figura II.4.1.(B), n plus ar putea exista cteva nivele vibraionale,fiecare cu un anumit numr de nivele rotaionale. Aceasta conduce lanumeroase tranziii discrete, rezultatul fiind un spectru cu o densitate extremde mare de linii astfel nct acestea nu se pot distinge i percepe clar. Dincauza suprapunerii tranziiilor rotaionale peste cele vibraionale, cu toate ctranziiile vibraionale snt tot discrete, spectrul de vibraie apare ca ostructur de peak-uri continue n care nu se pot diferenia liniile discrete.Lungimile de und la care se formeaz aceste peak - uri pot fi puse ncoresponden cu modurile de vibraie n interiorul moleculei. Acestea au locin infrarou mijlociu i ndeprtat


182

Fig. II.4.2. Spectrul n infrarou al uleiului de motor 10W4 [5]La energii mult mai nalte (lungimi de und n vizibil i ultraviolet) au

loc tranziii de electroni la diferite nivele. Peste acestea se suprapun tranziiilerotaionale i vibraionale, figura II.4.1.(C). Dei toate tranziiile au loc n paicuantificai, corespunztor unor lungimi de und discrete i aici numrul delinii este extrem de mare pentru a da un spectru de linii clar. Ca atare i ncazul tranziiilor electronice apare un spectru de benzi largi ale lungimilor deund absorbite. n figura II.4.2. este reprezentat informativ un spectru ninfrarou, iar n figura II.4.3. este reprezentat un spectru de absorbie ndomeniul ultraviolet vizibil. Discuiile la acest capitol au fost limitate lamolecule deoarece majoritatea spectrelor de absorbie din soluii sntmoleculare. In cazul atomilor singulari, care apar n flacr sau n arc electric,au loc numai tranziii electronice (acetia nu se rotesc i nu vibreaz). Liniilecorespunztoare apar ca linii nguste clare. Aspectele legate de tranziiile purelectronice s-au discutat la capitolul II.1.1.2


183

Fig II.4.3. Spectrul n vizibil al unei soluii de permanganat de potasiude concentraie cunoscut [5]

Viaa strilor excitate ale moleculelor este destul de scurt ceea ceface ca moleculele s revin la starea fundamental stabil din punct devedere energetic. De multe ori, revenirea pe starea fundamental se face peaceeai lungime de und pe care s-a produs emisia ceea ce duce la procesede coliziune al cror rezultat este emisia de cldur. Aceasta caldur estens greu msurabil din cauza nivelului ei sczut. n schimb emisia de fotonin domeniul vizibil este sesizat prin culoarea substanei sau a corpuluirespectiv.

Spectrometria de absorbie molecular are aplicaii att n analizacalitativ ct i n cea cantitativ. Se iradiaz proba de analizat cu radiaii delungimi de und diferite (de exemplu n domeniul UV-VIS) i se nregistreazspectrul de absorbie (intensitatea radiaiei n funcie de lungimea de und,(n infrarou se nregistreaz spectrul n funcie de numrul de und). Cuajutorul spectrului nregistrat i cu ajutorul unor atlase spectrale se identific


184

speciile moleculare care se regsesc n dreptul unei anumite lungimi de undspecifice. La aparatele moderne echipate cu tehnic de calcul i soft specificidentificarea se face automat. Spectrometria n infrarou folosete la oraactual pe larg identificarea automat a speciilor chimice. La analizacantitativ se determin concentraia unei anumite specii chimice pe bazacorespondenei acesteia cu intensitatea radiaiei absorbite din radiaiaincident cu lungimea de und specific acelei specii moleculare.

Spectrometria molecular se poate aplica speciilor chimice n starede agregare lichid, gazoas sau solid. La analiza n stare lichid, pefotodetector cade o cantitate de radiaie monocromatice specific cereprezint diferena dintre cantitatea iniial a radiaie i cantitatea radiaieiabsorbite de prob, cea din urm fiind proporional cu concentraia. Analizagazelor presupune nchidere unui volum constant de gaz ntr-o celulspecial i fotometrarea acesteia. Spre deosebire de lichide, concentraiastabilit la analiza cantitativ a gazelor este puternic dependent de presiunei de temperatur. De asemenea, dat fiind distana mare ntre molecule,pentru ca metoda s prezinte sensibilitate suficient de bun cuvele aulungimi mari care pot ajunge la valori de ordinul zecilor de centimetrii. Dinmotivele enumerate mai sus analiza spectrofotometric a gazelor seefectueaz de regul numai sub forma analizei calitative. Atunci cnd ianaliza cantitativ este totui strict necesar se poate alege soluiabarbotrii gazelor printr-un mediu chimic lichid a crui compoziie este astfelstabilit nct speciile sale chimice s dea reacii de culoare cu gazelebarbotate. La spectrofotometrarea solidelor este analizat cantitatea deradiaie reflectat de proba solid supus analizei. Din cantitatea radiaieipolicromatice incidente va lipsi o cantitatea proporional cu concentraiilespeciilor chimice prezente n materialul solid, iar n cazul iradierii acestuia curadiaie monocromatic va lipsi din cantitatea iniial a radiaiei o cantitateproporional cu concentraia speciei chimice creia i este specific radiaiaabsorbit. La spectrometria de absorbie molecular a corpurilor solidetrebuie avut n vedere c, dat fiind abaterea macro i microgeometric asuprafeei examinate de la o suprafaa perfect plan reflexia se realizeaz i


185

pe alte direcii dect direcia radiaiei incidente, ca urmare cantitatea deradiaie ce cade pe detector nu reflect numai radiaia absorbit de prob cii cantitatea reflectat pe alte direcii afectnd sensibilitatea i preciziadeterminrii. n principiu, reflexia poate fi total, parial sau inexistent. Uncorp care reflect total lumina alb apare opac i de culoare alb, dac uncorp nu reflect lumina (aceasta este total absorbit) corpul apare de culoareneagr i este opac, iar dac un corp reflect parial lumina alb (aceastaeste parial absorbit) acesta apare colorat n culoarea complementar culoriiabsorbite. n cazul soluiilor acestea au o anumit culoare pentru c las streac (transmit) aceast culoare i absorb n schimb culoareacomplementar. De exemplu, o soluie este perceput de culoare roiedeoarece soluia absoarbe culoarea verde i transmite culoareacomplementar (cea roie), tot n acest sens pentru a msura absorbia

Tab.II.4.1. Domeniul spectral UV-VIS, culoarea soluiei de analizat ndomeniul VIS i culorile complementare

Culoarea transmis desoluiei de analizat (vizibil)

Lumina absorbit(culoarea complementar)

Culoarea absorbit desoluiei de analizat(invizibil)

Domeniullungimilor deund [nm]

invizibil Vacuum- ultraviolet


186

rou verde 490 580

albastru galben 580 - 595

verde - albastrui orange 595 - 650

verde (albastru-verzui) rou 650 - 780

invizibil Infrarou 780

fotometric a unei soluii roii cuva cu soluie trebuie iradiat cu culoareverde cu lungimea de und de 490 i 580 nm. n tabelul II.4.1. sntprezentate culorile vizibile ale soluiilor substanelor colorate precum iculoarea complementar ( nevizibil) absorbit de acestea.

II.4.2. Spectrofotometrie derivativ

La spectrofotometria derivativ spectrele snt reprezentri grafice alederivatei a 1-a, a 2-a sau superioare ale absorbiei sau transmisiei nfuncie de lungimea de und. Aceste reprezentri permit obinerea unordetalii spectrale imposibil de observat la reprezentarea clasic a spectrului.De asemenea, la analiza diferenial nu este nevoie de curb de etalonare,iar concentraia se poate determina mai exact n prezena unor factoriperturbatori. Avantajul interpretrii cu derivata 1-a, derivata a 2-a sauderivate superioare iese n eviden n mod deosebit la molecule dedimensiuni mari care provoac o mprtiere avansat a radiaiei cee ceare ca efect spectrograme cu peak-uri distribuite pe un cmp larg careacoper spectre individuale de legturi fcnd imposibil identificareacalitativ precis a componentelor substanei de analizat. n figura II.4.4.este reprezentat principiul spectrofotometriei derivative [1]. Se pleac de laspectrul a de absorbie, figura II.4.5 a, pentru care legea Lambert - Beer areespresia:


187

cbaA = (II.4.1)radiaiei purttoare a spectrului, iar traseul reprezentat cu linie

punctat reprezint traseul optic pentru fotografierea scrii cu lungimi deund 13, pe placa fotografic 10. Dup ce cad pe oglinda plan de reflexie5, radiaiile snt trimise spre segmentul inferior 7 al oglinzii

Fig.II.4.4. Principiul spectroscopiei derivativeaplicat la dou entiti moleculare cuspectre suprapuse

Fig.II.4.5. Spectre de absorbie pentrualbumin bovin [1] , a- spectrul normal, b-spectrul derivatei a 1-a, c- spectrulderivatei a 2-a [12]


188

radiaiei purttoare a spectrului, iar traseul reprezentat cu linie punctatreprezint traseul optic pentru fotografierea scrii cu lungimi de und 13,pe placa fotografic 10. Dup ce cad pe oglinda plan de reflexie 5,radiaiile snt trimise spre segmentul inferior 7 al oglinziiStructura aromatic fin nu se poate identifica n spectrul normal, eadevine vizibil abia n spectrul derivatei a 1-a. Dezavantajul spectrelordifereniale l reprezint faptul c raportul semnal/zgomot este mai micdect la spectrele clasice. La majoritatea determinrilor din domeniulultraviolet i vizibil raportul semnal/zgomot nu este este ns un factordeterminant.

II.4.3. SPECTROFOTOMETRIA MOLECULAR UV-VIS

Spectrofotometria (spectrometria) molecular se ocup cu analizacalitativ i cantitativ a spectrelor de absorbie n domeniul spectralultraviolet-vizibil (UV-VIS) a substanelor anorganice sau organice n starelichid sau gazoas. Din cauza faptului c n domeniul UV-VIS nu toatesubstanele sau elementele chimice au spectre de absorbie cu maxime clareanaliza calitativ nu este att de reprezentativ ca cea cantitativ n acestspectru. La analiza cantitativ se procedeaz la fotometrarea (msurarea)intensitii radiaiei absorbite la o anumit lungime de und (ce se gseten zona maximului de absorbie) de unde vine i termenul de fotometrie,aceasta fiind una din cele mai utilizate metode din cadrul analizeiinstrumentale cantitative la substane lichide i cuprinde domeniul ultravioleti vizibil. Avantajul fotometriei const n primul rnd n faptul c permitedeterminarea concentraiilor att a substanelor anorganice ct i asubstanelor organice. De asemenea, analizei fotometrice i snt specificeprecizii, reproductibiliti i sensibiliti ridicate. Limita de detecie este bunsitundu-se normal ntre 10-4 M i 10-5 M, iar prin msuri specifice ea poatefi cobort pn la nivelul de 10-6 M i 10-7 M. n cazul n care substana de


189

analizat prezint absorbie de radiaie luminoas n domeniul vizibil sauultraviolet fotometria poate fi folosit direct fr transformare de substan(ex.permanganat de potasiu, sulfat de cupru, clorur de nichel s.a). Pentru aputea folosi fotometria i la substane ce nu prezint o absorbie clar deradiaie luminoas pe o anumit lungime de und (ex. glucoz, urin,albumin, creatinin, aminoacizi), se poate produce o transformare chimicsau enzimatic a substanei. n cel din urm caz fie substana de analizateste transformat chimic sau biochimic cu reactivi de culoare sau cu enzimentr-un produs colorat, fie substana de analizat nsi provoac reacii deculoare specifice. Urmtoarele exemple snt reprezentative n acest sens:

Ex. 1. La reacia biuretului, n mediu puternic alcalin, ioni de cupruse depun la legturile peptidice ale proteinelor rezultnd un complex coloratviolet. Intensitatea de colorare a complexului poate fi msurat la lungimeade und de 546 nm, absorbia radiaiei fiind proporional cu concentraiaproteinelor

Ex.2. La reacia xantoproteic, tratarea unei proteine care conineaminoacizi cu nucleu aromatic cu acid azotic concentrat, la cald, duce lanitroderivai colorai n galben nchis. Intensitatea coloraiei (absorbiaradiaiei msurate fotometric) este proportional cu concentraia proteinelor. Ex.3. La reacia de identificare a albuminei prin adugare debromcrezol amestecului de substane se formeaz un complex verde ntrealbumin i verde de bromcrezol, iar absorbia acestui complex, msuratfotometric, este proporional cu concentraia albuminei.

Ex.4. La reacia sulfurii de plumb, aplicabil proteinelor cutioaminoacizi (metionin, cistein) soluiile de proteine nclzite la fierbere, nprezena acetatului bazic de plumb, duc la degajare de hidrogen sulfuratcare la rndul lui d un precipitat de sulfur de plumb ce se poatedetermina turbidimetric sau nefelometric.

Ex 5. Acidul uric reduce fosfatul acid de wolfram la un colorantalbastru. Absorbia acestui colorant, msurat fotometric, este proprionalcu concentraia de acid uric.


190

Un alt avantaj al fotometriei fa de spectrofotometrie se reflect npreul de cost al aparatelor, astfel preul unui fotometru este sensibil mai micdect al unui spectrofotometru.

Dac o cuv paralelipipedic transparent este umplut cu o soluie iiradiat cu lumin atunci o parte din lumin este absorbit de particulele dinsoluie (absorbie), o parte este lsat s treac (transmisie) i o mic parteeste mprstiat, figura II.4.6.

Fig.II.4.6. Absorbia, transmisia i mprtierea luminii de ctre o soluie

Plecnd de la faptul c lumina mprtiat reprezint o parte mic iconstant din lumina incident, absorbia respectiv transmisia devin funciiale numrului de particule existente n soluie deci funcii ale concentraieiacestor particule. Rezult c prin msurarea cantitii de lumin transmisprin prob se poate determina, prin scderea ei din radiaia incident,concentraia particulelor care absorb lumin. n cazul substanelor lichide,perfect transparente, ce absorb radiaie electromagnetic n domeniul vizibilsau ultraviolet, procedeul de determinare a concentraiei pe baza msurriiabsorbiei se face la lungimi de und bine definite din spectrul de radiaie, iarprocedeul de msurare se numete fotometrie. n cazul procedeul dedeterminare a concentraiei suspensiilor de particule solide n medii lichide,pe baza msurrii absorbiei luminii, procedeul de msurare poartdenumirea de turbidimetrie sau dup caz nefelometrie.


191

II.4.3.1.Spectrul de absorbie al soluiilor colorate.

Absorbia radiaiiilor electromagnetice de ctre soluii depinde delungimea de und, fiecare specie chimic avnd un spectru propriu deabsorbie care este o reprezentare grafic a absorbiei A n funcie delungimea de und . Datorit faptului c domeniul coeficientului de absorbie poate varia n limitele a cinci ordine de mrime, se folosete adeseareprezentarea log A sau log n funcie de , vezi i fig.

Fig.II.4.7. Punctele caracteristice unui spectru de absorbie

Culoarea soluiei este determinat de valoarea max creia i corespunde uncoeficient de absorbie molar max. Substane diferite au culori diferitecaracterizate prin valori diferite max i max . Intensitatea coloraiei este datde max , iar puritatea culorii de limea benzii de absorbie definit prin 1/2 max- 1/2 max , figura II.4.7 Din punct de vedere analitic este de dorit ca limeabenzii de absorbie s fie ct mai ngust i max ct mai mare.

II.4.3.2. Alegerea lungimii de und


192

n funcie de structura molecular o substan absoarbe mai mult saumai puin lumin de o anumit lungime de und. Valoarea lungimii deund la care se fac msurtorile fotometrice se alege din spectrul deabsorbie al respectivei substane nct s fie satisfcut condiia uneiabsorbii (absorbane) ct mai ridicate ceea ce duce la o sensibilitate maxima msurtorii. Atunci cnd o substan prezint mai multe maxime de

Fig.II.4.8. Spectrogram de absorbie cu dou maxime de absorbie

absorbie, figura II.4.8, pe lng criteriul alegerii lungimii de undcorespunztoare absorbiei maxime, n decizia alegerii lungimii de und intri alte criterii, limea benzii de absorbie influennd precizia determinrii. Deexemplu, n cazul spectrului substanei din figura II.4.8, cu dou maxime deabsorbie, este preferat pentru fotometrare lungimea de undcorespunztoare maximului de absorbie de valoare mai mic B fa de celcu absorbie de valoare mai mare A. Motivul este acela c n cazul benzii deabsorbie A, limea benzii este foarte mic, o mic imperfeciune de aparatsau de fixare a lungimii de und poate duce la erori de msurare mari. Unexemplu edificator n acest


193

Fig.II.4.9. Influena limii mici de band asupra coeficientului molar de extincie

sens este redat n figura II.4.9. O substan cu band de absorbie maximngust, n domeniul ultraviolet, la lungimea de und de 360 nm, arevaloarea coeficientului molar de absorban de 6.000 mol-1 cm-1 pe cndfixarea eronat la o lungime de und la 415 nm duce la un coeficient molarde absorban de 3520 mol-1 cm-1, ceea ce duce la o eroare mare n cazuln care calculul concentraiei se face prin metoda folosirii coeficientului molarde absorban. De asemenea, mai trebuie avut n vedere faptul c lasubstane al cror spectru prezint mai multe maxime de absorbie, pe lngcriteriul absorbiei maxime i a unei limi de band rezonabile trebuieselectate pentru fotometrare de preferin maximele de absorbie la lungimimai mari de und deoarece lungimile de und mici, n special n domeniulultraviolet, bogate n energie, pot duce la distrugeri ale integritiimoleculelor prin reacii fotochimice.


194

Atunci cnd nu se cunoate lungimea de und la care absorbia estemaxim, n vederea alegerii lungimii de und optime de lucru, se folosescspectrofotometre nregistratoare care scaneaz i nregistreaz spectrulsubstanei de analizat (distribuia intensitii de absorbie fotometric nfuncie de lungimea de und) din domeniul ultraviolet pn n domeniulinfrarou, se identific pe spectru specia chimic de interes i seextrapoleaz pe abscis valoarea maxim a peak-ului. La ora actual,aceeai funcie o ndeplinesc spectrometrele cu detector Diode-Array carepreiau i descompun spectral un domeniu larg de lungimi de und carepoate acoperi zona ultraviolet, cea vizibil i zona infrarou apropiat.

II.4.3.3. Alegerea grosimii de strat

Pentru a realiza o grosime de strat constant snt folosite cuveparalelepipedice din sticl optic special n care se introduce substana deanalizat. Cu ct este mai lung drumul parcurs de lumin prin cuv cu att maimulte entiti atomice sau moleculare ale speciilor vor fi atinse de acesta icu att mai mare este cantitatea de lumin absorbit, absorbia crescndexponenial cu drumul parcurs de lumin. La analiza static, grosimeastratului este dat de dimensiunea interioar a cuvei, iar la analiza ncurgere de diametrul interior al celulei de curgere. n figura II.4.10 estereprezentat variaia teoretic a transmitanei respectiv a absorbanei nfuncie de grosimea de strat. La alegerea grosimii de strat pentru o anumitaplicaie trebuie avut n vedere corelarea cu concentraia pentru asigurareavalabilitii legii Lambert-Beer, lege care presupune o coresponden liniarntre absorbana optic a soluiei i concentraia, respectiv grosimea de strat.n realitate, corelarea data de Legea Lambert - Beer nu este perfect


195

Fig.II.4.10. Reprezentarea sugestiv a influenei transmisiei i absorbanei de ctregrosimea de strat, respectiv de ctre concentraie

liniar ci uor exponenial, ceea ce presupune folosirea unei grosimi destrat n aa fel nct dependena dintre absorbana optic A msurat iconcentraia c a speciei chimice analizate s cad n zona liniar, (vezi icap. II.4.4.1.). Situaiile care duc la alegerea unei anumite grosimi de stratapar atunci cnd se constat c proba supus analizei spectrofotometriceprezint fie o concentraie prea mare care o situeaz n zona neliniar adependenei absorban optic-concentraie, fie atunci cnd proba prezinto concentraie prea mic care o situeaz din punct de vedere al sensibilitiimsurtorii sub limita de detecie a spectrometrului. n primul caz se alege ocuva cu o grosime de strat mai mic dect cea folosit n mod curent sau


196

atunci cnd este posibil se dilueaz controlat soluia analizat. n cazul aldoilea se alege o cuva cu grosime de strat mai mare dect cea folositcurent. Pentru determinarea concentraiilor mici din domeniul urmelor precumi pentru determinarea concentraiei gazelor se folosesc totdeauna cuve cudimensiunea maxim permis de aparat.

II.4.4. Analiza spectrofotometric calitativ icantitativ

Spectrofotometria de absorbie molecular are aplicaii att n analizacantitativ ct i n cea calitativ. Spectrometria de absorbie molecularefectuate n cele trei domenii spectrale UV-VIS-IR nu are n schimb aceleaiperformane n ce privete analiza calitativ i cantitativ. Astfel, datoritunor maxime de absorbie clar delimitate spectral n domeniul UV-VIS,acest domeniu este folosit preponderent n analiza cantitativ. Datoritbogaiei de informaii privind identificarea naturii speciilor chimice domeniulIR este folosit preponderent n analiza calitativ i mai puin pentru analizacantitativ deoarece rezoluia de msurare a suprafeei peak-urilor este maislab datorit ngustimii acestora.

Tab.II.4.2. Lungimi de und i poziii ale benzii de absorbie specifice maximelor de absorbie pentru legturi cromofore i grupri funcionale n domeniul

spectral ultraviolet i infrarou

Domeniul ultraviolet Domeniul infrarouGruparecromofor

Lungimede und(max) [nm]

Gruparefuncional

Poziia benzii deabsorbie [cm-1]

C=C 175 C-H 2850-2960CC 175 =C-H 3020-3100


197

195 C=C 1650-1670223 C-H 3300

C=O160 CC 2100-2260185 C-Cl 600-800280 C-Br 500-600

R-NO2200 C-I 500274 O-H 3400-3640

CN 165 C-OH 1050-1150C=C-C=C 217

C-H3030

C=C-C=O220 1600,1500315 N-H 3310-3500

C=C-CC220 C-N 1030,1230230 C=O 1670-1780

C6H6184 COOH 2500-3100204 CN 2210-2260255 NO2 1540

n tabelul II.4.2. snt date lungimi de und specifice pentru maxime deabsorbie a unor grupri cromofore i grupri funcionale pentru domeniulultraviolet i infrarou. Existena unor absorbii la aceste lungimi de undindic prezena respectivelor grupri n substana de analizat.

II.4.4.1. Analiza spectrofotometric cantitativ

n cazul fotometriei de absorbie diminuarea intensitii radiaieiincidente I0 depinde de:

- natura speciei sau speciilor chimice analizate, exprimat princoeficientul molar de absorbie a,

- de grosimea b a stratului de soluie sau de gaz pe care l traverseazaceasta


198

- de concentraia c a speciei sau speciilor chimice din soluia sau gazulanalizat

Aceste dependene snt valabile pentru lungimile de und specifice specieisau speciilor chimice analizate, condiia fiind ca mediul analizat s fietransparent i omogen i s aib o temperatur prestabilit i cunoscut.n aceste condiii, scderea intensitii radiaiei incidente I0, figura II.4.11,se datorete numai absorbiei soluiei lichidului sau

III a0 += (II.4.5)

Fig.II.4.11. Variaia intensitii radiaiei luminoase latrecerea printr-o cuv transparent cu soluie

gazului analizat. Din punct de vedere matematic aceste dependene sntdescrise de legea Lambert-Beer:

cbaII

log 0 = (II.4.6)

unde: a - coeficient de absorbie molar (coeficient de extincie molar) cereprezint o mrime specific speciei sau speciilor chimiceanalizate


199

b - grosimea stratului strbtut de radiaie c - concentraia substanei

Aceast lege st la baza analizei cantitative colorimetrice i fotometrice. Maitrebuie specificat c la folosirea legii Lambert-Beer, pentru determinareaconcentraiei pe cale fotometric, se face abstracie de fenomene fiziceprecum difuziune, refracie, polarizare, a cror influen asupra rezultatelordeterminrilor de concentraie este minor.n analiza fotometric se mai definesc urmtoarele mrimi :- Transmitana (T) :

0II

T = (II.4.7)

- Indicele de transmitan - transmitana unui strat cu grosimea de 1 cm.- Opacitatea (inversul transmitanei)

II

T1 0= (II.4.8)

sau sub form procentual :

100II

%T0= (II.4.9)

- Absorbana A - logaritmul cu semn schimbat (cologaritmul) altransmisiei (transmitanei):


200

A = - logT (II.4.10)

cbaII

logT1

logA 0 === (II.4.11)

Absorbana (A) = Extincie (E) = Densitatea optic (D)

Avnd n vedere expresia procentual a transmitanei T (ecuaia II.4.11) sepoate scrie pentru absorbana A urmtoarea relaie:

log%Tlog100%T100

logA -== (II.4.12)

sau :

log%T2A -= (II.4.13) i :

A)(200antilog%T -= (II.4.14)

Relaiile de mai sus reprezint de fapt expresia matematic a legii Lambert Beer. Absorbana este aditiv motiv pentru care mai multe straturi dinaceeai substan, cu aceeai concentraie, suprapuse dau o absorbie totalegal cu suma absorbanelor pariale.

O aplicaie important a legii Lambert- Beer o constituie determinareaconcentraiei anumitor specii chimice dintr-un amestec lichid solid sau gazosde substane. Pentru a putea individualiza aceast determinare este nevoiede separarea informativ a acelei specii chimice din amestec princonsiderarea numai a valorii absorbanei specifice corespunztoare lungimii


201

de und la care acea specie are absorbie maxim. n acest scop estenecesar ca radiaia incident I0 folosit pentru iradiere s fie monocromatic

a) b)Fig.II.4.12. Expresia grafic a tipurilor de dependene ntre Transmitana (T), Absorbana (A), Intensitatea radiaiei (I) i grosimea stratului de soluie exprimat de multiplii de celulestandard cu grosimea stratului de 10 mm (b)

cu lungimea de und corespunztoare absorbanei maxime a acelei speciichimice, iar legea Lambert - Beer are expresia:

bcaAmolmol

= (II.4.15)

n figura II.4.12 este reprezentat expresia grafic a tipurilor de dependenentre Transmitana T, absorbana A, intensitatea radiaiei I i grosimea ba stratului de soluie analizat.

Coeficientul de absorbie molar (amol) (denumit i coeficientul deextincie molar (mol) reprezint raportul dintre absorbana (A) i produsuldintre concentraia molar (cmol), ( moli/l) a soluiei i grosimea (b) a stratuluide soluie strbtut de radiaie:


202

bcA

amol

mol = (II.4.16)

Coeficientul de absorbie molar amol reprezint o constant asubstanei absorbante, el caracterizeaz sensibilitatea unei reacii deculoare i limitele de concentraii ntre care este posibil dozareasubstanei prin fotometrie. Mrimea acestui coeficient variaz n limitelargi. Legea Lambert-Beer este valabil la toate tipurile despectroscopie de absorbie atomic i molecular. Pentru o lmurire maibun a aspectelor legate de legea Lambert- Beer, n figura II.4.13 estereprezentat dependena dintre a) transmisia i concentraia soluiei,b) dintre absorban i concentraia soluiei, c) dispunerea gradaiilorde transmisie i de absorban pe scara gradat aa cum apare ea laun spectrofotometru analog. Din compararea celor patru situaiireprezentate n figura II.4.10 se observ c efectul creterii de trei ori aconcentraiei c a soluiei analizate asupra transmisiei T, respectiv asupraabsorbanei A este acelai ca i cel al creterii grosimii (b) a stratuluisoluiei de trei ori, constatri care snt n concordan i cu expresiilegrafice din fig.II.4.12-a,b, respectiv figura II.4.13-a, b.


203

Fig.II.4.13. Expresia grafic a dependentei dintre: transmisia i concentraia soluiei - a),dintre absorban i concentraia soluiei - b), dispunerea gradaiilor de transmisie i deabsorban pe scara gradat a unui spectrofotometru analog - c),

n ambele cazuri prezentate mai sus, la determinarea concentraiei pe calefotometric pentru a avea determinare matematic trebuie s existe doardou variabile n expresia legii Lambert - Beer, una dependent(concentraia -c) i una independent (absorbana - A n primul caz) saugrosimea de strat - b n cel de-al doilea caz), ceilali parametrii din relaietrebuind s fie constani. Pentru rezoluie i sensibilitate ridicat se foloseteo radiaie luminoas cu o band spectral ngust a crei lungime de undtrebuie s se plaseaze n zona maximului de absorbie a speciei de analizat.n cazul n care maximul de absorbie spectral nu este cunoscut el sedeterrmin din reprezentarea grafic a absorbiei la diferite lungimi de und.

II.4.4.1.1. Abateri ale legii Lambert- Beer


204

Aa cum rezult din legea Lambert - Beer, pentru o anumit substandat i o grosime de strat precis, dependena ntre absorbana A iconcentraie c este linear, figura II.4.14. Aceast dependen este valabilns numai n domeniul concentraiilor mici de pn la 10-2 mol/l. n asemeneasoluii diluate fiecare molecul a substanei de analizat absoarbe luminmonocromatic independent de moleculele vecine. La concentraii mai marise ajunge la erori importante de msurare. Determinarea concentraiei pecale fotometric i la soluii concentrate const n diluarea controlat aacestora sau dac nu este posibil folosirea unor cuve de grosime mai mic.Dimpotriv, dac concentraiile snt foarte mici, sub limita de detecie, sefolosesc cuve cu grosimea stratului de soluie mare (pn la 100 mm lalichide i sute de mm la gaze)

Dac substana analizat i modific proprietile fizico-chimice nfuncie de concentraie apar abateri de la liniaritate, figura II.4.14. Acesteabateri pot avea dou cauze: chimice i fizice. Cauzele chimice snt generatede modificarea coeficientului molar de extincie (de absorbie) ca urmare aapariiei unor reacii chimice la diferite concentraii. Asemenea reaciideplaseaz echilibrul chimic, pot aprea compleci, se modific indicele derefracie. Cauzele fizice snt generate de:- reflexie i absorbie de pe pereii cuvelor. De regul, la celule de grosime

normal, abaterea de la liniaritate datorat reflexiei este mic i se poateneglija. La celule de grosime mic a soluiei aceast abatere nu mai poatefi neglijat i este necesar practicarea unor factori de corecie;


205

Fig.II.4.14. Dependena absorbiei de concentraia molar

- imposibilitatea asigurrii unei radiaii incidente monocromatice. n situaiaunei radiaii cu mai multe lungimi de und n compunere, 1 , 2 ,.n ,legea Lambert - Beer este valabil separat pentru fiecare lungime deund n parte. Acest lucru duce ns la un coeficient mediu de absorbiemolar amol diferit de coeficientul corespunztor unei anumite lungimi de und;

- variaii de temperatur. La determinri de mare precizie se lucreaz ncondiii termostatate deoarece se face simit influena modificrilor detemperatur asupra indicelui de reflexie, absorbie i refracie;

- turbiditate riducat a probei. La probe tulburi se ajunge la mprtieriimportante ale radiaiei incidente care snt percepute de senzorulfotoelectric drept concentraii ceea ce duce la erori importante demsurare;

- domeniul de valabilitate a legii Lambert-Beer se determin experimentalpentru fiecare caz n parte prin construirea graficului absorbiei A sau atransmisiei T n funcie de concentraia c;


206

II.4.4.1.2. Msurarea absorbanei i a transmisiei n condiii delaborator

Determinarea absorbanei A i a transmisiei T aa cum snt eledefinite prin relaiile (II.4.11) i (II.4.14) nu este posibil n condiii delaborator datorit faptului c soluia de analizat este dizolvat de unsolvent cu absorban optic proprie precum i datorit faptului c la trecerearadiaiei prin cuva din sticl apar reflexii i absorbii provocate de pereiacesteia, refracii la traversarea mediilor: aer - sticl - soluie-sticl - aer,apar dispersii de radiaie provocate de ctre molecule mari din soluie. naceste condiii, valoarea intensitii radiaiei absorbite de solvent i de pereiicuvei precum i valoarea intensitii radiaiei disipate de pereii cuvei prinreflexie i refractie, dispersiile provocate de ctre moleculele mari din soluie,trebuie sczut din valoarea intensitii radiaiei incidente, numai aavaloarea intensitii radiaiei trecute prin proba reflect corect concentraiaspeciei chimice analizate. Nerespectarea acestor realiti duce la erori demsurare care pot ajunge pn la 10%. Pentru a putea efectua n condiii delaborator msurri corecte de absorban respectiv de transmisie secompar (prin efectuarea unui raport matematic) intensitatea radiaieitransmise prin solvent Isolvent cu intensitatea radiaiei Iproba transmis prinproba dizolvat n solvent:

p

s

proba

solvenII

ItIlogA == (II.4.17)

Prin aceast tehnic, redat sugestiv i prin figura II.4.15, influenele asupraintensitii


207

Fig. II.4.15.Tehnica msurrii altenative a absorbanei optice

radiaiei trecute prin prob se compenseaz deoarece majoritatea acestorase regsesc att n cuva cu solvent ct i n cuva cu soluie. Din punct devedere matematic, valoarea influenelor negative de la numitor, relaia(II.4.17), se simplific matematic cu cele de la numrtor dnd o valoareapropiat de unu, valoare ce influeneaz nesemnificativ rezultatuldeterminrilor cantitative. n felul acesta valoarea absorbanei A a uneianumite soluii analizate reflect numai concentratia c i grosimea b acoloanei de lichid iradiat, iar relaia (II.4.17), cu referire la fig. II.4.15, poatefi scris ca:

I

Ilog

II

logA 0p

s == (II.4.18)


208

Att spectrometrele cu afiare analog ct i cele cu afiare digitalpot indica, respectiv afia, rezultatul fotometrrii unei soluii n valori deabsorban sau n valori de transmisie. Scara absorbanei este logaritmic,cu valori cuprinse ntre 0 i , n mod practic valoarea 2 fiind limitativ dinpunct de vedere a unei rezoluii acceptabile, iar scara transmisiei este oscar liniar cu valori cuprinse ntre 0 i 100%, iar n figura II.4.13 sntredate grafic cele dou scri, la aparatele cu indicare analog ele reprezintchiar scrile de pe frontul apratului, poziia acului indicator n timpul uneimsurri indicnd valoarea absorbanei sau a transmisiei probei. Laaparatele digitale valorile ce descriu aceste dou scri snt memorate nbaza de date, valoarea msurat a fotocurentului detectorului fiindextrapolat electronic pe aceste scri, iar valoarea rezultat ca urmare aextrapolrii este afiat digital ca absorban A sau transmisie T. Lamsurarea absorbanei nu este nevoie de calibrarea aparatului n sensuldefinirii absorbanei minime i a celei maxime, n schimb la msurareatransmisiei este nevoie de calibrare pentru definirea valorii de transmisie 0% i a valorii de transmisie 100%. Pentru definirea valorii zero se introduceun opturator optic n traseul radiaiei luminoase i se regleaz zgomotul defond al fotocelulei i al circuitului electronic cu ajutorul unui potentiometru depe frontul aparatului pn cnd este indicat sau afiata pe ecran valoarea0%. Pentru reglarea valorii de 100% transmisie se ndeparteaz opturatoruloptic din traseul luminos i se introduce cuva cu solvent n calea radiaieiluminoase. Pentru reglarea indicrii de 100% transmisie exist dou mijloace,pe de-o parte se deschide i se nchide o diafragm reglabil pn cndindicaia este n jur de 100%, pe urm se ajusteaz fin dintr-unpoteniometru situat i el pe frontul aparatului, pn cind indicaia aparatuluieste exact 100% transmisie. Dup nlocuirea cuvei cu solvent cu cea cusoluie pe ecran este indicat direct valoarea transmisiei conform relaiei:

pp

0

p

solvent

proba I100100

I

I

I

I

I%T ==== (II.4.19)


209

II.4.4.1.2.1. Determinarea concentraiei unei substane ncondiii de laborator

Determinarea concentraiei unei specii chimice n condiii de laboratorfolosind legea Lambert-Beer este posibil prin corelarea acesteia prinintermediul unei curbe de etalonare cu una din mrimile:

- absorbana A optic- grosimea b a stratului soluiei de analizat

n acest scop:- lungimea de und a radiaiei- natura solventului- natura substanei de analizat- temperatura soluiei de analizat- pH-ul soluiei de analizat

trebuie cunoscute i meninute constant pe toat perioada msurrii.Msura n care se reuete acest lucru nflueneaz n mare parteperformana n fotometria cantitativ.

II.4.4.1.2.1. Determinarea concentraiei prin msurareaabsorbanei optice

Cea mai simpl metod de determinare a concentraiei pe calefotometric este aceea de a compara absorbana A a unei soluii deconcentraie cunoscut a substanei de analizat cu absorbana Ax a uneisoluii de concentraie necunoscut a aceleiai substane. Este evident cfiind vorba de aceeai substan absorbanele molare snt identice, iarsubstana analizat trebuie s aib aceeai grosime, ceea ce presupunefolosirea de cuve identice. Expresia celor dou extincii este:


210

cbaAmol

= (II.4.20)

xxcbaA mol = (II.4.21)

unde : amol - coeficientul de extincie molar pentru soluia de concentraie

cunoscut, respectiv de concentraie necunoscut b - grosimea probei din cuv c - concentraia cunoscut a probei de referin cx - concentraia necunoscut a probei analizate

Prin mprirea celor dou ecuaii se obine:

c xx bacba

AA

mol

mol

= (II.4.22)

Dup simplificarea coeficientului molar i a grosimii stratului de electrolit caresnt aceleai pentru ambele probe, ecuaia de mai sus devine:

c

cAA

xx= (II.4.23)

ecuaie din care se poate calcula concentraia cx necunoscut prin relaia:

cA

Ac xx = (II.4.24)

Folosirea calculului concentraiei prin comparaie este folosit ntotdeaunaatunci cnd una dintre componentele sistemului sufer variaii n timp. Deasemenea, ea este valabil numai atunci cnd dependena ntre absorbani concentraie este liniar. n cazul n care aceast dependen esteneliniar apar erori de determinare care snt cu att mai mari cu ct abaterea


211

de la liniaritate este mai mare. Pentru sigurana determinrii concentraiei nzona liniar, mai ales dac este vorba de concentraii mai mari, serecomand realizarea unui grafic de etalonare cu concentraii cunoscute. ndomeniul concentraiilor mici se obine o dependen liniar ntre absorbani concentraie, iar la concentraii mari dependen neliniar. Determinareaconcentraiei necunoscute a probei analizate cu ajutorul curbei de etalonarese face prin extrapolarea absorbanei msurate pentru acea prob pe axaabcisei unde se citete concentraia ei. Pentru determinri de precizie serecomand numai lucrul n zona liniar a curbei de etalonare. La fotometremoderne prevzute cu microprocesor, perechile de valori absorbie-concentraie cu care se realizeaz curba de etalonare snt memorate,extrapolarea efectundu-se automat, aparatul afind numeric valoareaconcentraiei.

Toate valorile msurate snt afectate de imprecizii de msurare maimari sau mai mici. Prin metode statistice este posibil exprimarea curbei decalibrare sub forma unei funcii de calibrare, n acest scop fiind folositmetoda regresiei liniare, respectiv verificarea concordanei liniaritii prinmetoda celor mai mici ptrate. n cazul general, ecuaia unei drepte cuintersecia ordonatei ntr-un punct d se poate exprima prin relaia:

daxy += (II.4.25)

Ecuaia curbei de calibrare se poate exprima prin relaia:

dcaA += (II.4.26)

unde:A - absorbana optica - coeficientul de absorbiec - concentraia


212

d - punctul de intersecie a ordonatei corespunztor valoriisemnalului rezidual (vezi i cap.I.6, fig.I.2)

Dac snt cunoscute valorile coeficientului de absorbie a i a semnaluluirezidual b, atunci se poate calcula concentraia c pentru fiecare valoarea absorbanei A folosind legea Lambert Beer:

dcbaA += (II.4.27)

unde: b- grosimea de strat fotometrat

Pentru a stabili msura n care curba de calibrare se nscrie n domeniulliniar se determin factorii a i d dup metoda celor mai mici ptrate, iardin valorile experimentale se determin factorul de corelaie R, factor caredescrie concordana de liniaritatre dintre curba de calibrare experimental iecuaia unei drepte. Cu ct factorul de corelaie R este mai aproape de unucu att concordana de liniaritate este mai mare, se consider c pentru ometod analitic acesta ar trebui s fie mai mare de 0,98 [1], [13].

II.4.4.1.2.1.1. Erori posibile la determinarea absorbanei soluiilor

Absorbana final msurat, Amsurat , n cadrul unei determinri pentru osoluie este o absorban cumulativ i se compune din:

- absorbana Ap a probei de analizat sau a produsului de reacie. n cazuln care substana de analizat nu prezint absorbie specific se poateprovoca o transformare chimic sau enzimatic a substanei deanalizat ntr-un produs colorat a crui intensitate de absorbiefotometric este proporional cu concentraia;


213

- absorbana Ac datorat culorii proprii a probei (este vorba de altculoare dect culoarea absorbit pentru care se determin dependenadintre concentraie i extincie);

- absorbana Ar datorat reactivilor;Absorbana datorat culorii proprii a probei i absorbana datoratreactivilor denatureaz valoarea real a absorbanei speciilor chimice deanalizat sau a produsului de reacie, ca atare la msurri de mare acurateeaceste absorbane se scad din valoarea absorbanei globale msurate,motiv pentru care poart i denumirea de absorbana de compensare. Sepoate scrie:

Amsurat = Aprob + Aculoare proprie + Areactiv (II.4.28)

sau:Am = Ap + Ac + Ar (II.4.29)

Exprimnd grafic se obin dependenele din figura II.4.17.


214

Fig.II.4.17. Componentele absorbanei msurate i succesiunea determinrii n timp a celortrei componente. A -fotometrul este reglat la zero, B- se fotometreaz reactivii fr reactivulde baz, C-se introduce proba ce prezint o culoare individual i se fotometreaz, D-seadaug reactivul de baz, are loc reacia de culoare dup care se fotometeeaz din nou.

Absorbana final va cuprinde absorbana probei msurate dar i cele douabsorbane nedorite de compensare. n figura II.4.18. este dat oexemplificare grafic n care se compar absorbiile Am finale msuratepentru dou substane identice cu concentraie identic (absorbia final Ammsurat ar trebui s fie aceeai pentru ambele probe). Dat fiind faptul cprobele au fost obinute ns n condiii diferite se obin valori diferite pentruabsorbiile de compensare ceea ce duce la valori diferite pentru absorbiafinal.


215

Fig.II.4.18. Absorbia final pentru dou probe identice, de concentraii identice,obinute n condiii diferite.

Cu toate c proba A i proba B au exact aceeai concentraie a substaneide analizat, la proba B absorbia final msurat prezint o valoare mai maredect la proba A. Aceste diferene rezult ns numai din cauza absorbiilorde compensare. Dac se scade suma valorilor celor dou absorbii decompensare din valoarea absorbiei finale msurate, rmne numai absorbiacaracteristic substanei analizate care are aceeai valoare pentru ambelesituaii. La msurri cinetice, de obicei, nu este nevoie de compensareaabsorbiei deoarece la acest procedeu se msoar modificrile absorbiei peunitate de timp, figura II.4.19.

La msurri cinetice modificarea absorbiei se raporteaz la unitateade timp i se determin n timpul desfurrii reaciei. Avnd n vedere cproba A i proba B n exemplul nostru prezint aceeai concentraie asubstanei de analizat, cele dou reacii se desfoar cu aceeai vitez,motiv pentru care valoarea final a absorbiei nu este influenat de ctreabsorbiile de compensare. Din motive de timp, de multe ori, se


216

Fig.II.4.19. Msurarea absorbiei n condiii cinetice pentru aceleai probe ca n figura II.4.18.

procedeaz la msurarea absorbiei reactivilor i ulterior dup reacie aabsorbiei finale sczind prima valoare din ultima. Acest mod de lucru esteunul practic ns pierde din vedere faptul c absorbia reactivilor se poatemodifica. Din acest motiv este mai recomandat etalonarea fotometrul la zerocu ap distilat sau cu aer i nregistrarea separat, n funcie de valoareazero, a absorbiei de compensare i a absorbiei finale, din diferenaultimelor dou detrminndu-se absorbia real a substanei analizate.

II.4.4.1.2.2. Determinarea concentraiei prin msurarea grosimiide strat

La acest procedeu se egalizeaz absorbia soluiei de concentraiecunoscut cu absorbia soluiei de concentraie necunoscut prin modificareagrosimii stratului de soluie. La egalizarea intensitilor luminoase transmiseprin cele dou soluii, absorbiile:


217

111 cbA = (II.4.30)

xxx cbA = (II.4.31)

vor fi egale ntre ele: xx11x1 cbcbAA === (II.4.32)

de unde: 1x

1x cb

bc = (II.4.33)

Din relaia de mai sus rezult i principiul determinrii concentraiei cx ianume determinarea se rezum la msurarea grosimii straturilor b1 i bx,efectuarea raportului ntre ele i nmulirea raportului cu valoareaconcentraiei c1 cunoscute. Aparatul cu care se fac aceste determinri estecolorimetrul Dubosque, figura II.4.20. Dou fascicule de lumin identice caintensitate trec prin stratul de grosime l1 a soluiei cunoscute de concentraiec1 i prin stratul de grosime lx a soluiei de concentraie cx necunoscut, iar


218

Fig.II.4.20. Schema de principiu a colorimetrului Dubosque. 1-cuv cu soluie de concentraiecunoscut, 2-cuv cu soluie de concentraie necunoscut, 3,4-vergele de sticl, 5-sistem optic

de vizualizare

dup traversarea a dou vergele de sticl transparente 3,4 ajung prinsistemul optic 5 ntr-un ocular sub forma a dou cmpuri luminoase cuintensiti diferite. Prin doi tamburi etalonai n mm se pot deplasa cele douvergele pn cnd n ocular cele dou cmpuri au aceeai intensitate. Valorilecitite pentru b1 i bx de pe cei doi tamburi se nlocuiesc n relaia II.4.35 cucare se calculeaz concentraia necunoscut cx. n cazul fotocolorimetriei,cele dou fascicule cad pe dou fotocelule identice. Diferena celor doifotocureni este folosit dup amplificare ntr-o bucl de reglare carerealizeaz deplasarea automat a celor dou vergele pn la egalitateafotocurenilor. Valorile de deplasare ale vergelelor snt citite de senzori dedeplasare i transmise automat sistemului de procesare a datelor. Din cauzaconstruciei mai complicate cu dou canale optice sistemul determinrii


219

concentraiei pe baza dependenei ntre concentraie i grosimea de strat nus-a impus la scar larg, n practic mult mai extins fiind sistemuldeterminrii concentraiei pe baza dependenei ntre concentraie iabsorbie cu pstrarea constant a grosimii de strat.

II.4.4.1.2.3. Determinarea concentraiilor amestecurilor desubstane

Legea Lambert-Beer se poate aplica i la soluii ce conin mai mulicomponeni cu condiia ca ntre acetia s nu exist interaciuni. Pentruexprimarea extinciei E a unei soluii ce conine mai mult de o specie sepoate folosi urmtoarea expresie:

nn2211n2 cba....cbacbaA....AAA 1total +++=+++= (II.4.34)

unde : a1, a2, an - coeficienii de absorbie molari ale speciilor chimice 1,2,

.,n din soluie c1, c2, cn - concentraiile molare ale speciilor chimice 1,2, ,n n

soluie b - grosimea stratului de soluie analizat

Relaia de mai sus este de fapt expresia matematic a aditivitii absorbaneiunei soluii la o lungime de und dat n funcie de absorbanele substanelorce compun soluia. Pentru dou specii absorbante x i y, absorbanaamestecului este dat de relaia:

yyxx cbacbaA += (II.4.35)

unde :


220

ax, ay - coeficienii de absorban molar ai substanelor x i yb - grosimea stratului absorbant

cx,cy - concentraiile celor dou substane din amestec.

Dac se determin absorbana celor dou substane i absorbanaamestecului lor se obin spectrele din figura II.4.21 n care cu linie continusnt reprezentate spectrele de absorbie ale celor dou substane pure nsoluie, iar cu linie punctat spectrul de absorbie al

Fig. II.4.21. Spectrele de absorbie ale substanelor pure x i y i spectrul de absorbieal amestecului x i y, la aceleai concentraii, [5]


221

amestecului celor dou substane. Deoarece snt dou substane a crorconcentraie trebuie determinat vor trebui efectuate dou msurtori.Practic, se aleg dou lungimi de und pentru msurare, una la care are locmaximul absorbiei pentru substana x(1) i cealalt la care are loc maximulde absorbie pentru substana y(2). Se poate scrie atunci:

y1yx1x1y1x1cbacbaAAA +=+= (II.4.36)

y2yx2x2y2x2cbacbaAAA +=+= (II.4.37)

unde: A1 i A2 - absorbanele amestecului la lungimile de und 1 i 2 Ax1 i Ay1 - absorbanele substanelor x i y la lungimea de und 1 Ax2 i Ay2 - absorbanele substanelor x i y la lungimea de und 2 ax1 i ay1 - coeficienii de absorban molar ale substanelor x i y la lungimea de und 1 ax2 i ay2 - coeficienii de absorban molar ale substanelor x i y la lungimea de und 2

Cunoscndu-se concentraiile molare ale celor dou soluii pure princitirea absorbiilor celor dou soluii la lungimile de und 1 i 2 se determinextinciile lor molare. Din sistemul de dou ecuaii de mai sus singurelenecunoscute rmn cx i cy care se pot calcula prin gsirea soluiei sistemului.Dac spectrul substanei x nu se suprapune peste cel al substanei y lalungimea de und 2, concentraia substanei y poate fi determinat dintr-osingur citire a absorbiei acesteia la lungimea de und 2. Concentraiasubstanei x poate fi apoi calculat din absorbia amestecului la lungimea deund 1 din care se scade absorbia substanei y la aceeai lungime de und,aa cum rezult din ecuaiile sistemului. Atunci cnd concentraia uneisubstane din amestec este mult mai mare dect a celeilalte absorbia sa va fimult mai mare la ambele lungimi de und, astfel nct determinareaconcentraiei celei de a doua substane se va face cu erori. Aparatele


222

moderne digitale au ncorporate programe de calcul ce permit determinareasimultan a concentraiei substanelor din amestec.

II.4.4.2. Spectrofotometre i fotometre

Un spectrofotometru, figura II.4.22, este format principial dintr-o sursde lumin 1, un sistem optic pentru producerea luminii monocromatice,compus din lentile 2, un sistem de fante 3, un sistem

Fig.II.4.22. Schema de principiu a unui fotometru. 1-surs de lumin, 2-lentile colimatoare, 3-sistem de fante, 4-sistem monocromator cu prism, 5-spaiu pentru cuvele cu soluie deanalizat, 6-detector de radiaie luminoas, 7-amplificator, 8-sistem de afiare

monocromator 4 cu reea de difracie sau cu prism, spaiu pentru cuve cusoluie de referin i cuve pentru soluie de analizat 5, un detector de radiaieluminoas 6, un amplificator 7 i un sistem de afiare 8.

II.4.4.2.1. Sursa de radiaie

La spectrofotometre se folosesc fie surse de radiaie cu spectru larg(metale nroite) fie surse de radiaie cu band spectral ngust. Sursele


223

de radiaie cu spectru larg emit n mod continuu lumin ntr-un domeniuntins de lungimi de und, astfel: - lampa cu filament de wolfram (tungsten) emite lumin n domeniullungimilor de und cuprinse ntre 300 - 1000 nm. Lampa radiaz cuintensitate crescnd ncepnd cu 300 nm. Intensitatea de radiaie creteprogresiv, vezi i fig. II.4.23 . Randamentul acestei lmpi este

Fig. II.4.23. Spectrul unei lmpi cu incandescen

slab n domeniul ultraviolet. La lmpile obinuite de wolfram, latemperaturile filamentului de cca 3000 K se evapor atomi de wolfram i secondenseaz pe sticla lmpii. Aceste precipitate nu duc numai lamodificarea intensitii luminoase ci i la modificarea spectrului. Din acestmotiv, aceste lmpi se schimb la intervale de timp bine determinate fr a seatepta arderea filamentului. La lmpile mai moderne cu filament de wolframi mediu gazos halogen, cel din urm absoarbe n prima faz aceti atomi, larcirea lmpii atomii se condenseaz din nou pe filament n felul acesta eseevitat formarea unui depozit metalic pe partea interioar a sticlei lmpii. - lampa cu halogen (lampa din sticl de cuar i vapori de iod) emite n

domeniul 300 - 1000 nm. Aceast lamp prezint o intensitate deradiaie mai mare dect lampa cu filament de wolfram


224

- lampa cu deuteriu emite n ultraviolet n domeniul lungimilor de und 180- 360 nm

- lampa cu xenon emite fulgere de lumin de mare intensitate ndomeniul lungimilor de und 200 - 1000 nm

II.4.4.2.1.1. Surse de radiaie cu band spectral ngust.

Lmpile din aceast categorie emit lumin pe un domeniu ngust delungimi de und. Dac se nclzete mercur sau cadmiu pn la evaporare,acestea emit un spectru de linii pe lungimi de und bine definite. Lampa cuvapori de mercur emite pe lungimile de und: 254, 265, 280, 302, 313, 334,365, 405, 436, 492, 546, 578, 623, 691, figura II.4.24. Sursele de radiaiecu band spectral ngust prezint, fa de sursele cu band larg,avantajul unei intensiti mai ridicate precum i avantajul unui domeniuspectral ngust din care se poate izola fr eforturi mari un domeniu spectrali mai ngust. Dezavantajul principal este acela c domeniul spectral ngustemis de aceste surse nu se suprapune totdeauna cu absorbia optim asubstanei analizate.

Fig. II.4.24. Spectrul unei lmpi cuvapori de mercur

Fig. II.4.25. Distribuia grafic a spectrului pentru lampacu incandescen din fig. II.4.23. (linia roie) i spectrullmpii cu vapori de mercur din fig. II.4.24. (linia albastr)


225

n distribuia grafic a spectrelor de emisie redate n figurile II.4.23 i II.4.24,linia roie marcheaz spectrul continuu de emisie a lmpii incandescente,iar liniile albastre individuale lungimile de und bine definite pentru spectrulde emisie a lmpii cu vapori de mercur.

II.4.4.2.1.2. Obinerea radiaiei monocromatice.

Pentru asigurarea lungimilor de und specifice absorbiei maxime(absorbia optim) este necesar separarea acesteia din spectrul larg alluminii vizibile. Aceast separare se poate face cu filtre de absorbie, filtre deinterferen, prisme sau reele de difracie, vezi i cap. II.1.3.3. Date fiindposibilitile tehnice de obinere a unor reele de difracie performante lapreuri mici, acestea iau ncet locul prismelor n monocromatoare. n figuraII.4.26. este prezentat schema de principiu a obinerii luminiimonocromatice pentru un spectrofotometru cu monocromator cu reea dedifracie

Fig.II.4.26. Schema de principiu a monocromatorului cu reea de difracie folosit n fotometrie1-surs de radiaie policromatic ( lumin alb), 2-reea de difracie, 3,4-lamele fant, 5-cuvcu soluie de analizat, 6-detector


226

De asemenea, datorit posibilitii realizrii de LED-uri cu preuri mici, practicla orice lungime de und, folosirea acestora ca surse de radiaiimonocromatice devine tot mai interesant. n aceeai categorie intr idiodele laser mai ales de cnd acestea snt disponibile sub forma de cip-uride tip Diode-Array unde fiecare dioda poate fi activat s emit radiaiemonocromatic pe o lungime de und precis. LED-urile i diodele laserde mic putere, de dip Diode-Array, au aplicaii n special la spectroscopia defluorescen (vezi i cap.II.4.4.), iar diodele laser de putere mijlocie laspectroscopia Raman (vezi i cap.II.4.5).

II.4.4.2.1.2.1. Limea benzii spectrale.

Segmentul de spectru (puritatea spectral) care este trimis prin cuvacu substana de analizat depinde n parte de gradul de dispersie al luminii(calitatea monocromatorului) i n parte de deschiderea fantei din obturatorulde lumin, figura II.4.27.


227

Fig.II.3.27. Influena micorrii fantei (variantele a,b) i a rezoluiei reelei de difracie(variantele c,d) asupra puritii spectrale a luminii ce trece prin proba de analizat. 1-surs deradiaie policromatic (lumin alb), 2-reea de difracie, 3,4-lamele fant f- mrimea fantei, -deschiderea unghiular a radiaiei

Varianta (B) aduce o mbuntire a variantei (A) prin reducerea limiifantei, iar varianta (D) aduce o mbuntire a variantei (C) printr-o rezoluie(desfacere mai avansat a lungimilor de und) mai bun. Rezult cpuritatea spectral este cu att mai nalt cu ct dispersia luminii este maibun i cu ct mai ngust este fanta de trecere a luminii. Reducereadimensiunii fantei de trecere are ca urmare i reducerea intensitiiluminoase, ca atare fanta nu se poate micora orict de mult, n caz contrarfiind afectat sensibilitatea i limita de detecie a aparatului. Tot n acest senstrebuie avut n vedere c reelele de difracie cu zeci de mii de linii pe mm


228

(rezoluie foarte bun) pot acoperi tot domeniul UV-VIS-NIR, totodat nsrezoluia mai bun (dispersie mare) reduce intensitatea radiaiei ce cade pedetector i corespunztor scade sensibilitatea metodei i limita de detecie.Limea de band la prisme i reele de difracie este situat n jurul valorii de5nm, la filtre de interferen n jurul valorii de 10-20 nm, pe cnd filtrele deabsorbie prezint limi de band mai mari de 30 nm.

II.4.4.2.2. Spaiul pentru prob

Cuva cu soluie de analizat sau cu soluie de referin se introducentr-un spaiu special unde cuva este fixat pe un suport astfel nct ea sfie corect (perpendicular) poziionat fa de fasciculul luminos. Existsuporturi individuale i multiple acionate manual sau mecanic. De regul,cuva se aduce n dreptul traseului luminos printr-o micare de translaie, mairar de rotaie. La intrarea fascicului luminos n spaiul pentru cuv exist ofant care las s treac o cantitate precis de radiaie cu lungimea de und(banda spectral ngust) corespunztoare determinrii concentraieispeciei chimice analizate. La determinri cinetice temperatura probei joac unrol esenial. Din acest motiv se procedeaz la termostatarea spaiului pentrucuv sau a suportului pentru cuv. Pentru o reglare precis a temperaturii,senzorul din circuitul de reglare a temperaturii trebuie s fie n schimbobligatoriu situat n soluia din cuv. Trebuie spus c variaia de temperaturpoate influena i extincia deorece coeficientul molar de extincie poate fidependent de temperatur. Pentru a reduce influena luminii de mprtierepereii spaiului pentru cuv snt vopsii n culori mate sau n culoare neagr.

II.4.4.2.3. Cuve pentru soluie

Exist urmtoarele tipuri de cuve pentru soluia de analizat:


229

- cuv normal- cuv cu absorbie umplere ca la cuva normal, golire prin absorbie cu o

pomp i o capilar- cuv cu circularea n flux continuu a soluiei de analizat

Fig. II.4.28. Tipuri de cuve folosite la spectrofotometre i la fotometre

Prin diverse norme s-a ajuns la cuvele uzuale de form paralelepipediccu grosimea stratului analizat de 1 cm, dar snt folosite i cuve cu grosimeastratului de 0,5 i 0,6 cm (pentru determinarea soluiilor de concentraii mari)precum i cuve cu grosimi ale stratului de 2 cm (pentru determinareasoluiilor de concentraii mici). Volumul de umplere pentru cuve normale estesituat n urmtoarele limite:

- cuve macro: > 1000 ml- cuve mili: 500 ml -1000ml- cuve micro: 50 -200 mlMateriale uzuale pentru cuv pot fi: sticl de cuar natural, sticl optic

normal, polimetracrilat de metil, polistiren. La lungimi de und mai mici de310 nm se folosec n exclusivitate cuve de cuar. O atenie deosebit trebuieacordat cuvelor sintetice, materialele acestora fiind foarte bune izolatoare


230

termice, prenclzirea trebuie realizat la un timp cel puin dublu fa decuvele din sticl. Pereii cuvei de soluie produc o mprtiere total de cca4% din radiaia luminoas incident. Extincia unei cuve goale are o valoarede cca. 0,080, dac cuva este umplut cu ap distilat pierderile prin reflexiese reduc la extincii situate n jurul valorii de 0,040. La ora actual, pentruanaliza in situ se folosesc vase speciale de msurare a intensitaii fluxuluiluminos, denumite celule de curgere, montate de regula n circuite de tipby- pass cu fluxul principal de substan de analizat. n funcie de tipul deaplicaie aceste celule de curgere au diverse geometrii i dimensiuni( vezi icap. )

Date post:	07-Mar-2016
Category:	Documents
Upload:	scripca-laura
View:	67 times
Download:	1 times

4.1.-Spectroscopie Moleculara Uv-Vis - Prima Parte -50

Documents