Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung

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1 Druckversion: Virtuelles Labor: UV-Vis-Spektroskopie 1 Versuchsziel ufnahme eines Spektrums von Sulfanilamid (SN) und Sulfathiazol (ST) zur Ermittlung der maximalen Wellenlänge max und der entsprechenden molaren Extinktionskoeffizienten ε Identifikation und Konzentrationsbestimmung einer unbekannten Probe (SN- oder ST-Lösung) Graphische und rechnerische Ermittlung der Konzentration einer Mischung aus SN und ST Theorie 1. Grundlagen der UV-Vis Spektroskopie UV-Vis Spektroskopie ist eine analytische Methode, um Substanzen sowohl qualitativ als auch quantitativ zu erfassen. Das zugrunde liegende Prinzip ist die bsorption elektromagnetischer Strahlung durch Elektronen. Diese werden dadurch in energiereichere Orbitale versetzt. Die dafür benötigte Strahlung liegt im Wellenlängenbereich des visuellen Lichts ( nm) beziehungsweise der ultravioletten Strahlung ( nm). Das Spektrum elektromagnetischer Strahlung Voraussetzung ist, dass die Energie der auf die Probe auftreffenden Strahlung der Energiedifferenz zweier Orbitale entspricht. Besonders Elektronen der atomkernfernen π- und n-orbitale absorbieren die Energie der UV-Vis-Strahlung. Energetisch sind π π * - sowie n π * -Übergänge möglich. Seltener sind n σ * -Übergänge zu beobachten. Der energieärmste Übergang ist der eines Elektrons vom HOMO (highest occupied molecular orbital) ins LUMO (lowest unoccupied molecular orbital). Zur nregung der atomkernnahen σ-elektronen ist der Energiebetrag der Strahlung nicht ausreichend. Schemstische Darstellung möglicher Elektronenübergänge. Bei der UV-Vis-Spektroskopie sind vor allem π π * - sowie n π * -Übergänge von Bedeutung. 1

2 Der Teil eines Moleküls, der UV-Vis-absorbierende π- und n-elektronen aufweist, wird als Chromophor bezeichnet. Er besteht aus mindestens zwei konjugierten Doppelbindungen oder aus einem mesomeren System, an dem Heteroatome mit freien Elektronenpaaren beteiligt sein können. Liegt max zwischen 400 und 800 nm, erscheint die Substanz in der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Der Teil eines Moleküls, der nicht absorbiert, kann sich entweder neutral verhalten oder aber aufgrund seiner Eigenschaften die bsorption beeinflussen. Letzterer wird als auxochrome Gruppe bezeichnet. Es wird zwischen bathochromem (Vergrößerung des Chromophors bedingt Verkleinerung der Energiedifferenz der Übergänge und größere Wellenlängen) und hypsochromem Shift (Reduktion des chromophoren Systems führt zu kleineren Wellenlängen) differenziert. Des Weiteren wird zwischen hyperchromem (Verstärkung der bsorption bei konstanter Wellenlänge) und hypochromem Shift (bschwächung der bsorption bei gleicher Wellenlänge) unterschieden. Zu jedem angeregten Energiezustand entstehen durch Molekülschwingungen und rotationen mehrere einzelne Energiezustände. Dies zeigt das Jablonski-Termschema (vgl UV-Vis Spektroskopie 2 beziehungsweise hier). Deshalb ist das entstehende Molekülspektrum ein Bandenspektrum, das keine scharfen Peaks aufweist. 2. Das Lambert-Beer sche Gesetz und die Cramer-Regel Die bsorption eines Chromophors kann mithilfe des Lambert-Beer schen Gesetzes quantitativ beschrieben werden. Der lineare Zusammenhang ist nur für den bsorptionsbereich = 0,3-0,7 gegeben. Ursachen hierfür sind unter anderem instrumentelles Rauschen und chemische Wechselwirkungen der Moleküle untereinander. I I 0 T = bsorption = Strahlungsintensität nach ustritt aus der Küvette = Strahlungsintensität vor Eintritt in die Küvette = Tramsission I = log = log T = ε c d I 0 ε = Molarer Extinktionskoeffizient bei bestimmter Wellenlänge [M -1 cm -1 = L mol -1 cm -1 = 1000 cm 2 mol -1 ] d c = Küvettendicke [cm] = Konzentration des nalyts [M = mol/l] nalog zum molaren Extinktionskoeffizienten ε kann auch die spezifische bsorption [L g -1 cm -1 ] angegeben werden. 1% 1cm Bei einem Stoffgemisch addieren sich die bsorptionswerte der einzelnen Stoffe zu einer Gesamtabsorption. Wird die Gesamtabsorption ges eines Zwei-Komponenten-Gemisches bei zwei verschiedenen Wellenlängen 1 und 2 gemessen, können mithilfe der Cramer Regel die Konzentrationen der zwei Substanzen (c 1 und c 2 ) ermittelt werden. ges = ε 1 c1 d + ε 1 c2 d ges = ε 2 c1 d + ε 2 c2 d ges = Gesamtabsorption bei bestimmter Wellenlänge 1 beziehungsweise 2 ε = Molarer Extinktionskoeffizient der Substanz 1 beziehungsweise 2 bei bestimmter Wellenlänge 1 beziehungsweise 2 [M -1 cm -1 = d c L mol -1 cm -1 = 1000 cm 2 mol -1 ] = Küvettendicke [cm] = Konzentration der Substanzen 1 beziehungsweise 2 [M = mol/l] 2

3 3. Gerätekunde Proben können in der UV-Vis-Spektroskopie mithilfe eines Einstrahl- oder Zweistrahlspektrometers vermessen werden. Der prinzipielle ufbau besteht aus einer oder zwei Lichtquellen, welche Licht sowohl im UV- als auch im sichtbaren Bereich aussenden. Im UV-Bereich handelt es sich meist um eine Wasserstoff- Gasentladungslampe. Dieses Licht trifft durch einen Eintrittsspalt auf einen Monochromator, der aus dem polychromatischen Licht eine bestimmte Wellenlänge herausfiltert. Während bei einem Einstrahlphotometer Referenz und Probe nacheinander vermessen werden, wird bei einem Zweistrahlphotometer das monochromatische Licht auf einen Halbspiegel in zwei Strahlen aufgeteilt. Dies ermöglicht die synchrone Messung von Referenz und Probe. Intensitätsschwankungen des eingestrahlten Lichts können so besser kompensiert werden. Schematischer ufbau eines Zweistrahlphotometers Der Detektor, ein Photomultiplier, ist linear zur Lichtquelle angebracht, da dort die Streustrahlung am geringsten ist. Darüber hinaus ist ein Computer mit verarbeitender Software angeschlossen. 3. Durchführung Jasco V630 Spectrophotometer und angeschlossenen PC mitsamt Drucker und Monitor anschalten. Im Programm UV Spectra Manager/ Spectra Measurement die Parameter für die Messung einstellen: photometrischen Methode: bsorption Wellenlängebereich: 350 nm 230 nm Data pitch: 0,2 nm Scangeschwindigkeit: 400 nm min -1 Baseline mit 99 %-igem Ethanol vermessen: Quarzküvette mithilfe einer Mikroliterpipette mit 800 µl Ethanol befüllen. Die Küvette in den Strahlengang des UV-Spektrometers einsetzen wie im Film gezeigt. Im Programm Taste B auswählen. Quarzküvette Mikroliterpipetten Pipettenspitzen Küvette mit Ethanol reinigen, mit Druckluft trocknen, ußenseite mit Einmaltuch abreiben. 25 µm SN-Lösung vermessen: Quarzküvette mit 800 µl Lösung befüllen. Im Programm Taste S auswählen. 3

4 bsorptionsmaximum bestimmen: Processing Peak Processing pply OK View Peak Indikators Bar, X, Y Schaubild zuschneiden: View Scales zuschneiden uswertung Messungen der 25 µm ST-Lösung, der unbekannten Lösung und des Gemisches aus SN und ST analog durchführen. 1. Ermittlung der maximalen Wellenlängen max und Extinktionskoeffizienten von SN und ST us dem bsorptionsspektrum von SN und ST werden die Koordinaten der bsorptionsmaxima entnommen. Darüber hinaus sind die Konzentrationen (25 µm) und die Küvettenschichtdicke (1 cm) gegeben. Durch Umformung des Lambert-Beer schen Gesetzes erhält man: ε = c d Durch Einsetzen der Konzentration, der Küvettenlänge und der gemessen bsorption am bsorptionsmaximum werden die molaren Extinktionskoeffizienten ermittelt. 2. Identifikation einer unbekannten SN- oder ST-Probe Die bsorptionsmaxima des Spektrums der unbekannten Probe und die des Spektrums von ST und SN werden auf ihre maximalen Wellenlängen max hin verglichen. Stimmen diese überein, ist der Stoff identifiziert. ( max ) wird dem Schaubild entnommen; mit den bekannten Werten (molarer Extinktionskoeffizient und Küvettenlänge) wird die Konzentration der unbekannten Probe berechnet. 3. Rechnerische Bestimmung der Konzentrationen einer Mischung aus SN und ST Zur Berechnung der Konzentration mithilfe der Cramer-Regel werden die bsorptionswerte und die molaren Extinktionskoeffizienten der Komponenten bei zwei Wellenlängen benötigt. Die noch fehlenden molaren bsorptionskoeffizienten (bei anderen Wellenlängen als aus 1. Ermittlung der maximalen Wellenlängen max und Extinktionskoeffizienten von SN und ST) werden anhand des Spektrums von reinem SN beziehungsweise ST berechnet. Nachdem die bsorptionswerte dem Spektrum des Gemisches entnommen worden sind, werden mithilfe der Cramer Regel die Konzentrationen der beiden Komponenten berechnet. 4. Graphisches Verfahren mittels ufstellung einer Geradengleichung Durch Umformung der Cramer-Regel wird eine Geradengleichung in Form von y = a x + c erhalten: = ε (SN) y ges ges = ε (SN) c (SN) d + ε c (ST) = a ε ε (ST) c (ST) d (ST) c (SN) (SN) + x + c mit d = 1 cm Wird diese Gerade in ein Koordinatensystem eingetragen, entspricht die Steigung der Konzentration an ST, der y-chsenabschnitt der Konzentration an SN. Im Folgenden wird die Gerade als usgleichsgerade durch vier errechnete Punkt erstellt. Der bszissenwert errechnet sich als Quotient der molaren Extinktionskoeffizienten, die analog zu 1. Ermittlung der maximalen Wellenlängen max und Extinktionskoeffizienten von SN und ST berechnet werden. Der Ordinatenwert, also der 4

5 Quotient aus Gesamtabsorption und dem molaren Extinktionkoeffizienten von SN, wird mit den gemessenen Werten ermittelt. 5. Interpretation der Spektren von SN und ST Zentrales Chromophor ist Phenylring. bsorption (Benzol) = 255 nm uxochrome minogruppe verursacht bathochromen Shift durch Erweiterung des mesomeren Systems aufgrund der freien Elektronenpaare des Stickstoffs. bsorptionsmaximum (SN) bei etwa 264 nm. Molekülstruktur von SN Strukturformel von ST Zwei Chromophore äußern sich in zwei bsorptionsmaxima. Phenylring mit minogruppe absorbiert bei gleicher Wellenlänge wie entsprechender Rest von SN. max von reinem Thiazol beträgt 240nm. Freie Elektronenpaare der auxochromen minogruppe vergrößern mesomeres System, wodurch max zu größeren Wellenlängen verschoben wird. 5