Instrumentele Chemie:
DEEL I: Spectroscopische en spectrochemische
analysemethodes:
Eigenschappen van EMS (elektromagnetische straling) kunnen op 2 manieren worden beschreven: als golf of als
verzameling van deeltjes (fotonen of kwanten). Een golf heeft een voortplantingsrichting, frequentie (f of v) en
golflengte ().
Frequentie: aantal golven per seconde in Hertz, Hz (1/s)
Golflengte: afstand tussen 2 maxima of minima
Wet van Planck: Evenredigheid tussen energie-inhoud van fotonen en frequentie van EMS:
c
Efoton = h.v = h.
❑
- E = energie (J)
- h = constante van Planck (6,626.10 -34 J.s)
- c = lichtsnelheid (3,00.108 m/s)
- v of f = frequentie Hz (1/s)
- = golflengte (m)
Het elektromagnetische spectrum:
1) Gamma straling (golflengtes 0,001 – 0,01 nm): komt vrij bij energie-overgangen in atoomkern.
2) Röntgenstraling (golflengte 0,01 – 1 nm): komt vrij als elektron overgaat van hogere naar lagere baan.
3) Straling (golflengte 100 – 1000 nm): speelt rol bij overgangen van valentie-elektronen in vrije atomen
en van bindingselektronen in moleculen. Hier behoort UV (190-380 nm) en zichtbaar licht VIS (380-780
nm)
4) Straling (golflengte 1 – 25 µm): betrokken bij trillingen van atomen infrarood IR
Er kan ook onderscheid gemaakt worden tussen absorptiespectrometrie en emissiefotometrie:
Absorptiespectrometrie: meten hoeveel straling geabsorbeerd wordt en van welke
golflengten. Een atoom/molecule kan door absorptie in hogere energietoestand geraken =
aangeslagen toestand.
o UV, VIS, IR, AAS
Emissiefotometrie: meten hoeveel straling wordt uitgezonden door materie. Moleculen
verwarmen atomen die door energie-opname in aangeslagen toestand geraken vallen
terug zenden straling uit.
o Vlamfotometrie, fluorimetrie
De kleur van een object is de kleur die NIET geabsorbeerd wordt.
1. UV/VIS moleculaire absorptiespectrometrie:
1.1 Inleiding:
Als een systeem zich in grondtoestand bevindt kan het door absorptie van energie overgaan in
aangeslagen toestand. Deeltje bevat: kinetische energie & potentiële energie: bepaalde potentiële
energieniveaus:
o Atoom: positie van elektronen
o Moleculen: positie van elektronen + beweging atomen
1
,UV = 200 – 400 nm
VIS = 400 – 800 nm
1.2 Kwantitatieve aspecten van absorptiemetingen:
UV-VIS: oplossing van deeltjes M bestralen met elektromagnetische straling uit UV- of VIS-spectrum
waarbij absorptie kan optreden met excitatie van valentie-elektronen.
Absorptieproces: M + h.vabs M*
M molecule + energie aangeslagen molecule;
hv = energie van geabsorbeerd foton (=EMS), M grondtoestand, * aangeslagen
Fotonen (= lichtdeeltjes) worden enkel geabsorbeerd als de fotonenergie precies overeenkomt
met het energieverschil tussen energieniveaus.
Relaxatieprocessen:
A. M* M + energie
Er komt warmte vrij.
B. M* A
Er wordt een nieuw deeltje A gevormd (fotometrische reactie)
C. M* M + h.vemissie
Vrijgekomen E wordt uitgezonden als EMS (fluorescentie)
Wet van Lambert-Beer: De afname van de intensiteit van monochromatische straling die invalt op
een absorberend milieu, is recht evenredig met de intensiteit van de opvallende straling en de
hoeveelheid materiaal in de lichtweg.
A = log I0/I: I0 = uitgezonden licht en I = opgevangen licht
A = .b.c
- = molaire absorptiviteit l/mol.cm; constante voor bepaalde stof bij bepaalde golflengte en
voor bepaald oplosmiddel.
- A = absorbantie = extinctie; maatgetal voor de absorptie
- b = optische lengte (cuvetbreedte)
- c = concentratie stof mol/l
Als een oplossing een deel van de zichtbare straling absorbeert uit continue
lichtbron, wil dit zeggen dat het kleur van de oplossing complementair is aan het
licht. Vb: oplossing die blauw licht absorbeert oranje kleuren.
Absorptie: A = log I0/I:
I = I0: er treedt geen absorptie op en A = log I0/I0 = 0
I = 0: er is volledige absorptie en A = log I 0/0 = ∞
Transmissie T: grootheid om absorptie aan te geven, hoeveelheid doorgelaten stralingsenergie.
Transmissie: T = I/I0
% transmissie: %T = I/I0 x 100
%T = T x 100
Verband:
log I0/I = log 100/%T A = 2 – log %T of A = -log T
2
,Additiviteitswet: Indien meerdere soorten deeltjes in 1 oplossing. Voorwaarde: geen interactie
tussen de deeltjes. Voor multicomponent systeem geldt:
Atotaal = A1 + A2 + A3 + … + An
Atotaal = ε1bC1 + ε2bC2 + ε3bC3 + … + εnbCn
De absorbantie die gemeten wordt is de som van alle absorbanties.
Meten van de absorptie:
Als we enkel onze oplossing meten in een cuvet verkrijgen we een verkeerde waarde. Er zijn namelijk
neveneffecten die de absorbantie beïnvloeden zoals de cuvet. Deze zorgt voor zowel absorptie en
terugkaatsing. Daarom maken we gebruik van een blanco met enkel oplosmiddel om juiste
absorbanties te bekomen. We hebben dus 2 cuvetten nodig: 1 blanco (0 A) en 1 monsteroplossing.
Analytische eigenschappen van kalibratiecurve en afwijkingen op wet Lambert-
Beer:
Eigenschappen kalibratiecurve:
Extinctiecoëfficiënt (K):
De gevoeligheid (S) komt bij UV/VIS overeen met K = rico v/d rechte.
K = A / c
Detectiegrens (cmin):
De detectiegrens is de minimumconc die nog voldoende betrouwbaar is om aangetoond te worden.
Amin = 3 x sb
cmin = 3sb / K
Bepalingsgrens = 3 x cmin = ondergrens
Bovengrens: concentratie waarbij de gemeten absorbantie meer dan a% afwijkt, a is vaak 3.
Afwijkingen: we onderscheiden:
Fundamentele afwijkingen die een werkelijke beperking van de wetmatigheid uitmaken = fysische
afwijkingen.
Afwijkingen als gevolg van de wijze waarop de absorbantie gemeten wordt of als resultaat van de
chemische wijzigingen gekoppeld aan concentratie-verandering = instrumentele- en chemische
afwijkingen.
Fysische afwijkingen:
Wet Lambert-Beer: werkt bij oplossingen ≤ 0,01 M
Oplossingen > 0,01 M:
o Afstand tussen absorberende deeltjes is klein
o Kan wijziging in brekingsindex (n) veroorzaken
Praktisch: verdunnen tot < 0,01 M
Chemische afwijkingen:
Afwijkingen kunnen ontstaat ten gevolge van
associatie, dissociatie of reactie van absorberende
deeltjes met solvent. Vb.: chemische afwijkingen
vastgesteld in niet gebufferde opl. van K2Cr2O7:
350 nm: A chromaat > A dichromaat; A 1 > A2/2
3
, 450 nm: A chromaat < A dichromaat; A 1 < A2/2
o OPL: meten bij snijpunt of H+ toevoegen om evenwicht naar links te schuiven
Instrumentele afwijkingen:
2 oorzaken:
Geen volledige monochromatische straling: men gebruikt een polychromatische stralingsbron,
met een monochromatorsysteem zondert men een -band af.
Strooilicht: iedere straling die de detector bereikt van golflengten afwijkend van deze ingesteld.
1.3 Onderdelen van de apparatuur voor absorptiemetingen:
5 basiscomponenten:
1) Stabiele stralingsbron
2) Monochromator: beperkt golflengtegebied afzonderen
3) Transparantie recipiënt: cuvet
4) Detector: stralingsenergie omzetten in signaal
5) Recorder
De stralingsbron:
Stralingsbron voor zichtbaar licht (VIS):
Wolfraam-halogeen lamp: hoog energie en lange levensduur.
Stralingsbron voor ultraviolet (UV):
Excitatie van waterstof- of deuterium-lamp.
Stralingsbron voor zichtbaar en ultraviolet licht (UV-VIS):
Xenonlamp
De golflengte-selector:
Straling beperken tot een smalle golflengteband, 3 redenen:
A. Wet Lambert-Beer gaat beter op
B. Selectiviteit neemt toe, geen interferentie van andere absorberende deeltjes
C. Hogere gevoeligheid
Filters: elimineren ongewenste golflengten via absorptie of interferentie.
Roosters: om betere scheiding van golflengten te bekomen, gewenste golflengte instellen.
Absorptiefilters: Bestaan uit gekleurd glas of kleurstof in gelatine tussen 2 glazen. Uit het
zichtbaar lichtspectrum laten ze de golflengteband door die overeenkomt met hun kleur.
Ze absorberen hun complementaire kleuren. De filter moet een kleur doorlaten die
complementair is aan de kleur van de oplossing.
Kenmerken filter: Kwaliteit
- Maximale transmissie bij piekmaximum
- Effectieve bandbreedte (BB): verschil tussen de hoogste frequentie en laagste frequentie, die
wordt doorgelaten. Het is het golflengtebereik waarbinnen de transmissie afneemt tot de helft
van de maximale waarde. (30 – 250 nm)
o Filters met heel lage BB hebben lage maximale transmissie.
Interferentiefilters: Er wordt een kleinere effectieve BB bereikt, het doorgelaten golflengtegebied = 1
– 5 nm. Toepassing: eenvoudige fotometers die meten bij enkele vaste golflengtes.
Bouw: 2 glazen plaatjes waartussen een plaatje doorzichtbare stof (CaF 2). De glazen plaatjes bevatten
2 zilverspiegels: half doorschijnend en terugkaatsend.
Werking:
4
DEEL I: Spectroscopische en spectrochemische
analysemethodes:
Eigenschappen van EMS (elektromagnetische straling) kunnen op 2 manieren worden beschreven: als golf of als
verzameling van deeltjes (fotonen of kwanten). Een golf heeft een voortplantingsrichting, frequentie (f of v) en
golflengte ().
Frequentie: aantal golven per seconde in Hertz, Hz (1/s)
Golflengte: afstand tussen 2 maxima of minima
Wet van Planck: Evenredigheid tussen energie-inhoud van fotonen en frequentie van EMS:
c
Efoton = h.v = h.
❑
- E = energie (J)
- h = constante van Planck (6,626.10 -34 J.s)
- c = lichtsnelheid (3,00.108 m/s)
- v of f = frequentie Hz (1/s)
- = golflengte (m)
Het elektromagnetische spectrum:
1) Gamma straling (golflengtes 0,001 – 0,01 nm): komt vrij bij energie-overgangen in atoomkern.
2) Röntgenstraling (golflengte 0,01 – 1 nm): komt vrij als elektron overgaat van hogere naar lagere baan.
3) Straling (golflengte 100 – 1000 nm): speelt rol bij overgangen van valentie-elektronen in vrije atomen
en van bindingselektronen in moleculen. Hier behoort UV (190-380 nm) en zichtbaar licht VIS (380-780
nm)
4) Straling (golflengte 1 – 25 µm): betrokken bij trillingen van atomen infrarood IR
Er kan ook onderscheid gemaakt worden tussen absorptiespectrometrie en emissiefotometrie:
Absorptiespectrometrie: meten hoeveel straling geabsorbeerd wordt en van welke
golflengten. Een atoom/molecule kan door absorptie in hogere energietoestand geraken =
aangeslagen toestand.
o UV, VIS, IR, AAS
Emissiefotometrie: meten hoeveel straling wordt uitgezonden door materie. Moleculen
verwarmen atomen die door energie-opname in aangeslagen toestand geraken vallen
terug zenden straling uit.
o Vlamfotometrie, fluorimetrie
De kleur van een object is de kleur die NIET geabsorbeerd wordt.
1. UV/VIS moleculaire absorptiespectrometrie:
1.1 Inleiding:
Als een systeem zich in grondtoestand bevindt kan het door absorptie van energie overgaan in
aangeslagen toestand. Deeltje bevat: kinetische energie & potentiële energie: bepaalde potentiële
energieniveaus:
o Atoom: positie van elektronen
o Moleculen: positie van elektronen + beweging atomen
1
,UV = 200 – 400 nm
VIS = 400 – 800 nm
1.2 Kwantitatieve aspecten van absorptiemetingen:
UV-VIS: oplossing van deeltjes M bestralen met elektromagnetische straling uit UV- of VIS-spectrum
waarbij absorptie kan optreden met excitatie van valentie-elektronen.
Absorptieproces: M + h.vabs M*
M molecule + energie aangeslagen molecule;
hv = energie van geabsorbeerd foton (=EMS), M grondtoestand, * aangeslagen
Fotonen (= lichtdeeltjes) worden enkel geabsorbeerd als de fotonenergie precies overeenkomt
met het energieverschil tussen energieniveaus.
Relaxatieprocessen:
A. M* M + energie
Er komt warmte vrij.
B. M* A
Er wordt een nieuw deeltje A gevormd (fotometrische reactie)
C. M* M + h.vemissie
Vrijgekomen E wordt uitgezonden als EMS (fluorescentie)
Wet van Lambert-Beer: De afname van de intensiteit van monochromatische straling die invalt op
een absorberend milieu, is recht evenredig met de intensiteit van de opvallende straling en de
hoeveelheid materiaal in de lichtweg.
A = log I0/I: I0 = uitgezonden licht en I = opgevangen licht
A = .b.c
- = molaire absorptiviteit l/mol.cm; constante voor bepaalde stof bij bepaalde golflengte en
voor bepaald oplosmiddel.
- A = absorbantie = extinctie; maatgetal voor de absorptie
- b = optische lengte (cuvetbreedte)
- c = concentratie stof mol/l
Als een oplossing een deel van de zichtbare straling absorbeert uit continue
lichtbron, wil dit zeggen dat het kleur van de oplossing complementair is aan het
licht. Vb: oplossing die blauw licht absorbeert oranje kleuren.
Absorptie: A = log I0/I:
I = I0: er treedt geen absorptie op en A = log I0/I0 = 0
I = 0: er is volledige absorptie en A = log I 0/0 = ∞
Transmissie T: grootheid om absorptie aan te geven, hoeveelheid doorgelaten stralingsenergie.
Transmissie: T = I/I0
% transmissie: %T = I/I0 x 100
%T = T x 100
Verband:
log I0/I = log 100/%T A = 2 – log %T of A = -log T
2
,Additiviteitswet: Indien meerdere soorten deeltjes in 1 oplossing. Voorwaarde: geen interactie
tussen de deeltjes. Voor multicomponent systeem geldt:
Atotaal = A1 + A2 + A3 + … + An
Atotaal = ε1bC1 + ε2bC2 + ε3bC3 + … + εnbCn
De absorbantie die gemeten wordt is de som van alle absorbanties.
Meten van de absorptie:
Als we enkel onze oplossing meten in een cuvet verkrijgen we een verkeerde waarde. Er zijn namelijk
neveneffecten die de absorbantie beïnvloeden zoals de cuvet. Deze zorgt voor zowel absorptie en
terugkaatsing. Daarom maken we gebruik van een blanco met enkel oplosmiddel om juiste
absorbanties te bekomen. We hebben dus 2 cuvetten nodig: 1 blanco (0 A) en 1 monsteroplossing.
Analytische eigenschappen van kalibratiecurve en afwijkingen op wet Lambert-
Beer:
Eigenschappen kalibratiecurve:
Extinctiecoëfficiënt (K):
De gevoeligheid (S) komt bij UV/VIS overeen met K = rico v/d rechte.
K = A / c
Detectiegrens (cmin):
De detectiegrens is de minimumconc die nog voldoende betrouwbaar is om aangetoond te worden.
Amin = 3 x sb
cmin = 3sb / K
Bepalingsgrens = 3 x cmin = ondergrens
Bovengrens: concentratie waarbij de gemeten absorbantie meer dan a% afwijkt, a is vaak 3.
Afwijkingen: we onderscheiden:
Fundamentele afwijkingen die een werkelijke beperking van de wetmatigheid uitmaken = fysische
afwijkingen.
Afwijkingen als gevolg van de wijze waarop de absorbantie gemeten wordt of als resultaat van de
chemische wijzigingen gekoppeld aan concentratie-verandering = instrumentele- en chemische
afwijkingen.
Fysische afwijkingen:
Wet Lambert-Beer: werkt bij oplossingen ≤ 0,01 M
Oplossingen > 0,01 M:
o Afstand tussen absorberende deeltjes is klein
o Kan wijziging in brekingsindex (n) veroorzaken
Praktisch: verdunnen tot < 0,01 M
Chemische afwijkingen:
Afwijkingen kunnen ontstaat ten gevolge van
associatie, dissociatie of reactie van absorberende
deeltjes met solvent. Vb.: chemische afwijkingen
vastgesteld in niet gebufferde opl. van K2Cr2O7:
350 nm: A chromaat > A dichromaat; A 1 > A2/2
3
, 450 nm: A chromaat < A dichromaat; A 1 < A2/2
o OPL: meten bij snijpunt of H+ toevoegen om evenwicht naar links te schuiven
Instrumentele afwijkingen:
2 oorzaken:
Geen volledige monochromatische straling: men gebruikt een polychromatische stralingsbron,
met een monochromatorsysteem zondert men een -band af.
Strooilicht: iedere straling die de detector bereikt van golflengten afwijkend van deze ingesteld.
1.3 Onderdelen van de apparatuur voor absorptiemetingen:
5 basiscomponenten:
1) Stabiele stralingsbron
2) Monochromator: beperkt golflengtegebied afzonderen
3) Transparantie recipiënt: cuvet
4) Detector: stralingsenergie omzetten in signaal
5) Recorder
De stralingsbron:
Stralingsbron voor zichtbaar licht (VIS):
Wolfraam-halogeen lamp: hoog energie en lange levensduur.
Stralingsbron voor ultraviolet (UV):
Excitatie van waterstof- of deuterium-lamp.
Stralingsbron voor zichtbaar en ultraviolet licht (UV-VIS):
Xenonlamp
De golflengte-selector:
Straling beperken tot een smalle golflengteband, 3 redenen:
A. Wet Lambert-Beer gaat beter op
B. Selectiviteit neemt toe, geen interferentie van andere absorberende deeltjes
C. Hogere gevoeligheid
Filters: elimineren ongewenste golflengten via absorptie of interferentie.
Roosters: om betere scheiding van golflengten te bekomen, gewenste golflengte instellen.
Absorptiefilters: Bestaan uit gekleurd glas of kleurstof in gelatine tussen 2 glazen. Uit het
zichtbaar lichtspectrum laten ze de golflengteband door die overeenkomt met hun kleur.
Ze absorberen hun complementaire kleuren. De filter moet een kleur doorlaten die
complementair is aan de kleur van de oplossing.
Kenmerken filter: Kwaliteit
- Maximale transmissie bij piekmaximum
- Effectieve bandbreedte (BB): verschil tussen de hoogste frequentie en laagste frequentie, die
wordt doorgelaten. Het is het golflengtebereik waarbinnen de transmissie afneemt tot de helft
van de maximale waarde. (30 – 250 nm)
o Filters met heel lage BB hebben lage maximale transmissie.
Interferentiefilters: Er wordt een kleinere effectieve BB bereikt, het doorgelaten golflengtegebied = 1
– 5 nm. Toepassing: eenvoudige fotometers die meten bij enkele vaste golflengtes.
Bouw: 2 glazen plaatjes waartussen een plaatje doorzichtbare stof (CaF 2). De glazen plaatjes bevatten
2 zilverspiegels: half doorschijnend en terugkaatsend.
Werking:
4
