SPECTOMETRIE SI SPECTOMETRE

UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ-NAPOCA

FACULTATEA INGINERIA MATERIALELOR SI A MEDIULUI

SPECIALIZAREA Procedee Avansate n Protecia Mediului

DISCIPLINA Procedee Avansate n Protecia Atmosferei

PROIECT DE AN

SPECTOFOTOMETREPORCAR DAN

DEJEU IOANA-ANDREIEA

Anul Universitar 2011-2012

Contents

3REZUMAT

4ZUSAMMENFASSUNG

51.INTRODUCERE

62.Difractia de radiatii X Spectofotometria RMN

82.1 Producerea Radiatiilor X

82.2Natura radiatiilor X

92.3Proprietatile radiatiilor X

102.4Aplicatiile radiatiilor X

113.Spectofotometria UV-VIS

113.1 Tranzitiile electronice si corespondenta acestora cu benzile spectrale UV-VIS

154.Spectofotometria de masa

154.1 Componentele unui spectrometru de mas

164.1.1 Spectrul de mas

174.1.2Sistemul de introducere a probelor n spectrometrul de mas

184.2.2 Ionizarea chimic

195.Spectofotometria RES (Rezonan Electric de Spin)

216.Spectofotometria IR

24CONCLUZII

25BIBLIOGRAFIE

REZUMATSpectofotometria studiaz interactiunea dintre radiaiile electromagnetice cu materia, spectroscopia studiaz procedeele i tehnicile pentru eperimentele de analiz calitativ si analiz cantitativ a unor probe lichide, solide sau gazoase, n urma interferenei ntre radiaia electromagnetic i materie rezult spectrul substanei analizate, care ne arat compozitia calitativ i cantitativ a materiei analizat.

Spectofotometrele sunt aparate indispensabile folosite in foarte multe domenii de activitate precum cercetri tinifice, industrie, medicin, de asemenea joac si au jucat un rol vital n fizic, n dezvoltarea mecanici cuantice, n determinarea si tratarea unor boli fatale.

n aceast lucrare se studiaz i se dezvolt metodele spectofotometrice folosite pentru determinarea interaciunii dintre radiaiile electromagnice i materie.

Spectofotometrele studiate sunt: Spectofotometria RMN, Spectofotometria UV-VIS, Spectofotometria de Mas, Spectofotometria RES (Rezonan Electric de Spin), Spectofotometria IR.ZUSAMMENFASSUNG

Spectophotometric Studie der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie, Spektroskopie-Studie eperimentele Verfahren und Techniken fr die qualitative Analyse und quantitative Analyse von flssigen Proben, fest oder gasfrmig, von Interferenzen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie resultierende Spektrum der Substanz analysiert, was zeigt die qualitative Zusammensetzung und Menge des untersuchten Materials. Spectofotometrele sind unverzichtbare Gerte in vielen Bereichen wie Forschung, Industrie, Medizin, und sie spielen auch eine wichtige Rolle in der Physik, die Entwicklung der Quantenmechanik, bei der Bestimmung und Behandlung von tdlichen Krankheiten. In dieser Arbeit studieren und entwickeln Methoden Spectophotometric verwendet werden, um die Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie Elektromagnete zu bestimmen. Spectofotometrele studiert werden: Spectophotometric NMR-, UV-VIS Spectophotometric, Spectophotometric Messe, Spectophotometric ESR (Elektrische-Spin-Resonanz), Spectophotometric IR.1. INTRODUCERESpectroscopia studiaz interaciunea dintre radiaiile electromagnetice cu materia. n acelai timp, spectroscopia este o denumire generic dat unei clase de procedee i tehnici experimentale de analiz calitativ i cantitativ a unor probe solide, lichide sau gazoase. n urma interferenelor energetice ntre radiaia electromagnetic i materie, rezult spectrul substanei de analizat care ofer informaii precise despre compoziia calitativ i cantitativ a materiei.

nceputurile spectroscopiei se refereau numai la analiza spectrului luminii vizibile. La ora actual, spectroscopia, acoper pe lng domeniul spectral al luminii vizibile i restul spectrului radiaiei electromagnetice, pornind de la domeniul radiaiei gamma pn n domeniul undelor radio.

Dintre toate tehnicile spectroscopice, spectrometria de mas este poate cea care ofer cele mai multe posibiliti aplicative, datorit varietii de genuri de spectre pe care le poate da. La nceputul secolului XX, spectrometria de mas s-a dezvoltat ca o tehnic folosit n principal de fizicieni, pentru a determina structura atomului. La sfritul anilor `30 i nceputul anilor `40, spectrometria de mas a jucat un rol important n dezvoltarea energiei atomice. n anii `40, cnd spectrometria de mas a fost folosit pentru identificarea i cuantificarea substanelor organice, au nceput s apar instrumentele comerciale ceea ce a condus la utilizarea n multe domenii diferite ca: fizica nuclear, biologie, medicin, geologie, studiul mediului.

Spectrometria de mas este un instrument puternic pentru studiul tuturor substanelor, deoarece dintr-o cantitate infim furnizeaz mai multe informaii despre structura i compoziia unei substante, dect orice alt tehnic analitic. n acelai timp este i un puternic instrument de cuantificare. Pot fi identificate i cuantificate dintr-un fruct ptat urme (10-15 g) de pesticide; sunt necesare doar cantiti de zeptomoli (10-21 mol) de proteine pentru caracterizarea unor anomalii genetice, sau pot fi detectate picograme (10-12g) de fier n cristalul de siliciu, nainte de folosirea lui ca materie prim n costisitorul proces de fabricaie al semiconductorilor.

La rndul su, cromatografia, are un puternic impact n domeniul analizei calitative i cantitative. Este metoda prin care se pot analiza amestecuri de compui de ordinul sutelor n decurs de cteva minute.

Prin cuplajul ntre cromatografia de gaze i spectrometria de mas pot fi detectai i identificai compui dintr-un amestec necunoscut. Cantitatea de prob necesar analizei poate fi extrem de mic, datorit detectorilor cu performane ridicate. Computerizarea a permis o important diminuare a costurilor analizelor i a poziionat tehnica GC-MS printre tehnicile de vrf cu aplicaii n foarte multe domenii cum ar fi: petrochimia, industria chimic i farmaceutic, n domeniul analizei poluanilor din aer, ap, sol, alimente, analiza aromelor i a uleiurilor volatile, studii clinice, criminalistic, etc.

Spectroscopia este o denumire dat unei clase de procedee i tehnici experimentale prin care se urmrete i se cuantific efectul absorbiei sau emisiei de energie de ctre o prob supus analizei chimice calitative i / sau cantitative.

Scopul spectroscopiei este acela ca dintr-un spectru s se obin informaii despre proba analizat precum: structura intern, compoziie, dinamic. Spectroscopia analitic permite recunoaterea naturii atomilor i moleculelor dup forma caracteristic a spectrelor lor.

Spectroscopia de mare precizie are ca scop determinarea unor constante fizice sau testarea de ipoteze referitoare la legi ale naturii.

Analizele spectroscopice se bazeaz pe interaciunea undelor electromagnetice cu materia.

Originea liniilor spectrale din spectroscopia atomica este dat de variaia energiei unui atom ca urmare a tranziiilor electronice cnd se emite sau absoarbe un foton. Spectrele atomice sunt spectre de linii.

Originea liniilor spectrale din spectroscopia molecular este dat de emisia sau absorbia unui foton cnd variaz energia unei molecule. Energia unei molecule poate varia nu numai ca urmare a tranziiilor electronice ci i pentru c molecula sufer schimbri n starea de rotaie i vibraie. Rezult c spectrele moleculare sunt mai complexe dect cele atomice, sunt spectre de band.

Spectrele moleculare conin informaii pentru determinarea unei serii de proprieti moleculare: dimensiune i forma molecular, valori ale momentelor de dipol, valori ale triei i lungimii moleculelor i a unghiului dintre legturi.

2. Difractia de radiatii X Spectofotometria RMN

Identificarea compusilor cristalini: praful din atmosfera;

sedimente din apa de ploaie;

sedimente din apa unor rauri;

proba din sol.Avantaje:

metoda rapida;

metoda nedistructiva proba poate fi analizata prin alte metode;

se stabileste compozitia dintr-o singura masuratoare.

Dezavantaje:

compusul trebuie sa fie sub forma cristalina;

sa aiba o concentratie > 1%. Au fost descoperite intamplator in anul 1895 de fizicianul german Wilhem Conrad Rontgen ;

Radiatiile X sunt radiatii electromagnetice analoage celor luminoase dar de frecvente mult mai mari;

Experimente efectuate in anii care au urmat au dovedit ca aceste radiatii au proprietati deosebite;

Ulterior au fost numite raze (radiatii) Rontgen, in cinstea fizicianului care le-a descoperit.

Fig.1. Radiografia moderna a mainii Fig.2.Bertha Rntgens Hand 8 Nov,1895

Wilhelm Conrad Rntgen (1845-1923) 1901 premiul Nobel pt fizicaRaze X unde electromagnetice

Unda - propagarea in spatiu a unei perturbatii;

Undele electromagnetice se compun dintr-un camp electric si unul magnetic,

orientate perpendicular unul pe celalalt, amandoua variabile in timp si spatiu si care se genereaza reciproc.2.1 Producerea Radiatiilor X Radiatiile X sunt de natura electromagnetica, deosebindu-se de lumina prin lungimea de unda mai mica.Radiatiile electromagnetice sunt produse prin oscilatia sau acceleratia unei sarcini electrice.Undele electromagnetice au atat componente electrice cat si magnetice. Gama radiatiilor electromagnetice este foarte larga: unde cu frecventa foarte inalta si lungime mica sau frecventa foarte joasa si lungime mare.Lumina vizibila constituie numai o parte din spectrul undelor electromagnetice. In ordine descrescatoare de frecventa, spectrul undelor electromagnetice se compune din: radiatii gama, radiatii X, radiatii ultraviolete, lumina vizibila, radiatii infrarosii, microunde si unde radio. Undele electromagnetice nu au nevoie de mediu pentru a se transmite. Astfel, lumina si undele radio pot circula in spatial interplanetar si interstelar, la soare si stele, pana la Pamant. Indiferent de frecventa si lungimea de unda, undele electromagnetice au o viteza de 299.792km/s in vid. Lungimea si frecventa undeleor electromagnetice sunt importante in determinarea efectului termic, al vizibilitatii, al penetrarii si a altor caracteristici. Radiatiile X sunt radiatii electromagnetice penetrante, cu lungime de unda mai scurta decat a luminii si rezulta prin bombardarea unei tinte de tungsten cu electroni cu viteza mare.Au fost descoperite intamplator in anul 1895 de fizicianul german Wilhem Conrad Roentgen, in timp ce facea experimente de descarcari electrice in tuburi vidate, respectiv el a observat ca din locul unde razele catodice cadeau pe sticla tubului razbeau in exterior raze cu insusiri deosebite; aceste raze strabateau corpurile, impresionau placutele fotografice, etc. El le-a numit raze X deoarece natura lor era necunoscuta.Ulterior au fost numite raze (radiatii) Roentgen, in cinstea fizicianului care le-a descoperit.2.2 Natura radiatiilor X

Radiatiile X sunt radiatii electromagnetice cu o putere de penetrare indirect proportionala cu lungimea de unda. Cu cat lungimea de unda este mai mica, cu atat puterea de penetrare este mai mare. Razele mai lungi, apropiate de banda razelor ultraviolete sunt cunoscute sub denumirea de radiatii moi.Razele mai scurte , apropiate de radiatiile gama, se numesc raze x dure. Radiatiile X se produc cand electronii cu viteza mare lovesc un obiect material. O mare parte din energia electronilor se transforma in caldura iar restul se transforma in raze x, producand modificari in atomii tintei, ca rezultat al impactului.Radiatia emisa nu este monocromatica ci este compusa dintr-o gama larga de lungimi de unda. Primul tub care a produs raze X a fost conceput de fizicianul William Crookes. Cu un tub de sticla partial vidat, continand doi electrozi prin care trece curent electric. Ca rezultat al ionizarii, ionii pozitivi lovesc catodul si provoaca iesirea electronilor din catod. Acesti electroni, sub forma unui fascicul de raze catodice, bombardeaza peretii de sticla ai tubului si rezulta razele X. Acest tub produce numai raze X moi, cu energiescazuta. Un tub catodic imbunatatit, prin introducerea unui catod curbat pentru focalizarea fasciculului de electroni pe o tinta din metal greu, numita anod, produce raze X mai dure, cu lungimi de unda mai scurte si energie mai mare. Razele X produse, depind de presiunea gazului din tub. Urmatoarea imbunatatire a fost realizata de William David Coolidge in 1913 prin inventarea tubului de raze X cu catod incalzit. Tubul este vacuumat iar catodul emite electroni prin incalzire cu un curent electric auxiliar. Cauza emiterii electronilor nu este bombardarea cu ioni, ca in cazurile precedente. Accelerarea procesului de emitere a electronilor se face prin aplicarea unui current electric de inalta tensiune, prin tub. Cu cat creste voltajul, scade lungimea de unda a radiatiei. Fizicianul american Arthur Holly Compton (1892 - 1962), laureat al Premiului Nobel, prin studiile sale a descoperit asa numitul effect Compton in anul 1922. Teoria sa demonstreaza ca lungimile de unda ale radiatiilor X si gama cresc atunci cand fotonii care le formeaza se ciocnesc de electroni. Fenomenul demonstreaza si natura corpusculara a razelor X.2.3 Proprietatile radiatiilor X

Radiatiille X impresioneaza solutia fotografica, ca si lumina.Absorbtia radiatiilor depinde de densitatea si de greutatea atomica. Cu cat greutatea atomica este mai mica, materialul este mai usor patruns de razele X. Cand corpul uman este expus la radiatiii X, oasele, cu greutate atomica mai mare decat carnea, absorb in mai mare masura radiatiile si apar umbre mai pronuntate pe film. Radiatiile cu neutroni se folosesc in anumite tipuri de radioagrafii, cu rezultate total opuse: partile intunecate de pe film sunt cele mai usoare. Radiatiile X provoaca fluorescenta anumitor materiale, cum ar fi platinocianidul de bariu si sulfura de zinc. Daca filmul fotografic este inlocuit cu un ecran tratat cu un asemenea material, structura obiectelor opace poate fi observata direct. Aceasta tehnica se numeste fluoroscopie.Alta caracteristica importanta este puterea de ionizare, care depinde de lungimea de unda. Capacitatea razelor X monocromatice de a ioniza, este direct proportionala cu energia lor. Aceasta proprietate ne ofera o metoda de masurare a energiei razelor X. Cand razele X trec printr-o camera de ionizare, se produce un curent electric proportional cu energia fasciculului incidental. De asemenea, datorita capacitatii de ionizare, razele X pot fi vazute intr-un nor. Alte proprietati: difractia, efectul fotoelectric, efectul Compton si altele.

2.4 Aplicatiile radiatiilor X Principalele utilizari: cercetari stiintifice, industrie, medicina.

Studiul radiatiilor X a jucat un rol vital in fizica, in special in dezvoltarea mecanicii cuantice. Ca mijloc de cercetare, radiatiile X au permis fizicienilor sa confirme experimental teoria cristalografiei. Folosind metoda difractiei, substantele cristaline pot fi identificate si structura lor determinate. Metoda poate fi aplicata si la pulberi, care nu au structura cristalina, dar o structura moleculara regulata. Prin aceste mijloace se pot identifica compusi chimici si se poate stabili marimea particulelor ultramicroscopice. Prin spectroscopie cu raxe X se pot identifica elementele chimice si izotopii lor. In afara de aplicatiile din fizica, chimie, mineralogie, metalurgie si biologie, razele X se utilizeaza si in industrie, pentru testarea nedestructiva a unor aliaje metalice. Pentru asemenea radiografii se utilizeaza Cobalt 60 si Caesium 137.

De asemenea prin radiatii X se testeaza anumite faze de productie si se elimina defectele. Razele X ultramoi se folosesc in determinarea autenticitatii unor lucrari de arta sau la restaurarea unor picturi. In medicina, radiografele sau fluoroscoapele sunt mijloace de diagnosticare. In radiotarapie se utilizeaza in tratamentul cancerului. Aparatul computerizat, tomograful axial (scanner CAT sau CT) a fost inventat in 1972 de inginerul eletronist Godfrey Hounsfield si a fost pus in aplicare pe scara larga dupa anul 1979.

Fig. 3. Spectometru IR RAMAN3. Spectofotometria UV-VIS

UV = 200-400 nm, VIS = 400-800 nm metoda care se bazeaza pe interactiunea radiatiei electromagnetice din UV si VIS cu substanta. se cunosc mai multe variante: colometria, fotometria si spectrofotometria = spectroscopia.

Colorimetria utilizata in practica analitica si se bazeaza pe varianta in care intensitatea culorii probei se compara vizual sau instrumental, in lumina alba cu un set de solutii etalon preparate in conditii absolut identice cu proba. se realizeaza masuratori prin comparatie vizuala sensibilitatea depinde de ochii domeniul maxim 550-600nm (domeniul culorii verzi) - putin folosita

3.1 Tranzitiile electronice si corespondenta acestora cu benzile spectrale UV-VIS

Tipurile de tranzitii electronice ce se produc in iradierea unei molecule cu iradiatii UV-VIS difera dupa natura orbitalilor implicati.

Tranzitiile (-(* sunt caracterizate prin cele mai mari energii,deci prin cele mai mici lungimi de unda.Benzile corespunzatoare acestor tranzitii apar la valori (