Analiza spektralna i pomiary spektrofotometryczne

ĆWICZENIE
ANALIZA
73
SPEKTRALNA
I
POMIARY
SPEKTROFOTOMETRYCZNE
Cel ćwiczenia: Zapoznanie z budową i zasadą działania spektralnych przyrządów optycznych:
pryzmatycznych
i
dyfrakcyjnych;
sprawdzenie
prawa
Bouguera-Lamberta–Beera,
wyznaczenie stężenia roztworu na podstawie zmierzonych wartości ekstynkcji.
Zagadnienia: Widma (emisyjne, absorpcyjne, atomowe, cząsteczkowe), spektroskop,
monochromator, spektrofotometr, prawo absorpcji światła, współczynnik absorpcji,
ekstynkcja, molowy współczynnik ekstynkcji.
1 Wprowadzenie
Jeżeli na drodze równoległej wiązki promieniowania świetlnego ustawimy próbkę w ten sposób,
by światło padało nań prostopadle oraz oznaczymy natężenie światła padającego przez I0, to
okazuje się, że natężenie światła wychodzącego It jest mniejsze od I0. Dzieje się tak, gdyż część
padającego światła odbija się na granicach ośrodków (ściankach próbki), część jest pochłaniana
przez materiał próbki a część rozproszona.
Pochłanianie (absorpcja) światła polega na osłabieniu wiązki padającego światła wskutek
przekształcenia części energii świetlnej w inne formy energii, w szczególności w energię
termicznych ruchów atomów i cząsteczek ośrodka, przez który światło przechodzi.
Przez rozpraszanie światła rozumie się zjawisko polegające na osłabieniu równoległej wiązki
światła wskutek tworzenia się fal wtórnych, rozchodzących się we wszystkich możliwych
kierunkach. Zachodzi ono w ośrodkach optycznie niejednorodnych gdzie współczynnik
załamania zmienia się nieregularnie od punktu do punktu. W dalszych rozważaniach ten efekt
będziemy pomijać, gdyż będziemy analizować przechodzenie światła przez ośrodki jednorodne,
a więc takie, w których osłabienie wiązki światła wskutek rozpraszania jest znikomo małe. Przy
tym założeniu, suma natężeń światła: odbitego Ir (r – reflection), pochłoniętego Ia
(a – absorption) i przepuszczonego It (t – transmission) jest równa natężeniu światła
padającego I0.
I 0  I r  I a  It
.
(1)
Po podzieleniu relacji (1) przez I0 otrzymujemy
1
gdzie
It
T
I0
I r I a It
 
I0 I0 I0
,
(2)
nazywa się współczynnikiem przepuszczalności lub transmisji.
Aby wyprowadzić prawo Bouguera-Lamberta-Beera absorpcji światła weźmy pod uwagę
nieskończenie cienką warstwę ośrodka, przez który biegnie monochromatyczna wiązka promieni
równoległych (rys. 1).
Rozpatrywana warstwa grubości dl ograniczona jest równoległymi powierzchniami
prostopadłymi do kierunku rozchodzenia się światła. Po przejściu przez tę warstwę natężenie
światła zmniejszy się o dI. Zmniejszenie to jest proporcjonalne zarówno do grubości warstwy dl,
jak i do natężenia I światła wchodzącego do warstwy, a zatem
dI  k  I  dl
.
(3)
1
Rys. 1. Schemat biegu promienia przez próbkę o grubości l. Natężenia światła:
padającego – I0, odbitego od pierwszej IR1 i drugiej IR2 powierzchni ograniczającej próbkę,
po przejściu przez próbkę – It, dl – grubość elementarnej warstwy próbki
Współczynnik proporcjonalności k, zależny od właściwości substancji pochłaniającej, długości
fali światła oraz temperatury, nazywany jest współczynnikiem pochłaniania (absorpcji) danego
ośrodka. Równanie (3) przedstawia różniczkową postać prawa Bouguera-Lamberta-Beera.
Można je rozwiązać metodą rozdzielenia zmiennych, co sprowadza się do wyrażenia:
I 2  I 1e  kl
(4)
gdzie I1 = i0-IR1 – natężenie światła, które weszło do próbki, I2 = it+IR2 – natężenie światła,
które dotarło do drugiej powierzchni próbki o grubości l.
Doświadczalne metody wyznaczania współczynnika absorpcji opierają się na wykorzystaniu
wzoru (4). Jeśli wielkościami mierzonymi są I0 oraz It, to w obliczeniach należy uwzględnić
straty na odbicie światła. Stosunek natężenia światła odbitego od danej powierzchni
rozgraniczającej dwa ośrodki do natężenia światła padającego na nią nazywa się
współczynnikiem odbicia i oznacza się literą R. Wartość R zależy od współczynników załamania
n1 i n2 obydwu ośrodków i od kąta padania światła. Przy padaniu prostopadłym
2
 n n 
R   2 1  .
 n2  n1 
(5)
Najczęściej z obydwu stron próbki znajduje się ten sam ośrodek (np. powietrze) i wówczas
R1 = R2 = R, IR2 = I2R, I1 = (1-R)I0 oraz
I t  I 2  I R 2  (1  R )I 2  (1  R )I 1e kl  (1  R )2I 0e kl .
(6)
Za pomocą spektrofotometrów mierzy się stosunek natężeń It1/It2 światła o tej samej
długości fali, przepuszczanego przez dwie próbki – badaną i porównawczą. Jeśli obie próbki są
wykonane z tego samego materiału, lecz mają różne grubości (l0 oraz l0+l), to
I t (l 0  l ) kl
e .
I t (l 0 )
(7)
Metoda ta pozwala wyeliminować błędy związane z odbiciem i rozproszeniem światła na
granicach ośrodków.
Zależność współczynnika absorpcji od długości fali padającego promieniowania określa widmo
absorpcyjne danej substancji. Jeśli ośrodkiem pochłaniającym światło jest roztwór (w nie
pochłaniającym światła rozpuszczalniku), to zazwyczaj współczynnik pochłaniania jest
proporcjonalny do koncentracji c rozpuszczonej substancji
k  c K
,
(8)
gdzie c jest stężeniem [kmol/m ], K zaś nazywa się molarnym współczynnikiem absorpcji.
Zatem w przypadku roztworów równanie (4) ma postać
3
2
ln
I2
 K  c  l
I1
(9)
lub
log
I1
K

c  l   c  l  E
I2
2,303
,
(10)
gdzie  nazywa się molowym współczynnikiem ekstynkcji, a E – ekstynkcją.
Z powyższych rozważań wynika, że znając dla danej długości fali współczynnik ekstynkcji,
ekstynkcję oraz grubość badanej próbki, można wyznaczyć stężenie absorbenta.
Zarówno analiza spektralna jakościowa jak i ilościowa są bardzo czułymi metodami
pozwalającymi wykrywać śladowe ilości substancji.
2 Zasada pomiaru i układ pomiarowy
Obserwacja i rejestracja widm jest możliwa przy użyciu przyrządów spektralnych zwanych
spektrofotometrami. Są to przyrządy, w których intensywność wiązki świetlnej wychodzącej ze
szczeliny monochromatora mierzy się fotometrycznie w funkcji . Przyrządy te służą głównie do
rejestracji widm absorpcyjnych.
Spektrofotometry pracują w bardzo szerokim zakresie promieniowania elektromagnetycznego
od mikrofal po wysokoenergetyczne promieniowanie X i . Zastosowanie laserów umożliwiło
rozwój nowych technik spektralnych takich jak spektroskopie laserowe, fourierowskie i czasowo
rozdzielcze. W chwili obecnej rozwija się spektroskopia pojedynczych cząsteczek i możliwe są
badania procesów przebiegających w czasie 10–9 sekundy.
Budowa i zasada działania spektrofotometru SPEKOL
Fotometr o nazwie firmowej SPEKOL jest przeznaczony do pracy w widzialnym zakresie widma.
Urządzeniem monochromatyzującym w tym przyrządzie jest siatka dyfrakcyjna.
Rys. 2. Schemat biegu promieni w spektrofotometrze SPEKOL:
1 – źródło światła,
2 – kondensor,
3 – zwierciadło,
4 – szczelina wejściowa,
5 – obiektyw kolimatora,
6 – siatka dyfrakcyjna odbiciowa,
7 – obiektyw kolimatora,
8 – szczelina wyjściowa,
9 – próbka badana i porównawcza,
10 – fotoelement,
11 – wzmacniacz,
12 – miernik.
Źródłem promieniowania jest lampa wolframowa. Miernik jest wyskalowany w jednostkach
ekstynkcji
oraz
transmisji.
Promieniowanie
wychodzące
ze
szczeliny
wejściowej
monochromatora jest przez kolimator kierowane w postaci równoległej wiązki na odbiciową
siatkę dyfrakcyjną gdzie zachodzi rozszczepienie światła. Następny kolimator kieruje promienie
odbite od siatki na płaszczyznę szczeliny wyjściowej monochromatora. Wybieranie żądanej
długości fali odbywa się przez obrót siatki (zmiana kąta padania) za pomocą pokrętła 4 (rys. 2).
Pokrętło to jest wyskalowane w nanometrach, co pozwala na bezpośredni odczyt długości fali.
Układ pomiarowy zawiera fotoelement selenowy, którego fotoprąd jest wzmacniany za pomocą
wzmacniacza i rejestrowany przez miernik.
3
3 Zadania do wykonania
A) Pomiary:
1. Sprawdzenie prawa Bouguera–Lamberta–Beera pochłaniania światła, wyznaczenie
współczynnika pochłaniania oraz grubości warstwy absorbującej
2. Sprawdzenie prawa Bouguera–Lamberta–Beera i wyznaczenie koncentracji roztworu
B) Opracowanie wyników:
Ad. 1. Przedstawić spektralną zależność współczynnika transmisji i ekstynkcji. Wykreślić krzywą
ekstynkcji w funkcji grubości warstwy pochłaniającej. Wyznaczyć współczynniki absorpcji filtrów
Ad. 2. Przedstawić spektralną zależność współczynnika transmisji i ekstynkcji. Wykreślić krzywą
ekstynkcji w funkcji stężenia roztworu. Wyznaczyć molowy współczynnik ekstynkcji
4 Pytania
A) Przedstawić bieg promieni świetlnych w pryzmacie dla światła mono- i polichromatycznego.
Jakie występują zjawiska optyczne?
B) Omówić budowę i działanie spektroskopu.
C) Jak za pomocą spektroskopu wyznaczyć nieznany przedział długości fal przepuszczonych lub
pochłoniętych przez filtr?
D) Omówić budowę i zasadę działania spektrofotometru SPEKOL.
E) Zdefiniować współczynnik transmisji, absorpcji oraz ekstynkcji i podać sposób ich
wyznaczania.
opracowała A.Anuszkiewicz
4