Instrumentele Analytische chemische
Analytische chemie
= analyse van chemische verbindingen en mengsels:
Voor zuivere stoffen: welke aromen bevatten ze en met welke soort bindingen zijn de
atomen met elkaar verbonden.
Voor mengsels: wat is de samenstelling van het mengsel
Kwalitatieve analyse: bepaling van de samenstelling van een zuivere verbinding of een mengsel
(“wat zit er in?”)
Kwantitatieve analyse: bepaling van de aard en de hoeveelheid van de componenten in een
zuivere verbinding of van een mengsel (“wat en hoeveel zit er in?”)
Analytisch proces
Analyt: de chemische verbinding of het mengsel dat moet geanalyseerd worden
Om een analyt te analyseren moeten één of meerdere metingen uitgevoerd worden. De
resultaten van metingen worden in de vorm van numerieke waarden uitgedrukt
(significante cijfers)
In elke meting treedt een experimentele fout op elke meting bevat een bepaald gehalte
van onzekerheid.
o Systematische fout: kan ontdekt en gecorrigeerd worden
o Toevallige fout: onvermijdbaar, maar zijn effect kan gereduceerd worden door
statistische analyse
De resultaten van een meting zijn karakteristiek door twee eigenschappen: juistheid en precisie.
De juistheid is de graad van overeenstemming van de gemeten waarde van een bepaalde
grootheid met zijn werkelijke waarde. („accuracy‟)
De precisie is de graad van overeenstemming tussen de resultaten van verschillende
metingen van een bepaalde grootheid. De precisie is een maar van de
reproduceerbaarheid van de resultaten. („precision‟)
1 Spectrochemische analyse
Familie van technieken die de interactie tussen licht (elektromagnetische straling) en materie
gebruiken voor chemische analyses.
Spectro-: opsplitsen van elektromagnetische straling in zijn verschillende golflengtes.
Spectrochemie wordt gebruikt als analytische techniek:
Kwantitatief: bepaling van de hoeveelheid van een atoom of een verbinding in een staal.
Kwalitatief: identificatie van functionele groepen in verbindingen.
Zien? „Kwantitatief‟ en kwalitatief
Meest wijdverspreid en toegepaste instrumentele analytische technieken zijn gebaseerd op
spectrochemische analyse
,1.1 Spectroscopie
= de studie van de interactie van elektromagnetische straling met materie: de basis van
verschillende analytische methoden
Spectroscopie meet de intensiteit van de straling, die geabsorbeerd of geëmiteerd wordt door een
materiaal in functie van de golflengte
1.1.1 Elektromagnetische straling: dualistisch karakter
Kan beschreven worden door twee complementaire modellen. ‘Wave-particle duality’: als golven of
als deeltjes („fotonen‟)
1.1.1.1 Golf gedrag
Elektromagnetische straling kan beschreven worden als een sinusoïdale golf die bestaat
uit een elektrisch en magnetisch veld die in fase oscilleren, loodrecht op elkaar en op de
voorplantingsrichting van de straling.
De elektromagnetische straling kan gepolariseerd zijn:
o Lineair gepolariseerde straling: oscillatie van elektrisch veld in één vlak.
o Circulaire polarisatie: de veldvectoren van het elektrisch veld roteren rond de
voortplantingsrichting.
o Niet-gepolariseerd: de elektrische veldvectoren nemen random alle oriëntaties
aan (steeds loodrecht op de magnetische veldvectoren en op de voortplantingsrichting)
De amplitude A is de lengte van de elektrische veldvector bij het maximum van de golf.
De intensiteit I van de elektromagnetische golf is de gemiddelde energie die passeert per
tijdseenheid door een oppervlakte eenheid loodrecht op de voorplantingsrichting. De
intensiteit is recht evenredig met het kwadraat van de amplitude ( I ∞A2)
De golflengte λ is de afstand tussen twee aanliggende maxima van de golf
De frequentie v is het aantal complete oscillaties van de golf in één secone. v wordt
uitgedrukt in s-1 of Hertz [Hz].
Voor een elektromagnetische golf gegenereerd door een puntachtige bron, is de
amplitude van de golf gelijk in alle punten van een sferisch oppervlak gecentreerd op de
bron: het golffront
o Principe van Huygens-Fresnel: Elk punt van een golffront treedt op als een puntbron dat op zijn
beurt lichtimpulsen uitzendt. Het nieuwe golffront vindt men door de omhullende van deze
elementaire golffronten te nemen.
Bij conventie wordt een driedimensionale golf uitgebeeld door de golffronten die
corresponderen met het maximum van amplitude van de golf afstand tussen
aanliggende golffronten is gelijk aan de golflengte λ.
De beweging van een golffront kan uitgebeeld worden door rechte lijnen die loodrecht
staan op het golffront ( stralen)
Op grote afstand van de puntbron vermindert de kromming van de golffronten een
klein deel van het golffront kan benadert worden door een vlak en de stralen kunnen als
parallel worden beschouwd. Dir wordt een vlakke golf genoemd. (dit kan ook m.b.v. een
lens)
Snelheid golffront in vacuüm: c = 2.998.108 m.s-1 = lichtsnelheid in vaccuüm
o De frequentie, v, en de golflengte, λ, van de golf zijn gerelateerd aan de
lichtsnelheid, bv. in vacuüm: v . λ = c
In andere media is de voortplantingssnelheid lager o.w.v. interacties tussen medium en de
elektromagnetische straling
o De relatie wordt dan: v λmedium = vmedium = c / nmedium
nmedium = c/vmedium : brekingsindex van het medium (frequentieafhankelijk)
vmedium : de voortplantingssnelheid in een medium
, o Voortplantingssnelheid in lucht (en de meeste gassen) is ≅ die in vacuüm (c); nlucht
(@ 589,3 nm) = 1,00029
De frequentie van de EM golf is medium onafhankelijk golflengte is medium
(brekingsindex) afhankelijk
Bij conventie wordt er gesproken over de vacuümgolflengte
1.1.1.2 Deeltjes-gedrag
Elektromagnetische straling kan ook beschouwd worden als een stroom van massaloze deeltjes,
fotonen. Elk foton is drager van een bepaalde kwantum van energie, E, die recht evenredig is met
de frequentie van de straling:
E=H.v
h = de constante van Plack is [6,626.10-34 J.s]
in vacuüm, v . λ = c en dus: E = h . c /λ
- golfgetal: vaak gebruikt, meestal aantal oscillaties per cm in vacuüm!
1.1.2 Het elektromagnetisch spectrum
= onderverdeling van elektromagnetische straling op basis van zijn frequentie (of golflengte
fotonenergie)
Zichtbaar licht is slechts beperkt deel van het spectrum
Zonlicht bestaat uit straling met verschillende frequenties ( polychromatisch) in de
range 250-2500 nm.
Monochromatisch licht bevat EM straling met slechts 1 welbepaalde frequentie of
golflengte (mono – chroma)
In deze cursus zullen we spectroscopische technieken bestuderen die ultraviolet (UV),
zichtbaar (Vis) en infraroof (IR) licht gebruiken
1.1.3 Interactie tussen straling en materie
Waarom spectroscopische technieken die UV, Vis en IR licht gebruiken?
mogelijke interacties van straling met materie
De volgende fenomenen zijn belangrijk:
Transmissie (refractie)
Reflectie
Interferentie en Diffractie
Polarisatie
Verstrooiing
Absorptie en Emissie
1.1.3.1 Refractie en Reflectie
= optische verschijnselen;
Optica is de rak van de natuurkunde die het gedrag en de eigenschappen van licht bestudeert.
Normaal: Licht (fotonen) planten zich voort in rechte lijnen
Wat gebeurt er op de overgang tussen twee media (= verschil in brekingsindex?)
1) Reflectie: weerkaatsen van licht op de interfase (oppervlak)
o Reflectiewet: hoek tussen de inkomende straal en de normaal aan het oppervlak
en de gereflecteerde straal en de normaal zijn identiek.
o Fractie gereflecteerd licht afhankelijk van verschil in brekingsindex en invalshoek.
2) Refractie: de voortplantingsrichting van licht kan veranderen over de interfase tussen
twee media met verschillende brekingsindices. Voorwaarde is dat beide materialen
transparant zijn voor het licht (transmissie).
Wet van Snellius: n1 sinθ1 = n2 sinθ2
Analytische chemie
= analyse van chemische verbindingen en mengsels:
Voor zuivere stoffen: welke aromen bevatten ze en met welke soort bindingen zijn de
atomen met elkaar verbonden.
Voor mengsels: wat is de samenstelling van het mengsel
Kwalitatieve analyse: bepaling van de samenstelling van een zuivere verbinding of een mengsel
(“wat zit er in?”)
Kwantitatieve analyse: bepaling van de aard en de hoeveelheid van de componenten in een
zuivere verbinding of van een mengsel (“wat en hoeveel zit er in?”)
Analytisch proces
Analyt: de chemische verbinding of het mengsel dat moet geanalyseerd worden
Om een analyt te analyseren moeten één of meerdere metingen uitgevoerd worden. De
resultaten van metingen worden in de vorm van numerieke waarden uitgedrukt
(significante cijfers)
In elke meting treedt een experimentele fout op elke meting bevat een bepaald gehalte
van onzekerheid.
o Systematische fout: kan ontdekt en gecorrigeerd worden
o Toevallige fout: onvermijdbaar, maar zijn effect kan gereduceerd worden door
statistische analyse
De resultaten van een meting zijn karakteristiek door twee eigenschappen: juistheid en precisie.
De juistheid is de graad van overeenstemming van de gemeten waarde van een bepaalde
grootheid met zijn werkelijke waarde. („accuracy‟)
De precisie is de graad van overeenstemming tussen de resultaten van verschillende
metingen van een bepaalde grootheid. De precisie is een maar van de
reproduceerbaarheid van de resultaten. („precision‟)
1 Spectrochemische analyse
Familie van technieken die de interactie tussen licht (elektromagnetische straling) en materie
gebruiken voor chemische analyses.
Spectro-: opsplitsen van elektromagnetische straling in zijn verschillende golflengtes.
Spectrochemie wordt gebruikt als analytische techniek:
Kwantitatief: bepaling van de hoeveelheid van een atoom of een verbinding in een staal.
Kwalitatief: identificatie van functionele groepen in verbindingen.
Zien? „Kwantitatief‟ en kwalitatief
Meest wijdverspreid en toegepaste instrumentele analytische technieken zijn gebaseerd op
spectrochemische analyse
,1.1 Spectroscopie
= de studie van de interactie van elektromagnetische straling met materie: de basis van
verschillende analytische methoden
Spectroscopie meet de intensiteit van de straling, die geabsorbeerd of geëmiteerd wordt door een
materiaal in functie van de golflengte
1.1.1 Elektromagnetische straling: dualistisch karakter
Kan beschreven worden door twee complementaire modellen. ‘Wave-particle duality’: als golven of
als deeltjes („fotonen‟)
1.1.1.1 Golf gedrag
Elektromagnetische straling kan beschreven worden als een sinusoïdale golf die bestaat
uit een elektrisch en magnetisch veld die in fase oscilleren, loodrecht op elkaar en op de
voorplantingsrichting van de straling.
De elektromagnetische straling kan gepolariseerd zijn:
o Lineair gepolariseerde straling: oscillatie van elektrisch veld in één vlak.
o Circulaire polarisatie: de veldvectoren van het elektrisch veld roteren rond de
voortplantingsrichting.
o Niet-gepolariseerd: de elektrische veldvectoren nemen random alle oriëntaties
aan (steeds loodrecht op de magnetische veldvectoren en op de voortplantingsrichting)
De amplitude A is de lengte van de elektrische veldvector bij het maximum van de golf.
De intensiteit I van de elektromagnetische golf is de gemiddelde energie die passeert per
tijdseenheid door een oppervlakte eenheid loodrecht op de voorplantingsrichting. De
intensiteit is recht evenredig met het kwadraat van de amplitude ( I ∞A2)
De golflengte λ is de afstand tussen twee aanliggende maxima van de golf
De frequentie v is het aantal complete oscillaties van de golf in één secone. v wordt
uitgedrukt in s-1 of Hertz [Hz].
Voor een elektromagnetische golf gegenereerd door een puntachtige bron, is de
amplitude van de golf gelijk in alle punten van een sferisch oppervlak gecentreerd op de
bron: het golffront
o Principe van Huygens-Fresnel: Elk punt van een golffront treedt op als een puntbron dat op zijn
beurt lichtimpulsen uitzendt. Het nieuwe golffront vindt men door de omhullende van deze
elementaire golffronten te nemen.
Bij conventie wordt een driedimensionale golf uitgebeeld door de golffronten die
corresponderen met het maximum van amplitude van de golf afstand tussen
aanliggende golffronten is gelijk aan de golflengte λ.
De beweging van een golffront kan uitgebeeld worden door rechte lijnen die loodrecht
staan op het golffront ( stralen)
Op grote afstand van de puntbron vermindert de kromming van de golffronten een
klein deel van het golffront kan benadert worden door een vlak en de stralen kunnen als
parallel worden beschouwd. Dir wordt een vlakke golf genoemd. (dit kan ook m.b.v. een
lens)
Snelheid golffront in vacuüm: c = 2.998.108 m.s-1 = lichtsnelheid in vaccuüm
o De frequentie, v, en de golflengte, λ, van de golf zijn gerelateerd aan de
lichtsnelheid, bv. in vacuüm: v . λ = c
In andere media is de voortplantingssnelheid lager o.w.v. interacties tussen medium en de
elektromagnetische straling
o De relatie wordt dan: v λmedium = vmedium = c / nmedium
nmedium = c/vmedium : brekingsindex van het medium (frequentieafhankelijk)
vmedium : de voortplantingssnelheid in een medium
, o Voortplantingssnelheid in lucht (en de meeste gassen) is ≅ die in vacuüm (c); nlucht
(@ 589,3 nm) = 1,00029
De frequentie van de EM golf is medium onafhankelijk golflengte is medium
(brekingsindex) afhankelijk
Bij conventie wordt er gesproken over de vacuümgolflengte
1.1.1.2 Deeltjes-gedrag
Elektromagnetische straling kan ook beschouwd worden als een stroom van massaloze deeltjes,
fotonen. Elk foton is drager van een bepaalde kwantum van energie, E, die recht evenredig is met
de frequentie van de straling:
E=H.v
h = de constante van Plack is [6,626.10-34 J.s]
in vacuüm, v . λ = c en dus: E = h . c /λ
- golfgetal: vaak gebruikt, meestal aantal oscillaties per cm in vacuüm!
1.1.2 Het elektromagnetisch spectrum
= onderverdeling van elektromagnetische straling op basis van zijn frequentie (of golflengte
fotonenergie)
Zichtbaar licht is slechts beperkt deel van het spectrum
Zonlicht bestaat uit straling met verschillende frequenties ( polychromatisch) in de
range 250-2500 nm.
Monochromatisch licht bevat EM straling met slechts 1 welbepaalde frequentie of
golflengte (mono – chroma)
In deze cursus zullen we spectroscopische technieken bestuderen die ultraviolet (UV),
zichtbaar (Vis) en infraroof (IR) licht gebruiken
1.1.3 Interactie tussen straling en materie
Waarom spectroscopische technieken die UV, Vis en IR licht gebruiken?
mogelijke interacties van straling met materie
De volgende fenomenen zijn belangrijk:
Transmissie (refractie)
Reflectie
Interferentie en Diffractie
Polarisatie
Verstrooiing
Absorptie en Emissie
1.1.3.1 Refractie en Reflectie
= optische verschijnselen;
Optica is de rak van de natuurkunde die het gedrag en de eigenschappen van licht bestudeert.
Normaal: Licht (fotonen) planten zich voort in rechte lijnen
Wat gebeurt er op de overgang tussen twee media (= verschil in brekingsindex?)
1) Reflectie: weerkaatsen van licht op de interfase (oppervlak)
o Reflectiewet: hoek tussen de inkomende straal en de normaal aan het oppervlak
en de gereflecteerde straal en de normaal zijn identiek.
o Fractie gereflecteerd licht afhankelijk van verschil in brekingsindex en invalshoek.
2) Refractie: de voortplantingsrichting van licht kan veranderen over de interfase tussen
twee media met verschillende brekingsindices. Voorwaarde is dat beide materialen
transparant zijn voor het licht (transmissie).
Wet van Snellius: n1 sinθ1 = n2 sinθ2
