Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Katedra Chemii Krzemianów i Związków Wielkocząsteczkowych
Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych
Kierunek studiów: Nowoczesne Technologie w Kryminalistyce Laboratorium: Wstęp do spektroskopii molekularnej
Ćwiczenie 2:
Zastosowanie różnych technik pomiarowych w spektroskopowej analizie strukturalnej materiałów
Prowadzący: dr inż. Magdalena Król
2020/2021
2
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wybranymi technikami pomiarowymi spektroskopii w podczerwieni, interpretacją widm uzyskanych za pomocą tej metody oraz z praktycznymi jej zastosowaniami do identyfikacji i określania struktury związków chemicznych.
Ćwiczenie polega na pomiarze z wykorzystaniem różnych technik pomiarowych (technika absorpcyjna, odbiciowa), prostej obróbce i interpretacji widm materiałów wskazanych przez prowadzącego zajęcia.
2. Wprowadzenie teoretyczne / obowiązujący zakres materiału
2.1. Podstawy metodySpektroskopia w podczerwieni (ang. IR – Infrared Spectroscopy) jest jedną z najczęściej stosowanych technik spektroskopowych w chemii organicznej i nieorganicznej. Polega ona na pomiarze absorpcji promieniowania podczerwonego o różnej długości fali przez badaną próbkę znajdującą się na drodze wiązki. Spektroskopia w podczerwieni bada absorpcję promieniowania podczerwonego przez cząsteczki związków chemicznych. Podstawową zaletą tej metody jest możliwość szybkiej analizy rodzaju grup funkcyjnych obecnych w analizowanej próbce. Spektroskopia IR umożliwia badania substancji stałych (kryształy, proszki), cieczy i gazów.
Promieniowanie podczerwone jest częścią widma promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal w zakresie 0,78–1000 μm (w zakresie liczb falowych 12500–10 cm–1). Od strony krótszych długości fal graniczy z promieniowaniem widzialnym, a od strony większych długości fal z promieniowaniem mikrofalowym. Podany obszar umownie podzielić można na trzy zakresy: bliską (NIR – near infrared), średnią (właściwą) (MIR – mid infrared) i daleką (FIR – far infrared) podczerwień (Tabela 1).
Tabela 1. Zakresy widma promieniowania podczerwonego.
Zakres podczerwieni Długość fali [µm]
Liczba falowa [cm–1]
Energia
[kJ/mol] Detekcja
NIR 0,78–2,5 12500–4000 155–42 nadtony
MIR 2,5–25 4000–400 42–4 drgania cząsteczek
FIR 25–1000 400–10 4–0,4 drgania sieci
krystalicznej
Na energię wewnętrzną cząsteczki składa się kilka składowych, wśród których wymienić należy energię oscylacyjnego i rotacyjnego ruchu cząsteczki. Pierwsza z nich dotyczy sprężystego drgania atomów połączonych wiązaniami chemicznymi wokół położenia równowagi, druga natomiast przejawia się wirowaniem molekuły wokół własnej osi.
3 Oddziaływanie promieniowania podczerwonego z cząsteczkami jest możliwe tylko wtedy, gdy spełnione są tak zwane reguły wyboru:
Fotony promieniowania muszą mieć energię równą różnicy energii wibracyjnych poziomów energetycznych ΔEosc = hν.
Przejście zachodzi tylko wówczas, gdy kwantowa liczba oscylacji ν zmienia się o 1, 2, 3.
Przejścia między stanami kwantowymi będą aktywne w podczerwieni tylko dla takich oscylatorów, w których w czasie drgania zmieni się moment dipolowy molekuły.
Aby doszło do zmiany energii oscylacyjnej i/lub rotacyjnej (cząsteczka musi absorbować promieniowanie o odpowiedniej długości fali z zakresu promieniowania podczerwonego.
Wiedząc, że każdy atom ma trzy stopnie swobody, można policzyć, że cząsteczka zbudowana N atomów posiada 3N stopni swobody, z których trzy stopnie swobody stanowią translacje, a trzy kolejne ruch obrotowy. Pozostałe 3N–6 stopni swobody (dla cząsteczki liniowej 3N–5, ponieważ w tym przypadku tylko dwa stopnie swobody opisują rotacje) opisują ruchy oscylacyjne i odpowiadające im drgania normalne.
W trakcie drgania normalnego wszystkie atomy w cząsteczce ulegają jednoczesnemu wychyleniu zgodnemu w fazie i z jednakową częstością, lecz z różnymi amplitudami. W zależności od tego czy podczas takiego drgania ma miejsce odpowiednio zmiana długości wiązań, czy kątów między wiązaniami, wyróżnić można drgania rozciągające (ν – ang.
stretching) i zginające (deformacyjne) (δ – ang. bending). Drgania rozciągające dzielimy na symetryczne i asymetryczne (νs i νas), natomiast na drgania zginające składają się drgania deformacyjne w płaszczyźnie (ang. in plane): nożycowe (δs – ang. scissoring) i wahadłowe (ρ – ang. rocking); oraz deformacyjne poza płaszczyzną (ang. out of plane): skręcające (τ – ang.
twisting) i wachlarzowe (ω – ang. wagging).
Rysunek 1. Drgania normalne tetraedrycznej cząsteczki.
4 2.2. Techniki pomiarowe
Techniki pomiarowe w spektroskopii podczerwieni podzielić można, ze względu na rodzaj zjawiska jakie wykorzystane jakie towarzyszy oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego z badaną próbką, przy czym największe zastosowanie znalazły techniki transmisyjne i odbiciowe (refleksyjne).
W technikach transmisyjnych widmo oscylacyjne uzyskiwane jest przez pomiar intensywności promieniowania po przejściu przez próbkę. Ze względu na małą przezroczystość materiałów w zakresie średniej podczerwieni, stosowanie tej metody wymaga wcześniejszego przygotowania próbki. Pomiary widm transmisyjne gazów i cieczy wykonuje się przy użyciu kuwet wykonanych z materiałów przezroczystych dla podczerwieni (w przypadku środkowej podczerwieni są to najczęściej halogenki metali alkalicznych KBr, NaCl). Widma ciał stałych można mierzyć wykonując pastylki z materiałów przeźroczystych dla podczerwieni (np. KBr), w zawiesinie Nujolu (ciekła parafina), bądź w formie warstw na płytkach krzemowych. Cienkie folie można mierzyć bezpośrednio przez usytuowanie ich na drodze wiązki promieniowania podczerwonego.
Rysunek 2. Uproszczony schemat oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z próbką.
W technikach transmisyjnych miarą absorpcji promieniowania o określonej liczbie falowej ( ) przez próbkę może być transmitancja (T) lub absorbancja (A), które są związane ze sobą następującymi zależnościami:
I0
T I (1)
TI
A logI0 log (2)
5 gdzie:
I0 – intensywność wiązki padającej na próbkę;
I – intensywność wiązki po przejściu przez próbkę.
Absorbancja może być dodatkowo wykorzystana do ilościowego opisu absorpcji – jej wielkość jest wprost proporcjonalna do ilości absorbujących cząsteczek zgodnie z prawem Lamberta-Beera.
Techniki refleksyjne pozwalają otrzymać widma w podczerwieni poprzez pomiar promieniowania odbitego od próbki. Do pomiaru promieniowania odbitego służą różne układy optyczne stosowane w formie przystawek do spektrometrów. Różne typy odbicia zilustrowano na rysunku 2 (dolny rząd).
W technikach refleksyjnych stosowanymi miarami absorpcji są reflektancja (R) i ujemny logarytm z reflektancji (logR). Wielkości te są związane ze sobą następującymi zależnościami:
I0
R I (3)
I R logI0
log
(4)
gdzie:
I0 – intensywność wiązki padającej na próbkę;
I – intensywność wiązki po odbiciu od próbki.
2.2.1. Odbicie zwierciadlane (SR)
Odbicie zwierciadlane to takie odbicie (rozumiane jako zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi), które podlega prawu odbicia, czyli dla którego kąt odbicia jest równy kątowi padania. Może ono mieć miejsce na gładkiej, np. metalizowanej powierzchni lub np. na lustrze wody. W technice odbicia zwierciadlanego (SR – ang. specular reflectance) promieniowanie po dotarciu do próbki odbija się od niej i dzięki systemowi zwierciadeł trafia do detektora.
2.2.2. Odbicie rozproszone (DRIFT)
Odbicie rozproszone (DRIFT – ang. diffuse reflectance infrared fourier transformed spectroscopy) to taki rodzaj odbicia, dla którego kąt odbicia jest różny od kąta padania.
Odbicie rozproszone zachodzi, gdy nierówności na powierzchni są duże w porównaniu do
6 długości fali (np. przy badaniach proszków czy matowych powierzchni, w tym większości próbek ceramicznych). Promieniowanie padające na próbkę może przenikać w głąb próbki, gdzie ulega wielokrotnemu odbiciu od kolejnych warstw atomów i częściowemu osłabieniu, a następnie upuszcza próbkę pod kątem innym niż kąt padania. Intensywność promieniowania odbitego w sposób rozproszony mierzy się za pomocą lustra sferycznego kierujących promieniowanie odbite od próbki we wszystkich kierunkach do detektora.
2.2.3. Osłabione całkowite wewnętrzne odbicie (ATR)
Całkowite wewnętrzne odbicie to zjawisko fizyczne występujące na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania światła i polega na tym, że fala padająca na granicę od strony ośrodka o wyższym współczynniku załamania pod kątem większym niż kąt graniczny, nie przechodzi do drugiego ośrodka, lecz ulega całkowitemu odbiciu. Metoda osłabionego całkowitego wewnętrznego odbicia (ATR – ang. attenuated total reflection) wykorzystuje właśnie to zjawisko – wiązka promieniowania podczerwonego wprowadzana jest do materiału o dużym współczynniku załamania światła (np. diament, german, selenek cynku) i pada na jego wewnętrzną powierzchnię, czyli powierzchnię styku z próbką. Promieniowanie ulega odbiciu, ale jego część może zostać zaabsorbowana przez próbkę znajdującą się po drugiej stronie.
2.3. Interpretacja widma IR
Wynikiem pomiaru w podczerwieni jest widmo analizowanego materiału, czyli wykres zależności absorbancji/transmitancji/reflektancji (w zależności od stosowanej techniki pomiarowej) od liczby falowej wyrażonej w [cm–1]. Liczba falowa określa liczbę drgań przypadającą na jednostkę długości drogi promieniowania i jest wprost proporcjonalna do częstotliwości (jak również energii) promieniowania.
1 (5)
gdzie:
– liczba falowa [cm–1];
λ – długość fali.
Jednym ze sposobów interpretacji widm w podczerwieni jest porównywanie widma badanej substancji z widmami substancji wzorcowych, które zgromadzone są w formie bibliotek zaimplementowanych w oprogramowaniu obsługującym spektrometry (np. OPUS), lub dostępne w Internecie w postaci baz danych, np.:
http://rruff.info/
https://sdbs.db.aist.go.jp/
7
https://webbook.nist.gov/
Innym ze sposobów jest przypisanie pasm drganiom konkretnych grup funkcyjnych.
Dokonuje się tego w oparciu o znajomość składu chemicznego substancji i tak zwane tablice korelacji. Mogą one przybierać różną formę – od standardowej tabeli (Tabela 2) do formy bardziej graficznej (Rysunek 3). Dana grupa funkcyjna (ugrupowanie kilku atomów połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi, np. grupa karbonylowa –C=O, hydroksylowa – OH) występująca w różnych związkach daje pasmo przy podobnych wartościach liczb falowych. Tablice korelacji to zestawienia grup funkcyjnych, które są dla nich charakterystyczne.
Rysunek 3. Charakterystyczne liczby falowe wybranych jonów nieorganicznych [5].
8
Tabela 2. Niektóre charakterystyczne liczby falowe pasm pochodzących od drgań często spotykanych wiązań w związkach organicznych.
Liczba falowa
[cm–1] Opis
pasma Wiązanie i rodzaj drgania Klasa związków
3640–3610 s, sh ν O–H, wolne OH alkohole, fenole
3500–3200 s, b ν O–H, wiązanie wodorowe alkohole, fenole
3400–3250 m ν N–H aminy i amidy I i II-rzędowe
3300–2500 m ν O–H kwasy karboksylowe
3330–3270 n, s ν –C≡C–H, C–H alkiny (terminalne)
3100–3000 s ν C–H związki aromatyczne
3100–3000 m ν =C–H alkeny
3000–2850 m ν C–H alkany
2830–2695 m ν H–C=O, C–H aldehydy
2260–2210 v ν –C≡N nitryle
2260–2210 w ν –C≡C– alkiny
1760–1655 s ν C=O związki karbonylowe, kwasy karboksylowe,
estry, aldehydy, ketony
1680–1640 m ν –C=C– alkeny
1650–1580 m δ N–H aminy I-rzędowe
1600–1585 m ν C–C (w pierścieniu) związki aromatyczne
1550–1s475 s νas N–O związki nitrylowe
1500–1400 m ν C–C (w pierścieniu) związki aromatyczne
1470–1450 m δ C–H alkany
1370–1350 m ρ C–H alkany
1360–1290 m νs N–O związki nitrylowe
1335–1250 s ν C–N aminy aromatyczne
1320–1000 s ν C–O alkohole, kwasy karboksylowe, estry, etery
1300–1150 m ω C–H halogenki alkilowe
1250–1020 m ν C–N aminy alifatyczne
1000–650 s δ =C–H alkeny
950–910 m δ O–H kwasy karboksylowe
910–665 s, b ω N–H aminy I i II-rzędowe
900–675 s δ C–H związki aromatyczne
9 Literatura:
1. Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1972, str. 11–
37, 56– 80, 84–92, 143–155.
2. M. Handke, C. Paluszkiewicz, Metody i Techniki Pomiarowe w Spektroskopii Oscylacyjnej, Wydawnictwo Akapit, Kraków 1998.
3. W. Szczepaniak, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.
4. A. Cygański, Metody spektroskopowe w chemii analitycznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1993.
5. F.A. Miller, C.H. Wilkins, Infrared spectra and characteristic frequencies of inorganic ions,Analytical Chemistry 24/8 (1952) 1253–1294.
6. K. Nakamoto, Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds, [w:] P. Griffiths, J.M. Chalmers (ed.), Handbook of Vibrational Spectroscopy, John Wiley & Sons 2006.
7. https://www.khanacademy.org/science/organic-chemistry/spectroscopy-jay/infrared-spectroscopy- theory/v/introduction-to-infrared-spectroscopy
3. Przebieg ćwiczenia
1) Pomiar widm próbek wskazanych przez prowadzącego, każdej z wykorzystaniem trzech różnych technik pomiarowych.
2) Prosta korekta zarejestrowanych widm (np. linia bazowa, wygładzenie szumów).
3) Przypisanie pasm na widmach drganiom odpowiednich grup funkcyjnych.
4) Próba identyfikacji materiałów na podstawie widm.
5) Porównanie widm otrzymanych różnymi technikami.
3.1. Procedura pomiaru widma techniką absorpcyjną FT-IR W przypadku próbek proszkowych:
odważyć 400 mg bromku potasu;
przenieść KBr do pastylkarki i sprasować przy użyciu prasy hydraulicznej (9 ton);
umieścić pastylkę w spektrometrze i zmierzyć tło;
utrzeć w moździerzu około 1 mg próbki;
dodać 400 mg bromku potasu, wymieszać i sprasować;
umieścić pastylkę w spektrometrze i zmierzyć widmo badanej próbki.
W przypadku cienkich folii:
zmierzyć widmo pustej komory pomiarowej jako tło;
10
umieścić folię na drodze wiązki promieniowania;
zmierzyć widmo badanej próbki.
3.2. Procedura pomiaru widma techniką odbiciową
płytkę pomiarową przetrzeć acetonem;
zogniskować wiązkę pa powierzchni próbki, tak, aby sygnał odbierany przez detektor był jak największy;
zmierzyć widmo tła;
zogniskować wiązkę na powierzchni próbki;
zmierzyć widmo próbki.
3.3. Procedura pomiaru widma techniką ATR
dokładnie wyczyścić acetonem kryształ przystawki ATR, opuścić mostek (nie dokręcać!);
zmierzyć widmo tła;
umieścić próbkę na krysztale, opuścić i zablokować mostek przystawki, dokręcić śrubę mostka do momentu, gdy dalsze obracanie nie będzie zwiększało siły przyciskania próbki do kryształu;
zmierzyć widmo próbki;
usunąć próbkę z kryształu, dokładnie wyczyścić acetonem kryształ, sprawdzić czystość kryształu wykonując pomiar bez nakładania nowej próbki na kryształ – kryształ jest czysty, jeśli na widmie nie widać żadnych pasm.
4. Opracowanie wyników
Każdy zespół przygotowuje osobne sprawozdanie w formie pisemnej według poniższych wytycznych.
1) Przedstawić w formie krótkiego opisu (maksymalnie jedna strona A4) przebieg wykonywanego ćwiczenia.
2) Opisać badane materiały.
3) Wskazać urządzenia i parametry pomiarowe oraz opisać procedury obróbki widm (o ile była stosowana).
4) Sporządzić wykresy widm badanych substancji różnymi technikami.
11 5) Dla każdego widma sporządzić tabelę według wzoru zmieszczonego poniżej (Tabala 3), w
której należy zamieścić najważniejsze pozycje pasm widm substancji wraz z przypisanymi im drganiami.
Tabela 3. Przypisania pasm dla poszczególnych pomiarów.
Lp. Liczba falowa
[cm–1] Opis pasma Przypisanie
1 2 3
6) Omówić i wyjaśnić różnice w widmach otrzymanych techniką transmisyjną i technikami odbiciowymi.
7) Porównując parametry zebrane w sporządzonych tabelach wyciągnąć wnioski, na temat możliwości wykorzystania spektroskopii w podczerwieni w analizie struktury ciał stałych.
Zastanowić się, jakie są wady i zalety poszczególnych metod.
