УФ-лабораторные работы - Портал информационно

Министерство образования
и науки Российской Федерации
Н. П. Бельская, О. С. Ельцов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
УФ-СПЕКТРОСКОПИИ
Электронный образовательный ресурс УРФУ
Методические указания для проведения лабораторных работ по УФ-спектроскопии
для студентов всех форм обучения направления 240100 - Химическая технология
Екатеринбург
2012
ВВЕДЕНИЕ
Спектроскопия - это наука о взаимодействии электромагнитного излучения
с веществом, которое даёт информацию о самом веществе, атомах и молекулах,
составляющих вещество, о его строении и свойствах. Спектроскопия использует
весь диапазон электромагнитного излучения, включая гамма - лучи, рентгеновские
лучи, инфракрасные лучи, видимые и ультрафиолетовые лучи, микроволновое
излучение и радиочастоты. Метод абсорбционной спектроскопии основан на
взаимодействии электромагнитного излучения с веществом.
Оптические спектры молекул получаются при изменении трех видов
внутренней энергии молекул: энергии электронов; энергии колебания атомов в
молекуле относительно некоторого положения равновесия; энергии вращения
всей молекулы, подобно волчку, вокруг своей собственной оси, то есть
Е = Еэл +Ек+Евр.
Каждому из этих видов внутренней энергии для молекул данного вещества
соответствует свой набор энергетических уровней. Расстояние между уровнями,
их количество и относительное расположение полностью определяется строением
молекул вещества.
Возбуждая тот или иной вид внутренней энергии молекул, получают
молекулярные спектры: вращательные; колебательные; электронные.
К
выполнению
лабораторных
работ
студенты
приступают
после
прослушивания теоретического курса и практикум, таким образом, служит для
закрепления полученных знаний, их углубления и приобретения практических и
исследовательских навыков при проведении лабораторного эксперимента,
математической
обработке
экспериментальных
данных,
определению
закономерностей исследуемого процесса. На первом занятии студенты проходят
инструктаж и аттестацию по технике безопасности.
Перед выполнением работ студент обязан знать подробно методику
эксперимента и сдать коллоквиум по разделам, указанным преподавателем.
Особое внимание студентов обращается на
то, что предлагаемые
лабораторные работы направлены на исследование химических процессов, состава
и строения продуктов химических превращений и при их выполнении будет
поощряться творческая активность студентов.
В процессе выполнения работы оформляется подробный отчет, который
является документом, показывающим умение студента фиксировать свои
наблюдения, обобщать результаты эксперимента и делать выводы по итогам своих
исследований.
Перечень и программы коллоквиумов
1. Методы электронной УФ-спектроскопии.
Взаимодействие света с веществом. Электронные переходы и хромофоры.
2. Принципиальное устройство современных спектрофотометров. Техника
эксперимента и ошибки метода УФ-спектроскопии.
3. Применение спектрофотометрии. Качественный анализ и идентификация
веществ.
Количественный
анализ,
закон
Бугера-Ламберта-Бера.
Изучение
кинетики химических реакций, определение констант ионизации кислот и
оснований, определение констант равновесия и комплексообразования.
Оборудование для измерения спектров УФ- и видимой области
Измерение поглощения осуществляют с помощью спектрофотометра. При
описании образцов почти всегда имеются в виду растворы соединений. Все
спектрофотометры состоят из источника света, монохроматора (для выделения
определенной длины волны), прозрачной кюветы, куда помещается образец,
детектора света (как правило, состоящего из фотоэлектронного умножителя ФЭУ)
и системы вывода данных (компьютер, дисплей, реже – самописец) для
регистрации выходного сигнала детектора (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема устройства спектрофотометра
Свет от лампы 1 проходит сквозь монохроматор 2 для выделения пучка
света с определенной длиной волны. Монохроматичный свет проходит сквозь
кювету с образцом 3 или растворителем 4, помещенные в держатель для кювет 5,
затем попадает на регистрирующее устройство (ФЭУ) 6, сигнал с которого
передается измерительному прибору 7.
Ход работы обычно следующий: измеряют при одной длине волны
интенсивность света, прошедшего через кювету сравнения, наполненную
растворителем, в котором приготовлен образец, (например, буфер или вода). Затем
определяют интенсивность света, прошедшего через раствор изучаемого вещества
в том же растворителе. Далее фиксируется изменение в интенсивности света, по
которому можно судить о поглощении растворенного вещества. Для получения
спектра эта операция повторяется при многих длинах волн.
Параметры, измеряемые в абсорбционной спектроскопии
Спектры можно использовать для идентификации соединения. На рис. 2
показаны спектры, снятые в видимой и УФ-областях для органических
соединений. Для описания спектра обычно определяют величины D или 
следует макс, и именно при этой длине волны обычно определяют .
Оптическая плотность
2
1.5
1
0.5
0
200
Длина
300 волны,
400 нм 500
Рис. 2. УФ-спектры бис-триазола, бис-гидразоно-бис-амидинов и арилгидразоноацетамидинов с
различными типами заместителей и структурных фрагментов
Некоторые полосы поглощения состоят из многочисленных пиков, и часто
регистрируют длины волн, соответствующие пикам, имеющим меньшие молярные
коэффициенты поглощения. Эти длины волн также называют макс и указывают,
что вещество имеет максимумы поглощения при 1, 2, 3, ... n. Иногда измеряют
ширину полосы, хотя и не обязательно.
Применение абсорбционной спектроскопии в видимой
и УФ-областях спектра
Измерение поглощения проводится для многих целей: определения
концентрации вещества, анализа некоторых химических реакций, идентификации
веществ и определения структурных параметров макромолекул.
Идентификация веществ путем спектральных измерений. Большинство веществ
имеют характерные спектры поглощения и могут быть идентифицированы с их
помощью. Для этого измеряют полный спектр либо отношение поглощений при
различных длинах волн.
Регистрация УФ-спектров органических соединений и определение основных
характеристик электронных полос поглощения
Регистрация электронного спектра проводится для растворов веществ в
оптически прозрачных растворителях. Наиболее употребительными материалами
кювет являются кварц – для ультрафиолетовой области и стекло – для видимой
части спектра. Концентрация вещества 10-3–10-4 моль/л.
Экспериментальная часть
1. Используемые реактивы:
В работе используются образцы исследуемых соединений, синтезированных
магистрантами в ходе выполнения исследовательской работы.
В качестве растворителей, в зависимости от растворимости образцов,
используются: этиловый спирт, ацетон, ацетонитрил.
2. Измерительные приборы и вспомогательное лабораторное оборудование:
Характеристики
поглощения
исследуемых
веществ
регистрируют
на
УФ-спектрометре PerkinElmer Lambda 45 и флюориметре «Панорама».
Рис. 1. УФ-спектрометр PerkinElmer
Lambda 45 и флюориметр «Панорама»
Назначение: спектроскопия в УФ- и
видимой
области
190-1100
Исследование
нм.
флюоресценции
органических и неорганических материалов и флуоресцентных меток для
молекулярной биологии.
Для правильного управления работой приборов рекомендуется до начала
эксперимента ознакомиться с их инструкциями по эксплуатации.
Для приготовления растворов исследуемых веществ заданной концентрации
требуются аналитические весы с разрешающей способностью не менее 0.0001 г, а
также мерные цилиндры, мерные колбы, кюветы.
Методика экспериментов
Студенту необходимо получить индивидуальное задание у преподавателя и
выполнить измерение по описанной ниже методике эксперимента.
Рассчитайте, какой массы навеску Вы должны взять, чтобы получить
раствор концентрации 1-5·10-5 М. Проверьте свои расчеты у преподавателя.
Приготовьте навеску вещества и растворите ее в мерной колбе. Дайте раствору
постоять не менее 20 мин в темном прохладном месте.
Спектры поглощения. Образец и растворитель помещают в кварцевые
кюветы сечения 10х10 мм. Минимальный объем исследуемого раствора – 1,5 мл.
Кювету
сравнения
(с
растворителем)
помещают
в
держатель
прибора,
обозначенный буквой «В» (base line). При установке кюветы в держатель
необходимо следить, чтобы прозрачные стороны кюветы размещались вдоль
стенок, имеющих окошечки для входящего и выходящего луча.
Съемка спектра обязательно начинается с регистрации поглощения кюветы
сравнения (acquiring baseline). После этого производят сканирование спектра
кюветы с образцом. Спектр образца автоматически отражается на экране и
записывается в таблицу в откорректированном (относительно базовой линии)
виде.
Составление отчета
Отчет по работе должен состоять из титульного листа, теоретической части,
описания методов исследования, результатов и обсуждения, выводов.
Лабораторная работа № 1
Измерить спектр индивидуального органического
соединения
1. Приготовление растворов для исследования
Рассчитайте, навеску, какой массы Вы должны взять, чтобы получить
раствор концентрации 1-5·10-5 М. Проверьте свои расчеты у преподавателя.
Приготовьте навеску вещества и растворите ее в мерной колбе. Дайте раствору
постоять не менее 20 мин в темном прохладном месте.
2. Измерение спектра поглощения раствора исследуемого вещества
Условия измерения: диапазон 260-400 нм, шаг 2 нм (medium), объем
жидкости в кювете - не менее 2 мл.
3. Составление отчета
Отчет по работе должен состоять из титульного листа, теоретической части,
описания методов исследования, результатов и обсуждения, выводов.
Минимальный материал, предоставляемый в разделе «Результаты и обсуждение»
отчета:
1. Спектры поглощения исследуемых веществ. Диапазон длин волн: 260-400 нм.
В каждом случае должны быть указана концентрация, отмечены максимумы.
2. Представьте измеренный спектр в координатах ε - , lg ε -  и ε - ,
3. Определите значения max и макс для всех полос в спектре.
4. Определите значения коэффициентов экстинкции εmax
5. Анализ спектров представьте в виде таблицы:
№
эксперимента
1
Максимум спектра
Образец
поглощения
Растворитель
, нм
D
, M-1см-1
2
…
Правила
выполнения
спектроскопических
исследований
молекул
органических веществ:
Измерение спектров поглощения любых объектов, а тем более проведение
количественного анализа с использованием этих методик, требует предельно
возможной аккуратности и внимания. Помните, Вам предстоит подсчитать
буквально каждую молекулу в растворе и любая неточность в действиях, любая
примесь с наконечника пипетки или кюветы может испортить весь результат.
1. Приготавливая раствор вещества, или разбавляя его, или наполняя
раствором измерительную кювету, заливайте жидкость очень медленно (каплями),
по стенке сосуда. Залив растворитель, закройте флакон крышкой и переверните
несколько раз, не встряхивая.
2. Используйте чистые наконечники пипеток. Для каждого раствора должен
быть свой наконечник. Доливая раствор в кювету, не касайтесь наконечником уже
имеющейся там жидкости.
3. Поскольку
спектры
органических
соединений
располагаются
в
ультрафиолетовой области, для измерения могут быть использованы только
кварцевые кюветы. Будьте с ним осторожны!
4. Следите за чистотой измерительных кювет. Если есть подозрение, что
кювета не промыта, лучше вымойте ее сами сначала мылом (с помощью
специальной щетки), потом большим количеством проточной воды, затем
ополосните дистиллятом. Внешние стенки кюветы можно протереть марлей.
Часто
органические
соединения
являются
светочувствительными
молекулами, поэтому не оставляйте подолгу Ваши образцы в кюветном отделении
прибора под освещением. Потом Вы можете обнаружить, что спектральные
характеристики белка изменились.
Лабораторная работа № 2
Проверка закона Бугера-Ламберта-Бера
Закон Бугера-Ламберта-Бера справедлив лишь в тех случаях, если
поглощающие свет вещества не подвергаются диссоциации или другим
изменениям химического состава (ассоциации, гидролизу и т.д.) Поэтому всякий
раз, когда применяют спектрофотометрический метод для количественного
определения,
следует
проверить,
применим
ли
закон
для
конкретного
растворителя в интервале всех исследуемых концентраций.
Оборудование: набор кювет, раствор исследуемого вещества (например,
нитробензола), мерные цилиндры, пипетки.
Порядок выполнения работы:
1. Запишите спектр водного раствора исследуемого вещества в кюветах 1, 2, 5,
10 и 20 мм.
2. Разбавьте исходный раствор водой в 2, 4 и 8 раз, запишите спектры
разбавленных растворов в разных кюветах.
3. Определите величину оптической плотности всех растворов в максимуме
поглощения.
4. Для каждой
толщины слоя постройте график зависимости
D от
концентрации и определите ε.
5. Для каждой концентрации постройте график зависимости D от l и
определите ε.
6. Сделайте вывод.
7. Составьте отчет по работе. Отчет должен состоять из титульного листа,
теоретической части, описания методов исследования, результатов и
обсуждения, выводов
Лабораторная работа № 3
Влияние растворителя на электронные спектры
В ходе лабораторной работы изучают сольватохромный эффект двух полос
поглощения нитрометана и полосы поглощения ацетона для определения типа
перехода (π→π* или n→π*)
Оборудование и реагенты: ацетон, нитрометан, этанол, гексан (спектрально
чистые).
Порядок выполнения работы:
1. Заполните кварцевую кювету толщиной 1 см гексаном и запишите его
спектр (в кювету сравнения налейте также гексан). Убедитесь в том, что
растворитель достаточно прозрачен вплоть до диапазона 210 нм.
2. Возьмите стеклянную палочку, опустите ее в чистый нитрометан, а затем в
кювету и перемешайте раствор. Запишите качественный спектр раствора
нитрометана в области 200-300 нм и определите положение максимума
около 210 нм.
3. Добавьте в кювету небольшую каплю нитрометана, раствор перемешайте и
снова запишите спектр. Определите положение полосы около 270 нм.
Сравните относительные интенсивности двух полос.
4. Повторите измерения, используя в качестве растворителей этанол и воду.
5. Составьте таблицу мах для каждой полосы в каждом растворителе и
определите тип смещения и тип перехода.
6. Используя ту же методику, исследуйте спектр поглощения ацетона в
гексане, этаноле и воде в области 240-300 нм, определите характер перехода.
7. Составьте отчет. Отчет по работе должен состоять из титульного листа,
теоретической части, описания методов исследования, результатов и
обсуждения, выводов
Приложение 1
Данные о типах переходов в органических соединениях и соответствующих им
длинах волн в УФ/видимых спектрах
Рис. 2. Области поглощения, соответствующие различным типам электронных переходов
Приложение 2
Полосы поглощения некоторых органических соединений в УФ/видимых
спектрах
Таблица 1
Полосы поглощения алканов и насыщенных соединений
с гетероатомами
Таблица 2
Характеристики n→σ* электронных переходов в молекулах
органических соединений
Таблица 3
Характеристики π→π* электронных переходов
в простых хромофорах
Таблица 4
Характеристики π→π* электронных переходов в молекулах
органических соединений
Библиографический список
1.
Козицына Л. А. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс спектроскопии в
органической химии / Л. А. Козицына, И. Б. Куплетская. М.: МГУ, 1979. 238
с.
2.
Миронов В. А. Спектроскопия в органической химии; учеб. пособие для
вузов / В. А. Миронов, С. А. Янковский. М.: Химия, 1985. 232 с.
3.
Hesse M. / Spectroscopic Methods in Organic Chemistry. M. Hesse, H. Meier, B.
Zeeh. 2th Eddition. Stuttgart: Thieme, 2008. 453 p.
4.
Field L. D., Sternhell S., Kalman J. R. Organic Structures from Spectra. John Wiley
and Sons Ltd. England. 2009. 453 p.
5.
R. M. Silverstain, F. X. Webster, D. J. Kiemle / Spectrometric identification of
organic compounds. Silverstain R. M. Webster F. X., Kiemle D. J. L.: John Willey
& Sons Inc. 2005. 502 p.
6.
Пентин Ю.А., Курамшина Г.М. Основы молекулярной спектроскопии. М:
Мир, 2008. 225 с.
7.
Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строения органических
соединений. М: Мир, 2006. 324 с.
8.
Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М:
Мир, 2003. 278 с.
9.
Сайдов Г.В., Свердлова О.В. Практическое руководство по молекулярной
спектроскопии. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1995. 122 с.
10. Браун Д., Флойд А., Сейнзбери М. Спектроскопия органических веществ. М:
Мир, 1992. 369 с.
11. Бахшиев Н.Г. Введение в молекулярную спектроскопию. Л.: Химия, 1987. 162
с.