 |
|
 |  |
|
|
| |
 | Biologie | Chimie | Didactica | Fizica | Geografie | Informatica |
| Istorie | Literatura | Matematica | Psihologie |
Spectrometria in infrarosu
Aplicatiile spectroscopiei in infrarosu prezinta o importanta atat de mare, incat s-au facut eforturi considerabile pentru construirea unor spectrometre conevenabile, rapide, usor de manipulat si relative ieftine. Asemenea aprate trebuie sa se gaseasca in majoritatea laboratoarelor de cercetari chimice.
We have chosen for our presentation IR spectroscopy, with the help of this method being possible to identify chemical groups within a molecule through absorption at different frequencies, which is difficult to obtain through other methods. For example, strong absorptions at 2 250 cm-1 indicates the presence of a cyan substitute, or a silicon - hydrogen bond, or a unsaturated carbon - deuterium bond. The provenience of the sample allows us to distinguish these possibilities.
The applications of IR spectroscopy have such a great importance that considerable efforts have been made to build fast, easy to manipulate and relatively inexpensive spectrometers. Such devices must be found in almost all chemistry research laboratories.
The identification of compounds using IR spectra is that precise and workable, that it substitutes old methods based on melting points, refraction index etc. Their main advantage is the certitude even in the analyze of partial impure materials. The main disadvantage refers to the space needed to reveal all the results of a spectra.
Cuvinte cheie: spectroscopie IR, spectrometru IR, sursa IR, spectru IR, prisme IR
Key words: IR spectroscopy, IR spectrometer, IR source, IR prism
Introducere.
Pt studiul nivelelor de energie de vibratie a unei molecule exista 2 procedee diferite si anume , determinarea spectrului de absortie in infrarosu si a spectrului de difuziune Raman.
Absortia poate avea loc la frecvente nefundamentale daca sunt simultan excitate doua sau mai multe nivele fundamentale de vibratie, insa bineinteles, absortia corespunzatoare este mai slaba. Spectrul de absortie in infrarosu al unei molecule complexe poate prezenta , deci un numar mare de benzi de absortie cu diferite intesitati si cu o distributie neregulata a frecventzelor. Deoarece spectrul este o caracteristica a unei molecule si deoarece doua tipuri de molecule (cu exceptia enantiomerilor D si L)nu au exact aceeasi schema de absortie , este limpede faptul ca spectrele pot fii utilizate la indentificarea compusilor. In plus, identificarea poate fi facuta in cateva minute pe cateva miligrame de material si este precisa chiar in prezenta unor cantitati mici de impuritati care pot fi si ele identificate.
De asemenea este posibila sa se identifice grupele chimice dintr-o molecula prin absortia la anumite frecvente, lucru dificil de obtinut printr-o alta metoda. De exemplu, absortia puternica la 2 250 cm-1 indica prezenta unei grupe cian , sau a unei legaturi silicuiu-hidrogen, sau a unei legaturi carbon-deuteriu nesaturata. Provenienta probei permite sa se diferentieze aceste posibilitati .Desi indicatiile obtinute din interpretarea spectrelor in infrarosu nu ofera o totala certitudine in privinta prezentei sau absentei unor anumite grupe, ele pot ajuta mult determinarile de structura efectuate prin alte metode.
Aplicatiile spectroscopiei in infrarosu prezinta o importanta atat de mare, incat s-au facut eforturi considerabile pentru construirea unor spectrometre conevenabile, rapide, usor de manipulat si relative ieftine. Asemenea aprate trebuie sa se gaseasca in majoritatea laboratoarelor de cercetari chimice.
Fudamentare teoretica
Sursele
de radiatii. O sursa de
infrarosu este formata dintr-un fir incandescent care emite radiatii de toata
frecventele conform legii radiatiei corpului negru. Cantitatea de energie
corespunzatoare fiecarui frecvente creste o data cu temperatur sursei;
suprafata sursei nu are vro importanta, cu conditia ca imaginea sursei de fanta
de intrare sa fie mai mare ca aceasta in orice conditii de lucru. Pentru
majoritatea domeniului de infrarosu,
energia sursei este proportionala cu puterea a
Incalzirea electrica este cea mai potrivita, iar materialul folosit in mod obisnuit in pentru surse etse un amestec conductor de oxizi ai pamanturilor rare sub forma unei fergele si care se numeste lampa Nernst. Aceasta sursa lucreaza la 20000K, insa necesita doar 100W si poate lucra in aer fara o racier speciala. Sursa are un coeficient negativ de temperature al rezistentei si necesita o preancalzire exterioara inainte de a conduce sufficient curentul pentru aa ramane aprinsa. Sursele de carbura de siliciu lucreaza la temperature mai joase, insa au un diametru mai mare si pot fi folosite cu fante mai largi; aceste surse sunt preferate sub 500 cm-1. Se pot folosi si surse de wolfram, lucrand sub vid platina sau rodiu. Temperatura cea mai ridicata , 40000K, se obtine in centrul unui arc de carbune , insa asemenea surse necesita un mechanism de alimentare constanta si se mentin greu stabile. De asemenea , la frecvente joase , sub 100 cm-1 , arcurile de mercur prezinta o emisei continua.
Oglinzile.
Lentilele prezinta
dezavantaje serioase in spectrometrele in infrarosu destinate unui interval
larg de frecventa si din acest motiv toate focalizarile de radiatii se
efectueaza cu oglinzi. Oglinzile trebuie sa fie argintate pe partea din fata si
, de obicei, se obtin prin evaporarea unui strat reflectat subtire de aluminiu
sau de alt metal pe o suprafata de sticla de forma dorita . Dimensiunea
oglinzilor e importanta in cazul in care la detector trebuie sa ajunga un
procent cat mai mare de radiatii. Oglinda - collimator trebuie sa fie de aceeasi dimensiune ca fata prismei si sa aibe o distanta focala scurta , in
concordanta cu calitatea optica si tipul de spectrometru. Aceasta conditie asigura
o putere de convergenta maxima a radiatiilor ca fiind controlata de deschidere.
Toate oglinzile vor avea o deschidere atat de larga incat sa nu piarda radiatii
la capetele sale. Dupa cum stie orice posesor de aparate fotografice,
deschiderea se scrie , de exemplu f5,
ceea ce inseamna ca raportul dintre distanta focala a lentilei sau a oglinzii
si diametru sau , este
Fantele. De obicei fantele sunt doua lame inguste verticale , desii unele scheme de spectrometre folosesc o usoara curba pentru a reduce aberatiile imaginii.Deschiderea fantei este variabila si de cele mai multe ori fantele separate al unui spectometru sunt cuplate intre ele si deci pot fi actionate de la un singur buton de control. Daca fantele sunt prea largi, se reduce rezolutia spectrala, pe cand fanetele daca sunt prea inguste, la detector ajunge o cantitate insuficienta de radiatie pentru a obtine un raport samnal- zgomot satisfacator.
Prismele. Scopul prismei este de a selecta frecventa radiatiei necesare pe baza devierii diferite a radiatiei de o anumita frecventa; rediatia cu frecventa apropiata, nedorita, este focalizata pe peretele optic si inconjoara fanta de iesire. Alegerea materialului prismei este conditionata de frecventele la care se efectueaza masuratorile. Este essential ca prisma sa fie transparenta la radiatia dorita. Mai este de dorit ca sistemul sa aiba o rezolutie adecvata pentru rezolvarea benzilor invecinate. Conform condiitlor exacte, rezolutia poate fi limitata de cea a inerenta prismei, de pierderea de energie care ajunge la detector la largimi efective mici ale fantelor, sau datorita ambelor acestor cauze. In orice conditii, o buna rezolutie este determinata de urmatorii factori: (i) o mare rapiditate de schimbare a indicelui de refractie cu frecventa dn/dv; (ii) o crestere a dimensiunii prismei , adica a unghiului de refrigenta, lungimii bazei si inaltimii; (iii) schema optiaca care permite treceri multiple ale radiatii prin prisma. Dintre acestea, cea mai obisnuita este sistemul Littrow cu o oglinda plana la partea de jos a prismei, insa au fost imaginate si alte sisteme cu 4 sau mai multe treceri; (iv) o fanta ingusta in raport cu distanta focala a oglinzii-colimator. Orice particularitate, cum ar fi o sursa imbunatatita, un detector mai bun, un grad de reflexive ridicat al oglinzii etc., este utila, daca duce la o utilizare mai eficace a energiei.
Ferestrele. La celulele pentru probe, detectori etc., deseori sunt necesare ferestre transparente, si acestea trebuie sa fie de asemenea facute din materiale transparente. Chiar daca dn/dv nu are importanta, lista materialelor folosite pentru prisme cuprinde si majoritatea materialelor pentru ferestre. Pentru ferestrele cuvelor este importanta inertia chimica, fapt care ridica dificultati mari in cazul solutiilor apoase.
Retelele. Prisma poate fi inlocuita printr-o retea de reflexie. Aceasta forma a componentei de dispersie are avantajul unei rezolutii imbunatatite, a unui domeniu mai larg si cel putin la frecvente joase, a unui pret de cost redus. Prin urmare, spectrometrele cu retea au devenit in scurt timp mai raspandite. Retelele utilizate in infrarosu pot avea pana la 20 cm2 si 300- 3000 linii pe cm. Daca lumina incidenta cade sub o incienta normala, radiatia cu frecventa v cm-1 etse reflectata cu un unghi θ fata de normala, dat de:
sin θ=n/vd,
in care n esre ordinal retelei si d- distanta in cm dintre doua linii adiacente ale retelei.
Probele. Pentru absorbtia in infrarosu, se pot folosi conditii foarte variate pentru probe. Gazele si lichidele volatile se masoara in cuve pentru gaze de circa 10 cm lungime la o pesiune de cativa mm Hg. Cuvele speciale cu reflexii interne multiple au parcursuri efective pana la 40 m si sunt utilizabile la materiale cu presiuni mici de vapori.
Pentru lichide se folosesc cuve inguste cu ferestre de clorura de sodium la distante de circa 0,1 mm. exista cuve mai inguste sau mai largi, deoarece lichidele viscoase, nevolatile, se pot depune pe una dintre placi.
Pulberile solide prezinta dificultati mai mari din cauza pierderilor de radiatie prin dispersie. Aceasta pierdere este aproximativ proportionala cu puterea a patra a frecventei si este neglijabila sub 1000 cm-1. ea este proportionala si cu puterea a patra a diferentei indicelui de refractie dintre particulele solide si mediul inconjurator. De aceea, dispersia este redusa daca aerul inconjurator este inlocuit cu oricare alt lichid transparent. Sub 1300 cm -1 se foloseste de exemplu o parafina lichida - nujol-, iar peste aceasta valoare , cel mai bun este un compus halogenat ca hexaclorbutadiena. Acestea absorb in alte domenii si deci se va obtine doar un spectru partial, desi domeniile desi domeniile acoperite de parafina nu sunt importante. S-a elaborate o alta metoda in care este inlocuit cu bromura de potasiu. Un amestec de 1% proba in sare se marunteste fin si se preseaza sub vid pentru a forma o pastila solida transparenta , avand proba inglobata intr-o matrita de bromura de potasiu. Unele lichide pot fi comprimate sau topite pentru a obtine niste filme transparente, iar polimerii pot fi depusi din solventi sub forma de filme subtiri. Se pot folosi deasemenea monocristale care se studiaza deseori cu un mic microscop cu reflexive care este utilizabil si la alte probe mici.
Solidele si lichidele pot fi deasemenea studiate in solutie. Deoarece niciun solvent nu este transparent pe intregul domeniu, sunt necesari o serie de solventi. Sulfura de carbon, se poate utilize in afara domeniului 1400-1700 cm -1, iar tetracloretilena este un solvent complementar, relative transparent in acest interval. Compusii mai polari au benzi de absorbtie mai intense si sunt mai putin aplicabili, desi acest dezavantaj este partial compensate de solubilitatea marita a majoritatii lor.daca benzile solventului nu sunt prea intense , este posibil sa se introduca solventul pur in fasciculul de comparatie al unui spectrometru cu dublu fascicul si astfel sa se compenseze absorbtia solventului din spectrul inregistrat. Spectrele solutiilor se masoara usor si sunt reproductibile, si deci sunt convenabile pentru o analiza cantitativa cand prezinta mai putina importanta un interval larg de frecvente.
Dispozitivul experimental
Spectometrul de baza. Numeroase detalii influenteaza proiectarea fiecarui instrument in parte, insa componentele esentiale sunt indicate in fig. 1. Radiatia unei surse termice N este focalizata prin proba S si fanta de intrare a spectrometrului F. Radiatia este transformata intr-un fascicul parallel de oglinda-colimator C, traverseaza prisma P si este refocalizata si receptionata de detectorul D. Aceasta este transmisa unui calculator si inregistrata sub forma unui spectru. Intr-un asemenea instrument, absortia reprezinta raportul dintre valoarea semnalului in prezenta probei si cea in absenta sa. Frecventa in infrarosu este determinat de unghiul prismei si poate fi variata rotind prisma in jurul axei verticale.
Mod de lucru:
Identificarea compusilor cu ajutorul spectrelor de infrarosu este atat de sigura si comoda , incat inlocuieste metodele mai vechi bazate pe punctele de topire, indici de refracte etc. principalul sau avntaj consta in certitudinea concluziei chiar la materiale partial impure. Principalul dezavantaj se refera la spatial necesar pentru desfasurarea tuturor detaliilor unui spectru. Drept urmare, revistele stiintifice nju tiparesc in mod obisnuit spectrul daca singurul motiv pentru a-l publica este de a permite cercetatorilor din alte laboratoare sa identifice compusul odata ce au facut-o pentru ei insisi. Exista intotdeauna mici diferente rezultate din utilizarea unor spectrometer diferite precum si a unor conditii diferite de preparare a probei, insa acestea nu sunt suparatoare. Aceasta utilizare a spectrelor de infrarosu a dus pe buna dreptate la denumirea de"amprenta digitala" a compusilor chimici.
Pentru umplerea celulei IR cu o proba solida, se urmaresc urmatorii pasi:
1. Se indeparteaza celula IR din locul unde era amplasata
2. Se pozitioneaza celula IR pe o bucata de hartie curata.
3. Se prepara un mic volum (nu mai mult de 0,5 ml) dintr-o solutie concentrata din monstra solida intr-un solvent volatil (cloroform si diclormetan, altele pot cere metanol sau etanol). Asigurati-va ca substantele solide se dizolva.. Pentru a prepara solutia:
- Se foloseste o spatula curata pentru a transfera o mica parte din substanta solida intr-un recipient curat.
- se adauga 0,5-1 ml solvent in recipient folosind o pipeta curata.
-se acopera recipipientul si se dizolva solidul.
4. Folosind aceeasi pipeta,se pun 1-2 picaturi de solutie in centrul tavite cu NaCl.
5.Se asteapta cateva minute ca solventul sa se evapore. Pentru o mai buna evaporare a solventului, se balanseaza mana inainte si inapoi deasupra recipientului.
6. Se pun cristalele de sare intr-un recipient de metal.
7. Se plaseaza celula IR in spectometru.
8. Se obtine spectrul monstrei.
9.Se inlatura celula din spectrometru
10 Se dezasambleaza suportul de cristal.
11.Se indeparteaza cristalul.
12. Se curata suprafata cristalului cu un tifon imbibat in acetona si se lasa sa se usuce.
Prelucrari de date:
Am luat spre analiza o
proba de acetat de metil si am determinat lunigimea de unda la care are loc
absorbtia.
hbkdshkas
In urma analizei s-au obtinut urmatoarele rezultate:
lungimea de unda la care absoarbe gruparea C = O din actetaul de metil este de 1735 cm -1
lungimea de unda la care absoarbe gruparea C - o din acetatul de metil este de 1250 cm-1 si de 1050 cm -1
Concluzii:
Principalele avantaje ale spectroscopiei IR sunt:
identificarea poate fi facuta in cateva minute
analiza se efectueaza pe cateva miligrame de material
metoda este precisa chiar in prezenta unor cantitati mici de impuritati care pot fi si ele identificate
este posibila identificarea grupelor chimice dintr-o molecula, prin absortia la anumite frecvente, lucru dificil de obtinut printr-o alta metoda.
Bibliografie:
L. Savici, "Aparate de analiza fizico-chimica", Ed tehnica, Bucuresti
Margareta Avram , Gh. D. Mateescu, " Spectroscopia in infrarosu", Ed tehnica, Bucuresti 1966
D. H. Wiffen , "Spectroscopia", Ed Stiintifica, Bucuresti 1970
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate
