1 / 54

Spektrokémiai módszerek

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

gala
Download Presentation

Spektrokémiai módszerek

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  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 (6,62.10-36 J/s)  a sugárzás frekvenciája (E ~ ) c a fénysebesség (vákuumban 300000 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) jellemzőa 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 10-200 nm VUV elektron- 200-400 nm ultraibolya (UV) átmenetek 400-700 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. Az atomszínképek létrejötte

  8. 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

  9. 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

  10. Az atomszínképek létrejötte

  11. Az atomszínképek szerkezete • atomszínképek vonalas szerkezetűek (sávszélességük < 0.1 nm)

  12. 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

  13. A molekulaszínképek létrejötte és szerkezete

  14. 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 100-150 nm

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

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

  17. 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

  18. Monokromátorok • monokromatikus fényt állítanak elő • monokromatikus fény: „egyszínű”, adott hullámhosszúságú fény (  ) • monokromátor félértékszélessége: 2-val jellemezzük • típusai színszűrők (2 = 50-100 nm) interferenciaszűrők (2 =5-20 nm) prizma (2 = 1-2 nm) optikai rácsok (2 = 0,1 nm körül)

  19. 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

  20. Detektorok

  21. Atomspektroszkópiai módszerek

  22. 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

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

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

  25. Az atomizálás történhet • lánggal (lángfotometria, AAS) • grafitkályhás atomizátorral (AAS) • kémiai atomizációval (AAS) • induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) • elektromosívvel ill. szikrával

  26. Az atomizálás történhet • lánggal (lángfotometria, AAS) • grafitkályhás atomizátorral (AAS) • kémiai atomizációval (AAS) • induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) • elektromosívvel ill. szikrával

  27. Az atomizálás történhet • lánggal (lángfotometria, AAS) • grafitkályhás atomizátorral (AAS) • kémiai atomizációval (AAS) • induktívan csatolt plazmaégőben (ICP-AES) • elektromosívvel ill. szikrával

  28. 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

  29. Atomizálás lánggal A lángok tulajdonságai C2H2/levegő 2400 oC C2H2/N2O 2800 oC C2H2/O2 3150 oC H2/levegő 2100 oC H2/N2 O 2700 oC H2/O2 2700 oC

  30. Atomizálás lánggal O2 jelenlétében rosszul disszociáló oxidok képződnek, ilyenkor reduktív láng segíti az atomizálódást Az atomizálódás mértéke különböző lángokban Elem C2H2/levegő C2H2/O2 C2H2/N2O (2400 oC) (3150 oC) (2800 oC) Na 1,1% 16,1% K 9,3% 92,1% Mg - 0,01% 6% Ca 0,01% 17,2% 84%

  31. Atomizálásgrafitkályhával(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)

  32. Atomizálásgrafitkályhával(AAS)

  33. 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

  34. Atomemissziós spektroszkópiai módszerek

  35. Lángfotometria

  36. 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)

  37. Ív- és szikragerjesztésű emissziós színképelemzés • szilárd minták vizsgálatára alkalmas • vezető elektródok között elektromos ívet vagy szikrát (t = 5-6000 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

  38. ICP-AESplazmaégő

  39. 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 6-10000 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

  40. 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

  41. 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

  42. 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)

  43. Atomabszorpciós spektrofotometria (AAS)

  44. 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

  45. A vájtkatódlámpa működése

More Related