Samenvatting Instrumentele analyse: Spectroscopie (2de jaar Chemie)

INSTRUMENTELE ANALYSE
- SPECTROSCOPIE
Samenvatning – periode 1




Yara Heselmans
2 CC-b

,Inhoudsopgave

1. SPECTROSCOPIE – INLEIDING.........................................................................................................6
1.1 ELEKTROMAGNETISCHE STRALEN..........................................................................................................6
1.1.1 ELEKTROMAGNETISCHE STRALEN – GOLFKARAKTER....................................................................................6
1.1.2 ELEKTROMAGNETISCHE STRALEN: FOTONEN.............................................................................................8
1.2 HET ELEKTROMAGNETISCH SPECTRUM...................................................................................................9
1.4 KWALITATIEVE STUDIE VAN SPECTRA...................................................................................................10
1.4.1 ENERGIENIVEAUS IN ATOMEN – LIJNENSPECTRA......................................................................................10
1.4.2 ENERGIENIVEAUS IN MOLECULEN – BANDENSPECTRA...............................................................................14
1.4.3 CONTINU SPECTRUM.........................................................................................................................17
1.6 KWANTITATIEVE STUDIE VAN SPECTRA................................................................................................18
1.6.1 TRANSMISSIE: T...............................................................................................................................18
1.6.2 WET VAN LAMBERT..........................................................................................................................19
1.6.3 WET VAN BEER................................................................................................................................20
1.6.4 DE SAMENGESTELDE WET VAN LAMBERT-BEER.......................................................................................20
1.6.5 VOORWAARDEN VOOR DE WET VAN LAMBERT-BEER................................................................................21

2. UV-ZB MOLECUULSPECTROSCOPIE – IN DE PRAKTIJK ..................................................................23
2.1 LICHTABSORPTIE EN KLEUR IN HET ZICHTBARE DEEL VAN HET SPECTRUM.....................................................23
2.2 VERBAND ABSORPTIE – STRUCTUUR...................................................................................................24
2.2.1 TRANSITIES VAN BINDENDE ELEKTRONEN OF NIET-BINDENDE ELEKTRONEN...................................................24
2.2.2 TRANSITIES VAN ELEKTRONEN IN D EN F ORBITALEN.................................................................................25
2.2.3 TRANSITIES WAARBIJ LADINGSTRANSFERELEKTRONEN BETROKKEN ZIJN........................................................25
2.3 CHROMOFOREN.............................................................................................................................26
2.4 CONCENTRATIEBEPALING..................................................................................................................27
2.4.1 ABSORPTIVITEITSCOËFFICIËNT..............................................................................................................27
2.4.2 OPNEMEN VAN HET SPECTRUM...........................................................................................................27
2.4.3 OPSTELLEN VAN EEN KALIBRATIECURVE.................................................................................................27
2.4.4 RECHTSTREEKSE CONCENTRATIEBEPALING..............................................................................................28
2.4.5 ONZEKERHEID OP DE CONCENTRATIE....................................................................................................28
2.4.6 STANDAARDADDITIE..........................................................................................................................29
2.4.7 TOEPASSINGEN................................................................................................................................30

3. UV-ZB MOLECUULSPECTROSCOPIE – APPARATUUR.....................................................................34
3.1 BASISONDERDELEN VAN EEN SPECTROFOTOMETER.................................................................................34
3.1.1 DE STRALINGSBRONNEN.....................................................................................................................34
3.1.2 MONOCHROMATOREN......................................................................................................................38
3.1.3 CUVETTEN.......................................................................................................................................46
3.1.4 DE LICHTSTRAALONDERBREKER............................................................................................................47
3.1.5 DETECTOREN...................................................................................................................................48
3.2 SOORTEN SPECTROFOTOMETERS........................................................................................................52
3.2.1 ENKELSTRAALSPECTROFOTOMETER.......................................................................................................52
3.2.2 DUBBELSTRAALSPECTROFOTOMETER.....................................................................................................52
3.2.3 MEERKANAALSSPECTROFOTOMETER.....................................................................................................54
3.2.4 ‘FLOW INJECTION ANALYSIS’...............................................................................................................55

4. ATOMAIRE SPECTROSCOPIE.........................................................................................................57
4.1 PRINCIPE ATOMAIRE SPECTROSCOPIE..................................................................................................57
4.2 ATOMAIRE EMISSIE SPECTROSCOPIE....................................................................................................59
2

,4.2.1 INLEIDING.......................................................................................................................................59
4.2.2 DE MAXWELL-BOLTZMANN VERGELIJKING.............................................................................................60
4.2.3 APPARATUUR...................................................................................................................................61
4.2.4 ANALYTISCHE TECHNIEKEN..................................................................................................................66
4.3 ATOMAIRE ABSORPTIE SPECTROSCOPIE................................................................................................69
4.3.1 APPARATUUR...................................................................................................................................70
4.3.2 KWANTITATIEVE ANALYSE...................................................................................................................75
4.3.3 INTERFERENTIES BIJ AAS....................................................................................................................75
4.4 INTERFERENTIES BIJ AES EN AAS.......................................................................................................77
4.4.1 MATRIX INTERFERENTIE.....................................................................................................................77
4.4.2 CHEMISCHE INTERFERENTIE................................................................................................................78
4.4.3 IONISATIE INTERFERENTIE...................................................................................................................78
4.4.4 SPECTRALE INTERFERENTIE..................................................................................................................79
4.5 TOEPASSINGEN..............................................................................................................................79
4.5.1 AAS-BEPALING NA HYDRIDENGENERATIE...............................................................................................80
4.5.2 HG-BEPALING MET KOUDE DAMP-AAS.................................................................................................80

5. MEER GESPECIALISEERDE TECHNIEKEN........................................................................................81
5.1 FOTOLUMINISCENTIE.......................................................................................................................81
5.1.1 PRINCIPE VAN FOTOLUMINISCENTIE......................................................................................................81
5.1.2 FLUORIMETRIE.................................................................................................................................83
5.1.3 APPARATUUR...................................................................................................................................86
5.1.4 TOEPASSINGEN................................................................................................................................87
5.2 FOSFORESCENTIE (PH).....................................................................................................................87
5.2.1 INTER SYSTEEM KRUISING (ISK)...........................................................................................................88
5.2.3 KWANTITATIEVE BEPALING.................................................................................................................89
5.3 LICHTVERSTROOIINGSMETHODEN.......................................................................................................90
5.3.1 TURBIDIMETRIE................................................................................................................................91
5.3.2 NEFELOMETRIE................................................................................................................................91
5.3.3 TOEPASSINGEN................................................................................................................................91




3

,4

,5

,1. Spectroscopie – inleiding
Spectroscopie = alle technieken die zich beziinghouden met het meten en bestuderen van het
spectra.

De belaningrijkste spectroscopische methoden (met hun veranderiningen):
 -stralen: excitate van atomaire kernen,
veranderining van de confingurate van de kern

 X-stralen: elektronische transites van
binnenste elektronen.

 U.V. – Z.B.: elektronische transites van de
valente elektronen in een molecule.

 IR: veranderiningen in vibrates in moleculen. Het kan moleculen uitrekken of doen
inkrimpen.

 Microingolf: veranderiningen in rotate van moleculen. Het kan moleculen doen draaien.

 ESR: veranderiningen in de spinoriëntate van het elektron.

 NMR: veranderiningen in de spinoriëntate van de kern.

1.1 Elektromagnetische stralen
1.1.1 Elektromagnetische stralen – golfkarakter




Enkele belaningrijke beingrippen:
 Golfeningte () = afstand tussen twee opeenvolingende ingolfoppen.
 In UV-ZB spectroscopie ingebruikt men nanometer als eenheid (= 10 -9m)
 In IR spectroscopie ingebruikt men µm als eenheid (= 10-6m)
 In X-straal spectroscopie ingebruikt men Åningstrom als eenheid (= 10-10m)

 Frequente () = het aantal ingolfoppen die de bron uitzendt, ingedeeld door het
overeenkomsting tjdsverloop. De frequente wordt niet beïnvloed door het midden
waarin de ingolf loopt.

 Periode (T) = het tjdsverloop tussen het uitzenden van twee opeenvolingende
ingolfoppen.
1
T=
v

6

,  Voortplantningssnelheid (v) = de afingeleingde weing ingedeeld door het overeenkomsting
tjdsinterval. De snelheid haningt af van de middenstof, het vertraaingt de stralining.
λ
v= =λ.
T
 Golfingetal () = aantal ingolfoppen dat doorlopen wordt per eenheid van afingeleingde
weing.
= 1
❑

IR spectroscopie maakt zeer vaak ingebruik van het ingolfingetal. Golfeningte wordt in dit
ingeval dan uitingedrukt in cm.  ingolfingetal heef cm-1 als eenheid.




In vacuüm (en bij benaderining ook in lucht) beïnvloed de frequente de snelheid niet,
hierdoor is de snelheid maximaal.
 c = vvacuüm = λ vacuüm .  = 3 . 108 m.s-1


Omdat de frequente niet beïnvloed wordt door het midden waarin de ingolf loopt, moet de
ingolfeningte wel ahankelijk zijn van het midden.




7

,1.1.2 Elektromagnetische stralen: fotonen
Elektromaingnetsche stralen bestaan uit fotonen. Ze beziten een zekere eneringie en hebben
een bepaalde frequente. Het verband ertussen wordt de wet van Planck ingenoemd.

h.c
E=h.=
λ

E = eneringie in joule
 = frequente in Hz
λ = ingolfeningte
h = 6,62 . 10-34 J.s = constante van Planck
c = 3,0 . 108 m.s-1

Frequente is recht evenrediing met de eneringie, de ingolfeningte is omingekeerd evenrediing met de
eneringie.
 Stralen met korte ingolven zijn zeer schadelijk voor het menselijk lichaam.




8

,1.2 Het elektromagnetisch spectrum
Het EM spectrum loopt over een immens ingroot ingolfeningte-ingebied. Hierdoor wordt er met
een loingaritmische schaal ingewerkt. Het zichtbaar ingebied is slechts een klein deeltje uit het
hele EM spectrum. Een bepaalde frequente ingeef aanleidining tot een bepaalde kleurindruk
(niet omingekeerd).




 IR: 1000 – 100000 nm
 Z.B.: 400 – 800 nm
 400 nm: violet licht
 800 nm: rood licht
 U.V.: 200-400 nm

Wij beperken ons tot het UV-ZB ingebied.




9

, 1.4 Kwalitatieve studie van spectra
Als EM stralining zich verplaatst door een laaing (vast, vloeistof of ingas) kunnen bepaalde
frequentes worden geabsorbeerd terwijl andere frequentes dooringelaten worden
(=getransmiteerd).
 Hierdoor wordt straliningseneringie overingedraingen op de atomen, ionen, moleculen
 Komen in aaningeslaingen toestand.

De aaningeslaingen toestand is een onstabiele toestand, ze zullen het overschot aan eneringie
snel teruing afingeven (= emissie)

Het uitzicht van spectra wordt bepaald door de aard, fysische toestand en de omingevining van
de component.

Er zijn 3 soorten spectra:
 Lijnenspectra (atomen)
 Bandenspectra (moleculen)
 Contnue spectra (vaste stofen)

1.4.1 Energieniveaus in atomen – lijnenspectra
Atomen hebben een aantal orbitalen (eneringieniveaus).
Deze orbitalen hebben een welbepaalde orbitaaleneringie (er ziten elektronen in de
orbitalen). Als een elektron overingebracht wordt naar een orbitaal met een hoingere eneringie,
dan bevindt het zich in een aaningeslaingen toestand.

Dit overbreningen kan voorkomen door absorpte van fotonen, opname van thermische
eneringie (warmte), door beschieten met elektronen.

Een atoom in aaningeslaingen toestand zal deze eneringie zeer snel weer afingeven. Deze eneringie
noemt men elektronische eneringie.
Het ingaat om de transite van een elektron van het ene orbitaal (eneringieniveau) naar het
andere orbitaal (eneringieniveau).

De eneringie die ingeabsorbeerd wordt is ingelijk aan het eneringieverschil tussen de twee
betrokken eneringieniveaus. Dit eneringieverschil komt overeen met een bepaalde ingolfeningte en
dus met een bepaalde lijn in het spectrum.
Elk lijn in het spectrum is kenmerkend voor een atoom. Hierdoor kan men door het
bestuderen van een spectra de stof identfceren.




10