Spektrokémiai módszerek

Az előadások a következő témára: "Spektrokémiai módszerek"— Előadás másolata:

1 Spektrokémiai módszerek
Az anyag és az elektromágneses sugárzás közötti kölcsönhatáson alapuló analitikai kémia módszerek összessége Fényelnyelés – abszorpció Fénykibocsátás - emisszió

2 Elektromágneses sugárzás - fény
mágneses és elektromos rezgés, melynek vektorai merőlegesek a terjedési irányra és egymásra is hullám és részecsketulajdonsággal is rendelkezik Planck összefüggés (az fény energiája és hullámhossza közti összefüggés): E a sugárzás energiája h a Planck állandó (6, J/s)  a sugárzás frekvenciája (E ~ ) c a fénysebesség (vákuumban km/s)  a sugárzás hullámhossza (E ~ 1/ )  a sugárzás hullámszáma (E ~ )

3 Elektromágneses sugárzás - fény
A fény intenzitása – a teljesítményből vezethető le P a sugárzás teljesítménye E a sugárzás energiája  fluxus – az adott A felületen időegység alatt áthaladt fotonok száma I a fény intenzitása, időegység alatt egységnyi felületen áthaladó sugárzási energia

4 A fény és a minta kölcsönhatása
I0 beeső fény intenzitása IT az áteresztett (transzmittált) fény intenzitása IA az elnyelt (abszorbeált) fényintenzitás IR visszavert (reflektált), szétszórt és emittált fényintenzitás Az abszorbeált ill. emittált fény hullámhossza (1/ ~ E) jellemző a fényt elnyelő ill. kibocsátó atomokra/molekulák anyagi minőségére – MINŐSÉGI INFORMÁCIÓ Az abszorbeált ill. emittált fény intenzitása (I ~ ) jellemző a fényt elnyelő ill. kibocsátó atomok/molekulák számára, koncentrációjára – MENNYISÉGI INFORMÁCIÓ

5 A spektrum (színkép) olyan függvény, amelyen a fény energiájának (vagy az energiával összefüggő mennyiségnek) a függvényében ábrázolunk valamely, a fény intenzitásával összefüggő mennyiséget X tengely: E, , ,  Y tengely: IA, IE, T (transzmittancia), A (abszorbancia)

6 Az elektromágneses spektrum tartományai
 név eredet/hatás <0,1 nm -sugárzás magenergia átmenetek 0,1-1 nm kemény röntgen belső elektronhéjak 1-10 nm lágy röntgen külső elektronhéjak nm VUV elektron- nm ultraibolya (UV) átmenetek nm látható (VIS) legkülső e-pályákon 0,7-400 m infravörös (IR) forgási, rezgési átmenetek 0,4-250 mm mikrohullámok elektronspin orientáció >250 mm rádióhullámok mag mágneses momentum

7

8 Az atomszínképek létrejötte

9 Az atomszínképek létrejötte
tekintsünk egy gázállapotú atomokból álló rendszert külső elektronhéjon lévő elektronok gerjesztése történhet termikus úton történhet fénybesugárzással Elektron: alapállapotból  gerjesztett állapotba jut gerjesztett állapot élettartama rövid, az elektron visszaugrik (relaxál) az alapállapotba A relaxáció során foton formájában energiát sugároz ki

10 Az atomszínképek létrejötte
az atom gerjesztéskor energiát nyel el (abszorpció), relaxációkor energiát bocsát ki (emisszió) mind az energiafelvétel, mind az energialeadás kvantált (csak meghatározott energiaadagokban történhet) az emittált ill. abszorbeált foton energiája az emittáló/abszorbeáló atomra jellemző – MINŐSÉGI ELEMZÉS az emittált ill. abszorbeált fotonok száma (fényintenzitás) az abszorbeáló/emittáló atomok számától függ – MENNYISÉGI ELEMZÉS

11 Az atomszínképek létrejötte

12 Az atomszínképek szerkezete
atomszínképek vonalas szerkezetűek (sávszélességük < 0.1 nm)

13 Az atomszínképek szerkezete
atomszínképek vonalas szerkezetűek (sávszélességük < 0.1 nm) sávszélességet meghatározó tényezők: Heisenberg féle határozatlansági reláció (t E  h/2) Doppler effektus Stark féle kiszélesedés a „vonal” valójában egy Gauss görbe vonalszélesség: félértékszélesség (FWHH, 2) gázállapotú Fe spektrumának vonalaira pl. FWHH < 0.01 nm

14 A molekulaszínképek létrejötte
és szerkezete

15 Molekulaszínképek szerkezete
a molekulák színképe az őket alkotó atomok színképeinek összege a molekuláknak emellett kvantált forgási és rezgési átmenetei is vannak (az atomoknak ilyen nincsen!) ezek rárakódnak az elektronátmenetekre az egyes vonalak nem megkülönböztethetőek csak a burkológörbét tudjuk megfigyelni a molekulaszínképek sávosak FWHH nm

16

17 A spektrokémia eszközei
spektroszkópok spektrográfok spektrométerek Emissziós üzemű spektrométer blokkdiagramja Fény Mono- kromátor Minta Detektor Jel- feldolgozás

18 A spektrokémia eszközei
spektroszkópok spektrográfok spektrométerek Abszorpciós üzemű spektrométer blokkdiagramja Fényforrás Mono- kromátor Minta Detektor Jel- feldolgozás

19 Fényforrások Emissziós spektroszkópia – a fényforrás maga a minta
Abszorpciós spektroszkópia – követelmények: intenzív folytonos állandó spektrális eloszlás pl. hidrogén- (v. deutérium) lámpa: UV-fény wolfram-izzó: látható (VIS) fény Globár-izzó: IR fény vájtkatód lámpa: monokromatikus látható fény

20

21 Monokromátorok monokromatikus fényt állítanak elő
monokromatikus fény: „egyszínű”, adott hullámhosszúságú fény (  ) monokromátor félértékszélessége: 2-val jellemezzük típusai színszűrők (2 = nm) interferenciaszűrők (2 = 5-20 nm) prizma (2 = 1-2 nm) optikai rácsok (2 = 0,1 nm körül)

22

23 Detektorok a fény intenzitásának (I) mérésére alkalmas eszköz, a beérkező fotonok számával arányos elektromos jelet szolgáltat – ebből tudunk koncentrációt számolni típusai fényelem fotoellenállás fotocella fotoelektron sokszorozó Golay cella

24 Detektorok

25 Atomspektroszkópiai módszerek

26 Atomspektroszkópiai módszerek
első lépés az atomizálás (a minta gázhalmazállapotúvá alakítása és atomokra történő szétszakítása) ha a minta az atomizálás során gerjesztődik: relaxáció során fényt emittál: atomemissziós színképelemzés ha a minta az atomizálás során nem gerjesztődik: adott -jú fénnyel besugározzuk és a fényelnyelést vizsgáljuk: atomabszorpciós színképelemzés

27 Atomspektroszkópiai módszerek
Lángfotometria induktívan csatolt plazmaemissziós spektrofotometria (ICP-AES) ív- és szikragerjesztésű emissziós színképelemzés atomabszorpciós spektrofotometria (AAS)

28 Az atomspektroszkópiai módszerek
előnyei a berendezések egyszerűek és olcsók koncentrációtartomány ppm (akár ppb) majdnem minden elemre alkalmazhatóak gyors könnyen automatizálható (sorozatmérések) hátrányai pontatlan (precizitás legföljebb 1%)

29 Az atomizálás történhet
lánggal (lángfotometria, AAS) grafitkályhás atomizátorral (AAS) kémiai atomizációval (AAS) induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) elektromos ívvel ill. szikrával

30 Az atomizálás történhet
lánggal (lángfotometria, AAS) grafitkályhás atomizátorral (AAS) kémiai atomizációval (AAS) induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) elektromos ívvel ill. szikrával

31 Az atomizálás történhet
lánggal (lángfotometria, AAS) grafitkályhás atomizátorral (AAS) kémiai atomizációval (AAS) induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) elektromos ívvel ill. szikrával

32 Atomizálás lánggal Részfolyamatok
a folyadékmintát beporlasztjuk a lángba oldószer elpárolog köd  füst molekulák atomjaikra disszociálnak, gerjesztődnek vagy ionizálódnak a képződő atomok ütköznek (rugalmasan vagy rugalmatlanul) a hőmérséklet befolyásolja, hogy a minta milyen mértékben atomizálódik ill. gerjesztődik

33 A lángok tulajdonságai
Atomizálás lánggal A lángok tulajdonságai C2H2/levegő oC C2H2/N2O oC C2H2/O oC H2/levegő oC H2/N2 O oC H2/O oC

34 Az atomizálódás mértéke különböző lángokban
Atomizálás lánggal O2 jelenlétében rosszul disszociáló oxidok képződnek, ilyenkor reduktív láng segíti az atomizálódást Az atomizálódás mértéke különböző lángokban Elem C2H2/levegő C2H2/O C2H2/N2O (2400 oC) (3150 oC) (2800 oC) Na ,1% 16,1% K ,3% 92,1% Mg ,01% % Ca ,01% ,2% %

35 Atomizálás grafitkályhával (AAS)
kisebb kimutatási határ, kisebb pontosság ( 10 %) nincs szükség folyamatos porlasztásra a teljes mintamennyiség (néhány mikroliter) egyszerre kerül a fényútba elektromosan fűtött grafitcső, N2-vel vagy Ar-nal öblítve programozott fűtés ~150 oC (oldószer elpárolog) ~800 oC (szerves anyagok elégnek – korommentes) ~3000 oC (termikus atomizáció)

36 Atomizálás grafitkályhával (AAS)

37 Kémiai atomizálás (AAS)
alkalmas As, Sb, Bi, Ge, Se, Sn, Te meghatározására ezek hidridjei (pl. H3As) szobahőmérsékleten gázok NaBH4-gyel előállíthatók fűtött kvarccsőbe viszik ott a minta elbomlik és atomizálódik

38 Atomemissziós spektroszkópiai módszerek

39 Lángfotometria

40 Lángfotometria alkalmas alkáli- és alkáliföldfémek (lángfestő fémek) meghatározására (kimutatási határ: 10-4 g/dm3) atomizáció: lánggal a mintát porlasztással juttatjuk a lángba a mérni kívánt fényt színszűrővel választjuk ki (olcsó) Scheibe-Lomakin törvény: I emittált fény intenzitása K műszerállandó c minta koncentrációja b empirikus állandó, b  1 (vagy <1)

41 Ív- és szikragerjesztésű emissziós színképelemzés
szilárd minták vizsgálatára alkalmas vezető elektródok között elektromos ívet vagy szikrát (t = K) hozunk létre – elektromos gerjesztés vagy az egyik elektród a vizsgálandó minta vagy az elektród anyagába (pl. grafit) van beágyazva a minta az ívben ill. szikrában a minta elpárolog, atomizálódik, gerjesztődik az így kapott emittált fényt optikailag leképezzük, prizmára bocsátjuk  spektrum fényképezőlemezen rögzítjük vonal helye () - minőségi információ vonal intenzitása (feketedés) – mennyiségi információ

42

43 ICP-AES plazmaégő

44 ICP-AES rádiófrekvenciás tekercs (27 MHz) – rádiófrekvenciás teret hoz létre az égőbe vezetett Ar ionizálódik a rádiófrekvenciás térben az Ar+ ionok felgyorsulnak plazmaállapot jön létre a fáklya hőmérséklete K-re nő a kvarcból készült csövet hűteni kell (Ar gázzal) a mintát porlasztóval viszik be a plazmába minden jelen lévő elem a rá jellemző hullámhosszúságú atomi vonalon fényt emittál a plazma által emittált fényre érvényes a Scheibe-Lomakin törvény az Ar azért jó, mert emissziós színképe vonalszegény

45 ICP-AES a magas hőmérséklet miatt a fény intenzitása
jóval nagyobb, mint pl. a lángfotometria esetében P fényteljesítmény (P ~ I) A műszerállandó V láng- (plazma) térfogat N0 részecskék száma gn anyagi állandó E gerjesztési energia T hőmérséklet

46 ICP-AES a magas hőmérséklet miatt a fény intenzitása
jóval nagyobb, mint pl. a lángfotometria esetében P fényteljesítmény (P ~ I) A műszerállandó V láng- (plazma) térfogat N0 részecskék száma gn gerjesztés hatásfoka E gerjesztési energia T hőmérséklet

47 ICP-AES a magas hatásfokú gerjesztés miatt
olyan elemek mérésére is alkalmas, amire pl. a lángfotometria nem a kimutatási határ a korábbi módszerekhez képest kb. 3 nsr-del nőtt multielemes módszer (a plazmában lévő összes komponenst egyidejűen mérjük)

48 Atomabszorpciós spektrofotometria
(AAS)

49 Atomabszorpciós spektrofotometria
(AAS) atomizálás: lánggal vagy grafitkályhában láng: réségő (elegendően nagy úthossz, ld. később) fényforrás: gond van vele monokromátorok: 2 ~ 0,1 nm körül atomvonalak: 2 < 0,01 nm a legjobb monokromátor fénye is elfedi a minta elnyelését megoldás: olyan fényforrás, ami 2 ~ 0,01 nm szélességű monokromatikus fényt sugároz vájtkatódlámpa

50 A vájtkatódlámpa működése

51 A vájtkatódlámpa működése
nemesgázzal töltött gázkisülési cső kisülés során a töltőgáz ionizálódik a + töltésű részecskék a katódba becsapódnak a katód anyagát gerjesztik a katód olyan -ú fénysugarat bocsát ki, ami a katód anyagának atomjaira jellemző (specifikusság) a kibocsátott vonalak atomszínképvonalak (2 ~ 0,01 nm ) minden elemhez külön lámpa szükséges vájtkatód: üreges, amiben a vizsgálandó elem vagy annak vegyülete található

52 Háttérkompenzálás az AAS-ben
a láng a fényforrás és a detektor között helyezkedik el az atomizáló lángnak magának is van fénye az is bejut a detektorba a detektor akkor is jelez valamit, amikor a vájtkatódlámpát még be sem kapcsoltuk… forgószektor (fényszaggatás) a detektorban képződő fotoáramnak csak a váltóáramú komponensét mérjük

53 Koncentrációmérés AAS-sel
a vájtkatódlámpa intenzitása I0 a mintát a lángba porlasztjuk, a minta abszorbeálja a fény egy részét I0 lecsökken (I < I0) I0 csökkenése összefüggésben van a beporlasztott minta c koncentrációjával – a Lambert-Beer törvény A abszorbancia k,k’ állandók l optikai úthossz c a komponens koncentrációja (A ~ c)

54 Koncentrációmérés AAS-sel
kalibrációs egyenes felvétele az optikai úthossz szerepe (réségő) mátrixhatás, sztenderd addíció AAS teljesítőképessége: ppm-ppb tartomány