Determinarea concentratiei unei solutii prin metoda spectrofotometrica

Petrov Elena - CtlinaSeria 6, grupa 65

I. Scopul lucrrii

Scopul lucrrii este acela de a determina concentraia unei soluii prin msurarea absorbanei cu ajutorul unui spectrofotometru n domeniul vizibil, prin intermediul a dou activiti practice distincte, i anume aflarea lungimii de und la care are loc maximul absorbiei luminii pentru o substan, prin trasarea spectrului de absorbie, i aflarea concentraiei unei soluii a respectivei substane, folosind absorbia luminii prin soluie, la lungimea de und optim.

II. Teoria lucrrii

Noiuni generale de spectroscopie Interaciunea radiaiei electromagnetice - definit prin aciunea de propagare a undelor electromagnetice sub form de unde transversale - cu materia poate fi emisie, atunci cnd un material emite energie electromagnetic, sau absorbie, atunci cnd energia electromagnetic este absorbit de un material. Ambele fenomene implic o modificare a nivelurilor energetice ale particulelor ce compun materialul - atomi i molecule; o particul primete energie atunci cnd absoarbe radiaie i pierde din propria energie atunci cnd emite radiaie. Studiul acestor interacii poart numele de spectroscopie. Prin urmare, spectroscopia este o denumire generic dat clasei de procedee i tehnici experimentale prin care se urmrete i se cuantific efectul absorbiei sau emisiei de energie de ctre o prob supus analizei chimice calitative i/sau cantitative. Cnd se vizeaz procesul de msurare a interaciei, termenul folosit este cel de spectrometrie; spectrofotometria este o ramur a spectroscopiei moleculare ce se ocup cu analiza calitativ i cantitativ a spectrelor de absorbie n domeniul UV-VIS a substanelor organice sau anorganice n stare lichid.

Spectrometria molecular Energia unei molecule este dat de cel puin trei tipuri de contribuii: o contribuie datorat energiei electronilor, o contribuie datorat vibraiei legturilor dintre atomi i o contribuie asigurat de rotaia unor grupuri de atomi n funcie de alte grupuri de atomi din interiorul moleculei. Diferena energetic dintre nivelurile electronice este cea mai mare, urmat de diferena dintre nivelurile vibraionale i n final de diferena energetic dintre nivelurile rotaionale. Avnd n vedere numrul foarte mare de niveluri de cele trei tipuri dintr-o molecul, n general spectrele moleculare sunt spectre continue (spectre de benzi).

Spectro(foto)metria molecular de absorbie n ultraviolet i vizibil (UV-VIS)

Spectrul vizibil de ctre oameni este restrns, descris tipic ntre 400 i 700 nm. Energiile radiaiilor din domeniul vizibil i ultraviolet apropiat (200 - 400 nm) corespund n general diferenelor dintre nivelurile energetice ale moleculelor. Lungimile de und la care fiecare material poate absorbi lumina reprezint o proprietate dat de diferena dintre nivelurile energetice din moleculele sale. n general toate substanele absorb n domeniul ultraviolet, cu energie mai mare dect n cel vizibil; pentru ca o molecul s absoarb n vizibil aceast diferen trebuie s fie mai redus. Legturile chimice i gruprile de atomi care provoac absorbia luminii n domeniul ultraviolet i vizibil se numesc cromofore. De obicei gruprile cromofore conin electroni cu o mobilitate ridicat, electroni care intr n conjugare cu electronii din molecula de baz. Atunci cnd molecula absoarbe lumin cu lungimea de und n vizibil i transmite sau reflect alt lungime de und, molecula se coloreaz.Cu ct lungimea de und este mai mic, frecvena crete, la fel i energia radiaiei. Radiaia din domeniul vizibil care acioneaz asupra cromoforului este absorbit de acesta i determin un salt energetic a electronului dintr-un orbital cu energie joas pe un orbital electronic cu energie nalt. Absorbia de ctre un material a unei culori va cauza apariia acestuia (pentru ochiul uman) n culoarea situat diametrical opus pe cercul culorilor complementare n spectrul vizibil, culoarea complementar.

Spectrele de absorbie molecular sunt diferite de la un tip de molecul la altul. Spectrometria de absorbie molecular poate fi aplicat pentru substane n stare solid, lichid sau gazoas, dar este folosit n mod uzual pentru analiza lichidelor, n general soluii ale substanei de interes. Forma spectrului de absorbie pentru o substan chimic poate fi diferit ntre substan n forma pur i o soluie a aceleiai substane sau de la o soluie la alta, dac solvenii sunt diferii. Lund n considerare faptul c informaiile asupra structurii unei molecule oferite de aceast tehnic sunt limitate, spectrometria UV-VIS este folosit n general pentru aplicaii cantitative a determinarea unei concentraii necunoscute a unei substane de identitate cunoscut dintr-o prob. Spectrul de absorbie, numit i spectru de emisie, al unei substane aflate ntr-o soluie depinde i de concentraia acestuia; cu ct substana este mai diluat, cu att spectrul este mai aplatizat, ceea ce nseamn c diferenele ntre maxime i minime sunt mai mici. n domeniul medical, spectrometria UV-VIS este folosit pentru analiza fluidelor biologice; acestea fiind foarte complexe, este necesar cuplarea cu o tehnic prin care se separ n primul rnd componentele probei. Interacia materiei cu radiaia electromagnetic este folosit att ca metod de diagnostic, ct i ca metod de tratament, cu aplicaii n scintigrafie, radiografie, tomografie computerizat cu raze X, rezonan electronic de spin, spectroscopie prin rezonan magnetic in vivo, imagistic prin tomografie de rezonan magnetic nuclear i multe altele.Metoda spectrofotometric se bazeaz, prin urmare, pe analiza unui fascicul de lumin care trece printr-o soluie. Cu ct sunt mai multe particule prezente n soluie, cu att lumina va fi din ce n ce mai atenuat - intensitatea ei scade. Se constat c intensitatea luminii emergente depinde i de ali parametri n afar de concentraie, fenomen descris complet de legea Beer - Lambert I = I0 10-Cl unde I0 = intensitatea luminii incidente pe prob, I = intensitatea luminii transmise (emergente din prob), = coeficientul de extincie, care depinde de natura chimic a substanei si de lungimea de und a luminii incidente, C = concentraia substanei absorbante, l = lungimea drumului optic (grosimea probei).Sursa de lumin monocromatic genereaz un fascicul incident de intensitate I0, care strbate soluia unei substane de concentraie C. Drumul strbtut prin soluie are lungimea l, iar n urma parcurgerii soluiei, intensitatea fasciculului este atenuat pn la intensitatea I. Se pot defini additional dou mrimi care caracterizeaz procesul de absorbie, transmitana (T) i absorbana (A). Transmitana reprezint fracia din lumina incident care poate prsi proba, mai exact este transmis; dac se logaritmeaz inversul transmitanei rezult o mrime denumit absorban, numit n trecut i extincie. T = I/I0 = 10-Cl A = lg 1/T = lg I0/I = C l Ambele mrimi sunt adimensionale, astfel putem determina concentraia unei substane msurnd absorbana. Pentru ca precizia msurtorii s fie ct mai apropiat de realitate, absorbana trebuie msurat la lungimea de und (max) corespunztoare maximului de absorbie a substanei. Stabilirea maximului de absorbie se realizeaz analiznd spectrul de absorbie A = f(), iar max este lungimea de und la care valoarea absorbanei este maxim. n momentul n care se tie lungimea de und la care substana prezint maximul de absorbie se poate trasa graficul variaiei absorbanei A n funcie de concentraia C, A = f(C) cu valorile absorbanei msurate la max corespunztoare maximului de absorbie. Astfel se poate determina C pentru orice alt soluie de concentraie necunoscut. Graficul trebuie s fie o dreapt care n mod ideal trece prin origine. Odat trasat graficul, se poate determina concentraia necunoscut prin msurarea absorbanei soluiei la aceeasi si interpolare pe grafic.III. Descrierea aparatuluiMateriale necesare - spectrofotometru digital sau analogic - eprubete sau cuve de spectrofotometru - soluia de concentraie necunoscut X, a crei concentraie dorim s o determinm - soluii de referin ale aceleiai substane, cu concentraii cunoscute - solventul pur al soluiei Componentele unui spectrofotometru monofascicul cel mai simplu principiu constructiv - surs de radiaii care trebuie s emit toate lungimile de und din domeniul investigat - monocromator, dispozitiv ce selecteaz din ceea ce emite sursa o singur lungime de und (poate fi din punct de vedere constructiv cu prism, cu reea de difracie sau cu filtre optice) - solventul (blanc), folosete la etalonarea de T = 100% i T = 0% - proba, pentru care msurm absorbana (sau transmitana) - detectorul, care transform lumina emergent n current electric (fotocelul, fotomultiplicator sau fotodiod) - amplificator - nregistrator, microampermetru gradat liniar n % pentru transmisie i logaritmic pentru extincie sau afiaj digital

IV. Modul de lucruIntrucat nu exista constructiv posibilitatea de a masura direct intensitatea luminii incidente I0 la iesirea din sursa si pentru a elimina efectul absorbtiei date de solventul probei, masurarea I0 se face introducand in compartimentul probei o solutie blanc, care contine toate componentele probei in afara de substanta de determinat. Ajustarea spectrofotometrului pentru blanc trebuie facuta de fiecare data la schimbarea lungimii de unda. Pentru aplicatii in care este necesara inregistrarea rapida, in cateva minute, a unui spectru sunt folosite aparate cu un principiu constructiv modificat, numit dublu fascicul, cu doua compartimente pentru solutii, unul pentru proba si unul pentru blanc. Aparatul masoara cvasisimultan I0 (intensitatea luminii transmise de blanc) si I (intensitatea luminii transmise de proba) fara a fi necesara schimbarea manuala intre cele doua solutii, iar inregistrarea spectrului este controlata automat. Aparatele monofascicul sunt folosite tipic pentru aplicatii de rutina la care se masoara absorbanta la o singura lungime de unda, spre exemplu cand spectrul substantei este deja cunoscut, si sunt de asemenea mai mici si mai compacte decat cele dublu fascicul.Pentru substanta de cercetat, trebuie sa aflam lungimea de unda max la care are loc maximul absorbtiei. Pentru aceasta consultam o baza de date de spectre sau trasam un spectru al substantei, care sa investigheze lungimile de unda din domeniul vizibil. Odata aflata max, putem determina concentratia oricarei solutii a acestei substante, daca avem la dispozitie cateva solutii standardizate, de concentratii cunoscute, ale acelei substante, masurand absorbtia la max in solutiile standardizate si in solutia de concentratie necunoscuta.Determinarea maximului de absorbtie prin trasarea unui spectruPentru solutia de investigat dorim sa trasam spectrul de absorbtie, care necesita masurarea absorbtiei prin solutie a luminii la mai multe lungimi de unda.Spectrofotometrul analogic1. Prin manevrarea butonului 2 se alege lungimea de unda, 400 nm pentru inceput2. In cuva aparatului se introduce blancul eprubeta cu solventul3. Se pozitioneaza comutatorul 1 pe pozitia 0 (se inchide fluxul luminos prin proba)4. Din butonul 3 se regleaza acul aparatului de masura pentru a indica transmisia T=0%5. Se pozitioneaza comutatorul 1 pe pozitia I (se deschide fluxul luminos)6. Din butonul 4 se regleaza acul aparatului de masura la indicatia T=100%7. Se introduce eprubeta cu solutia de cercetat si se citeste extinctia E (absorbanta) pe scala de sus a aparatului de masura, scala logaritmica de la dreapta la stanga; se noteaza valoarea in tabelul cu rezultatele8. Se repeta operatiile 2-7 pentru celelalte lungimi de undaObservatie: pasii 2-6 trebuie repetati la fiecare schimbare a lungimii de unda; activitatea aceasta, denumita setare de blanc, este necesara pentru a compensa faptul ca si solventul si peretii eprubetei au o absorbanta a lor.Spectrofotometrul digital1. Se porneste aparatul din butonul de pornire si se asteapta circa 5 minute, cu capacul aparatului inchis, pentru ca aparatul sa-si faca autoverificarea2. Din butonul 3 se alege modul absorbanta, afisat pe ecran3. Din butoanele 1 si 2 se alege lungimea de unda; se porneste de la 400 nm4. Se introduce blancul si se inchide capacul5. Se apasa butonul 2; aparatul va regla automat absorbanta la 0 pentru solutia de blanc introdusa6. Se introduce cuva cu solutia de cercetat, se inchide capacul si se citeste valoarea absorbantei pe ecranul inregistratorului (I) sau se tipareste prin apasarea butonului 4; se noteaza valoarea in tabelul de rezultate7. Se repeta punctele 3-6 pentru celelalte lungimi de undaObservatie 1: pasul 5 setarea de blanc este necesar pentru a compensa faptul ca si solventul si peretii cuvetei au o absorbanta a lor. Acest pas trebuie reluat la fiecare schimbare de lungime de unda.Observatie 2: aparatul nu se stinge pana la terminarea lucrarii practice (lampa are un numar limitat de aprinderi/stingeri)! Sunset Yellow este un compus sintetic folosit drept colorant alimentar, notat E110 pe etichetele produselor alimentare. Numarul mare de legaturi duble conjugate face ca acest colorant sa absoarba in domeniul vizibil, mai exact in domeniul bleu-violet. Culoarea perceputa de ochiul uman va fi, prin urmare, galben-oranj, complementar culorii absorbite.

BibliografieLucrari practice de Biofizica si Fizica Medicala, EDITURA UNIVERSITARA CAROL DAVILA, 2013www.biblioteca.regielive.ro, referat SpectrofotometrieCurs Elemente de fotobiologiewww.creeaza.comhttp://www.chm.davidson.eduwww.descopera.ro