Spectrometria de Uv-Vis

5/25/2018 Spectrometria de Uv-Vis

1/28

SPECTROMETRIA DE UV-VIS

Definitie

Spectroscopia in domeniul Ultraviolet si Vizibil (UV-Viz) este o metoda deanaliza aplicabila compusilor organici in a caror structura exista legaturi

multiple in conjugare (compusi nesaturati si aromatici) cat si celor

anorganici colorati.

In spectrul radiatiei electromagnetice, domeniul UV cuprinde lungimi de unda

situate in intervalul 10-380 nm.

Subdivizarea domeniului UV pe trei regiuni:

UV-A (380-320 nm),

UV-B (320-280 nm)

UV-C sau indepartat (280-10 nm).

Radiatia electromagnetica folosita in analiza compusilor organici prin aceasta

metoda, se situeaza in domeniul UV apropiat(caracterizata prin lungimi de unda

cuprinse in domeniul 200-380 nm), sau in domeniul vizibil (caracterizata de

lungimi de unda cuprinse in domeniul 380-800 nm).


2/28

PRINCIPII SI REGULI DE SELECTIENivelele energetice ale starilor electronice ale moleculelor organice se situeaza la

diferente energetice care corespund ordinului de marime al energiei transportate

de radiatia UV sau vizibila.In conditii de rezonanta, moleculele pot absorbi o cantitate cuantificata de

energie transportata de radiatia electromagnetica, efectul constand in promovarea

electronilor din orbitali moleculari de energie joasa (stare fundamentala) in orbitali

moleculari de energie mai inalta (stare excitata). Din acest motiv, spectroscopia

UV-Viz a fost denumita si spectroscopie electronica.

Spre deosebire de starile energetice ale electronilor din invelisul electronic al unuiatom, diferitele stari energetice ale unei molecule se situeaza pe domenii multmai largi datorita aditivitatii

nivelelor energetice corespunzatoare starilor electronice

nivelelor energetice de vibratie ale legaturilor

nivelelor energetice de rotatie ale atomilor.

Astfel, un nivel energetic determinat al unei molecule (Etotal) corespunde sumeidintre: energia starii electronice, energia de vibratie a legaturilor si energia derotatie a atomilor, prima dintre acestea fiind caracterizata de valorile cele mai mari.

Etotal= Eelectroni+ Evibratie + Erotatie


3/28

Gruparea functionala din molecula compusului organic, care participa latranzitiile electronice responsabile pentru absorbtia radiatiei UV-Viz senumeste cromofor (termenul deriva de la cuvantul grecescchromophorus=purtator de culoare).

Auxocromeste grupa saturata posedand atomi cu electroni neparticipanti carenu absoarbe in UV,dar care atasata unui cromofor produce un efect

batocrom si hipercrom asupra maximului de absortie al acestuia:(OH,OR si

NH2

TIPURI DE TRANZITII ELECTRONICE

Tranzitiile electronice in domeniul UV-Viz constau in excitarea unui electron devalenta situat intr-un orbital molecular (OM) de legatura sau ,sau intr-un

orbital de nelegatura n, spre un OM de antilegatura *sau *.

-tranziti i*, conform carora un electron poate fi promovat dintr-un OM delegatura in cel de antilegatura *. Datorita valorilor mari corespunzatoare

diferentei dintre nivelele energetice ale OM de legatura si OM de antilegatura* (aprox. 185 kcal/mol), producerea acestor tranzitii necesita radiatii UV cu

lungimi de unda scurte (150 nm). Benzile de absorbtie corespunzatoare

tranzitiilor * se situeaza in afara domeniului uzual de masura. Astfel de

tranzitii electronice se produc in cazul moleculelor alcanilor, care din acest

motiv pot fi folositi drept solventi "transparenti" pentru inregistrarea spectrelor

UV-Viz.


4/28

tranzit i i n* in care un electron provenind dintr-o pereche de electronineparticipanti la legaturi (n) ai unui heteroatom, poate fi promovat dintr-unorbital atomic intr-un orbital molecular de antilegatura *. Sunt tranzitiipermise de regulile de selectie si conduc la inregistrarea unor benzi intensein spectrul UV, situate la valori mici ale lungimii de unda (max150-250 nm).Compusii organici care duc la inregistrarea acestui tip de benzi de absorbtiesunt compusi saturati continand grupari functionale formate din atomi ceprezinta perechi de electroni neparticipanti la legaturi (derivati halogenati,alcooli, eteri, amine, tioli). Acesti compusi sunt adesea folositi drept solventila inregistrarea spectrelor UV-Viz ale unor molecule cu absorbtii intensesituate la lungimi de unda mai mari.

-tranzit i i * in decursul carora un electron poate fi promovat dintr-un orbitalmolecular de legatura in cel de antilegatura *. Aceste tranzitii apar lalungimi de unda situate in domeniul de masura uzual (UV apropiat si vizibil) sisunt cele mai mult studiate din punct de vedere experimental. Benzilecorespunzatoare tranzitiilor *au intensitatile cele mai mari din spectreleUV-Viz. Ele apar in compusii organici in care exista grupari nesaturate cum arfi: alchene, alchine, aldehide si cetone, acizi carboxilici, amide, nitroderivati,azoderivati etc.

-tranzit i i n* in care un electron provenind dintr-o pereche de electronineparticipanti la legaturi (n) ai unui heteroatom, poate fi promovat dintr-unorbital atomic intr-un orbital molecular de antilegatura *. Aceste tranzitii sunt"interzise" din punct de vedere al regulilor de selectie (din considerente desimetrie) astfel incat probabilitatea producerii lor este destul de mica, iarintensitatea benzilor corespunzatoare din spectrele UV-Viz este destul descazuta.


5/28

Tranzitii electronice S0S1 in molecula deformaldehida -un electron poate fi

promovat dintr-un orbital

molecular de legatura

in cel de antilegatura *

(tranzitie *)-un electron poate fi

promovat dintr-un orbital

molecular de legatura

in cel de antilegatura *

(tranzitie *)-un electron din cele

doua perechi de

electroni neparticipanti la

legaturi ai atomului de

oxigen (n) poate fi

promovat dintr-un orbitalatomic intr-un orbital

molecular de

antilegatura *(tranzitie

n*) sau intr-unorbital molecular de

antilegatura * (tranzitien*).


6/28

FACTORI STRUCTURALI CARE DETERMINA POZITIA

BENZILOR DE ABSORBTIE UV-Viz

Pozitia in spectrul UV-Viz la care se situeaza o anumita banda de absorbtie

este dependenta de o serie de factori:

efecte de conjugare ale legaturilor ,

natura substituentilor la sistemul cromofor,

natura solventului folosit la inregistrarea spectrului de absorbtie


7/28

Efecte de conjugare ale legaturilor

In structura cromoforului etilenic (H2C=CH2) exista un singur OM de legatura si un singur OM

de antilegatura *; tranzitia * intre acesti doi OM duce la aparitia unei benzi de absorbtie

intense situate la max165 nm. Dienele conjugate prezinta 4 OM de tip (doi de legatura si doide antilegatura), trienele conjugate prezinta 6 OM de tip (trei de legatura si trei de antilegatura)

s.a.m.d. Aparitia orbitalilor moleculari de tip suplimentari, determina scaderea diferentei

energetice intre orbitalii de frontiera HOMO si LUMO intre care are loc tranzitia * si in

consecinta deplasarea spre valori mai mari ale lungimilor de unda la care se situeaza benzile de

absorbtie din spectrul UV-Viz. Fiecare legatura dubla care extinde conjugarea produce o

deplasare a pozitiei maximului de absorbtie spre valori mai mari ale lungimii de unda

(efect b atocrom) cu aprox. 30 nm

Nivele energetice electronice ale

unor sisteme polienice si tranzitiile

* care determina aparitia

benzilor de absorbtie UV-Viz.a) etena, b) 1,3-butadiena, c) 1,3,5-

hexatriena


8/28

In compusii carbonilici ,-nesaturati (enone)datorita conjugarii electronilor din legatura dubla omogena (>C=CC=O) pot fi descrisi conform teoriei mecanic cuantice patru OM de energiidiferite (figura 2.5). Spectrele UV ale enonelor sunt caracterizate de aparitia

unei benzi intense situata la max=215-250 nm datorata tranzitiei permise* insotite de o banda de absorbtie slaba situata la max=310-330 nmdatorata tranzitiei interzise n*.

Nivele energetice electronice ale enonelor si tranzitiile care determina aparitia

benzilor de absorbtie UV-Viz a) formaldehda, b) 2-butenal


9/28

Spre deosebire 1,3,5-hexatriena, sistemul aromatic din structura benzenului produce in

spectrul UV-Viz trei benzi de absorbtie de intensitati diferite: o banda larga de

absorbtie intensa situata la max=184 nm si doua benzi de absorbtie de intensitate

slaba situate la max=203 nm si respectiv max=256 nm cu o structuri fine datorate

suprapunerii tranzitiilor electronice peste absorbtii datorate sub-nivelelor de vibratieale nivelelor electronice

a) Diagrama energetica a

OM de tip ai benzenului

b) tranzitii electronice din

starea fundamentala instari excitate

In spectrele UV-Viz ale hidrocarburilor aromatice policiclice cu nuclee condensate seinregistreaza acelasi tip de benzi de absorbtie ca si in cazul benzenului, insa o data cu

cresterea numarului de nuclee benzenice condensate liniar pozitia maximelor de absorbtie

corespunzatoare celor trei benzi se deplaseaza spre valori mai mari ale lungimilor de unda.

Astfel, benzenul, naftalina (2 nuclee benzenice condensate) si antracenul (3 nuclee benzenice

condensate liniar) sunt incolore datorita situarii maximelor de absorbtie in domeniul UV, insa

tetracenul (4 nuclee benzenice condensate liniar) apare colorat in galben datorita benzii de

absorbtie situate la limita inferioara a domeniului vizibil (aprox. 450 nm), care insa nu se

manifesta in cazul hidrocarburilor aromatice oliciclice cu nuclee condensate an ular.


10/28

NATURA SUBSTITUENTILOR GREFATI PE SISTEMUL

CROMOFOR

Un substituent alchil legat de un atom de carbon cu hibridizare sp2care face

parte dintr-un sistem cromofor format din una sau mai multe legaturi dubleomogene sau heterogene in conjugare, deplaseaza pozitia maximului deabsorbtie corespunzator tranzitiei * spre lungimi de unda mai mari cuaproximativ 5 nm, datorita unui efect de hiperconjugare.

Atasarea unui substituent format dintr-un heteroatom continand perechi deelectroni neparticipanti (halogen, oxigen, azot, sulf) la un atom de carbon cu

hibridizare sp2

care face parte dintr-un sistem cromofor etilenic produce odeplasare batocroma a benzii de absorbtie corespunzatoare tranzitiei *explicabila prin efectul electromer +E al heteroatomului care presupuneextinderea sistemului conjugat (prin conjugare p-) si crearea a trei OM (doide legatura si unul de antilegatura) avand energii cu valori crescatoare.

Diagramele energetice ale tranzitiilor * in:

a) cromoforul etilenic,

b) cromofor etilenic conjugat cu o grupare auxocroma


11/28

Introducerea unor substituenti pe nucleul benzenic determina reducereasimetriei moleculelor, extinderea sistemului cromofor prin conjugare simodificarea nivelelor energetice ale orbitalilor moleculari. Substituentii alchilinteractioneaza cu sistemul cromofor prin hiperconjugare, gruparile auxocromeprin conjugare p-, iar substituentii care contin legaturi multiple prin conjugare

-. Benzile de absorbtie ale acestor derivati substituiti ai benzenului sedeplaseaza spre valori mai mari ale lungimilor de unda. Efectul batocrom estefoarte puternic in cazul derivatilor para-disubstituiti ai benzenului in care, intrecele doua grupari functionale se stabileste un efect capto-donor (engl. "push-pull") soldat cu aparitia unui sistem cromofor mai extins si un transferintramolecular de sarcina.

Pozitia maximelor de absorbtie corespunzatoare benzii p a cromoforului benzenic

din: a) fenol, b) nitrobenzen, c) 4-nitrofenol (in solutie apaosa).


12/28

EFECTUL SOLVENTULUI FOLOSIT LA

INREGISTRAREA SPECTRULUI UV-Viz

Spectrele electronice se inregistreaza insolutii foarte diluate (10-3-10-4 M) side aceea solventul folosit trebuie sa fietransparent pe domeniul spectralanalizat. Un solvent poate fi utilizat lainregistrarea spectrului UV-Viz pedomenii cuprinzand lungimi de unda

mai mari decat cele la care aparabsorbtii proprii cromoforului dinstructura sa. Daca solventul sisubstanta de analizat prezinta benzide absorbtie in regiuni apropiate,absorbtiile proprii cromoforului dinstructura solventului devin excesive

acoperind benzile caracteristice alecompusului studiat.

Lungimile de unda limita pentru cei maiutilizati solventi in spectroscopia UV-Viz sunt prezentate in tabelul 2.2.

Solvent

Apa

Etanol

Hexan

Ciclohexan

Metanol

Dietileter

Acetonitril

Tetrahidrofuran

Diclorometan

CloroformTetraclorura de carbon

Benzen

lim[nm]

205

210

210

210

210

210

210

220

235

245265

280


13/28

SPECTROMETRUL UV-VIZ

Radiatia emisa desursa(lampa cu hidrogen sau deuteriu pentru domeniul UV si

lampa halogen-tungsten pentru domeniul Viz.) este transformata intr-un fascicul

paralel de un sistem de lentile, iar un monocromator sau o retea de difractie

realizeaza dispersia spectrala.

Majoritatea aparatelor contin o oglinda pivotanta care descompune radiatia

monocromatica in doua fascicule care sunt conduse peste cuva de referinta

(continand solventul) si respectiv peste cuva de masurain care este amplasata

solutia diluata de concentratie aprox. 10-4 M (pentru domeniul UV cuvele sunt

confectionate din cuart, care este un material transparent pentru domeniul de

lucru; pentru domeniul vizibil cuvele pot fi confectionate din sticla). Radiatia

emergenta ajunge la un detector (multiplicator fotoelectronic) care masoara

cantitatea de radiatie transmisa prin aceasta. Inregistratorul traseaza spectrul UV-

Viz sub forma unei reprezentari grafice a absorbtiei in functie de lungimea de

undaA=f().


14/28

Spectrul de emisie al lampii cu deuteriu

Spectrul continuu

180-340 nm

Spectrul de linii

Funcionarease bazeazpe o descrcareelectricntre doi electrozi de W imersaintr-

o atmosfergazoasde deuteriu sau hidrogen.Spectrul este:

unulcontinuu n domeniul UV emis de moleculele de deuteriu(180380 nm

Unul de linii ndomeniul vizibil emis de atomii excitaide hidrogen sau deuteriu (liniile

hidrogenului din seria Balmer)S ectrul lm iide deuteriu este mai intens


15/28

Spectrul de emisie al becului cu filament de W si al lampii de

halogen

lampa de halogen

becul cu filament de W

Intensitatea spectrului continuucreste cu

temperatura filamentului

Se utilizeazca surse de spectru continuu n absorbiamolecularn domeniul vizibil.Au

n construcialor un filament de W adus la incedescen(20003500 K) nchis ntr-un

corp de sticlsau cuar. Becul cu filament de Wemite un spectru continuu n domeniul

vizibil IR (400 1400 nm) Lampa cu halogenemite un spectru continuu n domeniul

UV VIS, iare n interiorul o cantitate micde iod care reduce sublimarea W de pefilament


16/28

Caracteristicile unui spectru de absorbtie UV-Viz

Principalele caracteristici ale unei benzi de absorbtie sunt pozitia si

intensitatea ei.

Pozitia absorbtiei corespunde lungimii de unda max a radiatiei

electromagnetice a carei energie este egala cu energia necesara pentruproducerea unei tranzitii electronice.

Intensitatea absorbtiei, depinde de doi factori: probabilitatea interactiunii

dintre radiatia electromagnetica si sistemul electronic astfel incat sa devina

posibila efectuarea unei tranzitii din starea fundamentala intr-o stare excitata si

polaritatea starii excitate.


17/28

Pentru exprimarea intensitatii absorbtiei se pot utiliza marimile:

Transmitanta T, definita prin raportul:

T = I/I0

unde: I0este intensitatea radiatiei incidente pe proba

I este intensitatea radiatiei transmise prin solutia probei

Absorbanta A,data de relatia:

A = log(I0/I) = log(1/T)

Astfel, daca solutia probei nu absoarbe deloc radiatie, atunci transmitanta T este

de 100%, iar absorbanta este nula. Daca intreaga cantitate de radiatie este

absorbita, atunci T = 0%, iar absorbanta este infinita.

Legea Lambert-Beerstabileste o legatura empirica intre absorbanta A (numita

sidensitate optica), lungimea drumului parcurs de radiatia e.m. prin proba l

(exprimata in cm) si concentratia probei c (molL-1):


18/28

A = log(I0/I) = c l

Unde: este absorbtivitatea molara (sau coeficientul de extinctie molara)

exprimat in Lmol-1 cm-1.

(a) Dependenta absorbantei si transmitantei de parcursul radiatiei in

proba; (b) dependenta absorbantei de concentratie


19/28

Conditii de valabilitate a legii lui Lambert-Beer

1. Radiatia incidenta trebuie sa fie perfect monocromatica, contine raze

paralele ce sunt perpendiculare si uniform distribuite pe suprafata

mediului ambiant.

2. Reflectia si absorbtia radiatiei de catre peretii cuvei sa fie negljabile

3. Puterea radianta incidenta sa nu fie prea mare pentru a duce la efecte de

saturatie a absorbtiei si astfel la limitarea semnalului detectorului optic.

4. Mediul absorbant sa fie suficient de diluat astfel incat speciile absorbante

(moleculele) sa interactioneze independent unele de altele cu fotonii.

5. Mediul absorbant sa fie omogen si sa nu aiba loc o dispersie a luminii latrecerea prin acesta.

6. Grosimea mediului absorbant sa fie aceeasi pe toata suprafata

transversala a cuvei


20/28

Abateri pozitive si negative ale legii lui Beer

Abateri pozitive

Abateri negative

Concentratie

Absorbanta

Abateri pozitiveAbsorbanta masurata este mai mare

decat cea teoretica in conformitaate

cu legea lui Lambert- Beer

Absorbanta masurata este mai mica

decat cea teoretica in conformitaate

cu legea lui Lambert- Beer

Abateri negative(+)

(+)

(-)

(-)


21/28

METODE DE DETERMINARE A CONCENTRAIEI

METODA DREPTEI DE ETALONARE

ETAPE1.Se prepar proba analitic din materialul de analizat care conine

analitul n concentraienecunoscut

2.Se prepar etaloanele care conin analitul n concentraie cunoscut.Etaloanele se prepardintr-o soluiestoc.

3.Se preparproba martor care nu conineanalitul, dar coninereactiviide derivatizare utilizai la prepararea etaloanelor i probeinecunoscute.

4.Se traseazspectrul de absorbieA = f()prin msurareaabsorbaneiunui etalon fa de martor la diferite lungimi de und.Se determinlungimea optimde analizcorespunztoaremaximului de absorbie.

5.Se msoarabsorbanaetaloanelor la lungimea optimde analiz,fade martor.

6.Se traseazdreapta de etalonare A = f(c)

7.Se msoar absorbana probei analitice i se determinconcentraiaspeciei analitice prin interpolare


22/28

ALEGEREA LUNGIMII OPTIME DE ANALIZ N

ABSORBIA MOLECULAR

Ab

sorbana

Lungimea de unda, nm

Se lucreazpe maximul de absorbie

din urmtoareleconsiderente

1.Metoda are sensibilitatea maxim

(panta dreptei de etalonare este

maxim)

2.Dreapta de etalonare are cea mai

bun liniaritate (nu prezint abateri

semnificative de la legea lui Lambert

Beer

3.Se pot determina precis

concentraiimai mici de analit


23/28

DETERMINAREA SUBSTANELOR IN AMESTEC PRIN

ABSORBIA MOLECULAR

PRINCIPIU:

Determinarea substanelor n amestec se bazeaz pe aditivitatea legii lui

Lambert Beer la o anumit lungime de und pentru un amestec de

substane.

La o anumit lungime de und, absorbana total este suma absorbanelor

compuilordin amestec.

Din aceastecuaienu putem calcula concentraiilec1ic2 din amestec.Pentru a determina concentraiile din amestecul binar trebuie s se cunoasc

absorbanaamestecului la doulungimi de und(1i2)


24/28

Pentru 1

Dac se cunosc absorbanele amestecului la cele dou lungimi de und i

coeficieniisistemului se pot calcula concentraiilecelor doucomponente

Pentru 2

Etapele analizei amestecurilor de substanesunt urmtoarele:

1.Determinarea lungimilor optime de analiz1 i2

2.Determinarea coeficienilorsistemului de ecauii i

3.Determinarea absorbaneiamestecului la cele doulungimide undirezolvareasistemului

Condiiilecare se impun la determinarea a amestecurilor de substane:1.Substanelesnu reacionezentre ele

2.Substanelesnu prezinte interferenespectrale

3.Substanele s aib absorbtiviti molare diferite,pentru ca determinantulsistemului ()sfie diferit de zero.0


25/28

DETERMINAREA LUNGIMILOR OPTIME DE ANALIZ A

AMESTECURILOR

Pentru aceasta se preparun etalon din fiecare compus ise traseazspectrulde absorbie A = f().Din spectrul de absorbie se determin lungimileoptime de analiz1 i2, coerspunztoaremaximelor de absorbiepentrucei doi compui.

Se aleg lungimile optime corespunztoare maximelor, deoarece la acestelungimi de und dreptele de etalonare au panta maxim, respectivabaterilede la liniaritate sunt neglijabile. Implicit metoda are sensibilitate iprecizie foarte bune

Lungimea de und / nm

Compus ICompus II

I II


26/28

DETERMINAREA COEFICIENILOR SISTEMULUI

Se preparetaloane din fiecare compus

Se msoarabsorbaneleetaloanelor la cele doulungimi de und

Se traseazdreptele de etalonare A = f(c) pentru fiecare compus la cele dou

lungimi de und i se calculeaz panta dreptelor, care sunt egale cu

coeficientii sistemului

Comp. I

Comp. II

Concentratie

1l

2l

1

Comp. II

Comp. I

2

Concentratie

1l 1

1l 2


27/28

EXEMPLE DE SPECTRE UV-Viza.- spectrele UV ale unor diene si

poliene conjugatealaturi de spectrul UV

al cromoforului etilenic izolat. Observatideplasarea batocroma a maximelor de

absorbtie o data cu cresterea numarului

de legaturi duble in conjugare.

b. - Banda de absorbtie de intensitate

slaba datorata tranzitiei n* din

spectrul de absorbtie al compuscarbonilic ,-nesaturat este supusa

unei deplasari batocrome o data cu

aparitia conjugarii din sistemul ,-

nesaturat.

c.- Sistemele aromatice de tip benzen si

naftalina produc spectrele de absorbtieUV deplasate. Benzile de absorbtie ale

cromoforului benzen din structura 1,4-

dihidroantracenului apar deplasate

batocrom in cromoforul naftalina din

structura 9,10-dihidroantracenului.


28/28

Documents

Spectrometria de Uv-Vis