APSORPCIJA ZRAČENJAAPSORPCIJA ZRAČENJA

APSORPCIJA ZRAČENJAAPSORPCIJA ZRAČENJA

Interakcija elektromagnetnog zračenja i materije

• Lamber-Berov zakon

• Boja supstancije

Optička aktivnost

• Hilarnost

• Optička rotacija

• Cirkularni dihroizam

APSORPCIJA ZRAČENJAAPSORPCIJA ZRAČENJA

Zakon održanja energije:

I0 = IA + IT + IR

refleksija

transparencija

apsorpcija

GrotusGrotus--DraperovDraperov zakonzakon

RTAI

I

I

I

I

I RTA 000

1

ATOMSKI ENERGETSKI NIVOI

Energetski novoi atoma vodonika

ATOMSKI EMISIONI SPEKTARATOMSKI EMISIONI SPEKTAR

linijski spektar

MOLEKULSKI ENERGETSKI NIVOIMOLEKULSKI ENERGETSKI NIVOI

rotacioni nivoi

vibracioni nivoi

elektronski

nivoi

energija

MOLEKULSKI EMISIONI SPEKTARMOLEKULSKI EMISIONI SPEKTAR

FOTONIFOTONI

fotoni ili talasni paketi energije

chhE

VIDLJIVI DEO SPEKTRAVIDLJIVI DEO SPEKTRA

UV: 180 – 380 nm

VID: 380 – 780 nm

1 nm = 1·10-9 m

ZRAČENJE I SPEKTROSKOPIJAZRAČENJE I SPEKTROSKOPIJA

zračenje talasna dužina (m) prelazi

gama zraci 5 x 10-13 – 1.4 x 10-10 nuklearni

X-zraci 1 x 10-9 – 1 x 10-8 unutrašnji elektroni

UV- vidljiva 1.8 x 10-7 – 7.8 x 10-7 elektroni veza

infracrvena 7.8 x 10-7 – 3 x 10-4 molekulske

vibracije

mikrotalasna 7.5 x 10-4 – 3.75 x 10-3 molekulske rotacije E

LAMBERLAMBER--BEROV ZAKONBEROV ZAKON

ShematskiShematski prikazprikaz jednostavnogjednostavnog spektrofotometraspektrofotometra

Intenzitet zračenja I je energija koju snop zračenja nosi u jedinici

vremena po jediničnom prostornom uglu.

Transparencija: T = I / I0

disperzioni

element

izvor

svetlosti

detektor

svetlosti uzorak

I0 I

b

LAMBER-BEROV ZAKON

upadna

svetlost

propuštena

svetlost

rastvor koji

apsorbuje I I-dI

b

x=b x=0 dx

IcdxdI

– konstanta proporcionalnosti (ekstinkcioni koeficijent)

LAMBERLAMBER--BEROV ZAKONBEROV ZAKON

I

I

I

ITA

acbI

I

bcI

Idxc

I

dI

dxcIdI

bI

I

0

0

0

00

logloglog

10ln10lnlog

ln

0

a – molarni apsorpcioni koeficijent [dm3 mol-1 cm-1]

abcA

212121

21

loglogloglog AATTTTTA

TTT

LAMBER-BEROV ZAKON

Berov zakon:

Lamberov zakon:

Lamber-Berov zakon: abcA

cA

bA

Fosfat u morskoj vodi

talasna duzina 880nm

y = 0.12078x - 0.00193

R2 = 0.99989

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

concentration uM

A

APSORPCIJA ZRAČENJAAPSORPCIJA ZRAČENJA

C1

C2

350 400 450 max

A1

A2

A3

A

AX

340350

370

390

410

C C C C1 X 3 C

a) b)

A

apsorpcioni

spektar

analitička

prava

OGRANIČENJA BEROVOG ZAKONAOGRANIČENJA BEROVOG ZAKONA

RealnaRealna

• velike koncentracije apsorbujuće vrste međusobno

reaguju

HemijskaHemijska

• analit disosije/asosuje ili reaguje sa rastvaračem

InstrumentalnaInstrumentalna

• = f(); većina izvora su polihromatski, a ne isključivo

monohromatski

• rasejana svetlost nastala refleksijom na monohromatoru

KVALITATIVNA ANALIZA

0I

IT

I

I

TA

0log

log

KMnO4

u

z

o

r

a

k

max – talasna dužina

na kojoj je maksimalno

I0 I

KVALITATIVNA ANALIZA

KVALITATIVNA ANALIZA

Prelazni metali su često obojeni zbog prelaza između d orbitala:

apsorbuju u vidljivoj oblasti; broj pikova, max i identifikuju

metalni jon i geometriju.

KVALITATIVNA ANALIZA

Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u

vezujućim orbitalama analita.

Mesta nezasićenih veza u oprganskim molekulimaMesta nezasićenih veza u oprganskim molekulima:

• dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) → *

• d →d prelazi u metalnim kompleksima

• metal d → ligand prelazi

KVANTITATIVNA ANALIZA (I)

Koristi se Lamber-Berova jednačina

• pripremiti rastvore analita

• meriti apsorbanciju na poznatim max (a) i b

• izračunati c.

Molarne apsorptivnosti nisu precizno poznate, stoga

ovakva izračunavanja nisu precizna.

abcA

KVANTITATIVNA ANALIZA (II)

Koristiti kalibracione krive – uobičajen metod

BOJA I STRUKTURA MOLEKULA

Boja supstancije je određena neapsorbovanim delom

kontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je

komplementaran apsorbovanom delu bele svetlosti.

VIDLJIVI SPEKTAR – 380-780 nm

KOMPLEMENTARNE BOJE

ako supstancija

ovde apsorbuje...

ovde se

javlja boja

KRUG BOJA

KOMPLEMENTARNE BOJE

primer

boja koja se

apsorbuje

boja koju vidimo

šargarepa plava narandžasta

laboratorijski

mantil

nijedna (sve se

reflektuje)

bela

voda

nijedna (sve se

propušta)

providna

lišće crvena zelena

blato sve se apsorbuje crna

Vodeni rastvor kompleksa titana (III) ima ljubičastu boju, jer

apsorbuje žuto i zeleno.

Ljubičasto obojen filter apsorbuje žutu i zelenu boju bele svetlosti.

RASTVORI HALOGENA U CCl4

FluorFluor apsorbuje u UV oblasti bezbojan

HlorHlor apsorbuje ljubičasto i plavo žuto zelen

BromBrom apsorbuje plavo i deo zelenog mrko crven

JodJod apsorbuje zeleno roze ili purpuran

BOJA I STRUKTURA MOLEKULA

Atomi ili atomske grupe čija ekscitacija elektrona dovodi do

apsorpcije fotona nazivaju se hromoforamahromoforama (njihovo prisustvo u

molekulu odgovorno je za boju supstancije):

• u organskim molekulima - atomske grupe sa dvostrukimdvostrukim ii

trostrukimtrostrukim vezamavezama (elektroni su labavije vezani)

•• jjonioni prelaznihprelaznih metalametala, kao i nespareninespareni elektronelektronii u radikalima

predstavljaju hromofore.

MINERAL OBOJEN ZBOG APSORPCIJE METALNOG JONA

BOJA KOMPLEKSA PRELAZNIH METALA

Rubin

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Cr3+

Safir

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Fe2+ i Ti4+

Smaragd

Beril

AlSiO3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr3+

oktaedarski raspored gde metalni

centar ima koordinacioni broj 6

Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa

ligandima koje metali vezuju. Svi kompleksi sadrže Co(III) i

5 NH3.

Elektroni u prstenovima pokretljivi i apsorbuju svetlost.

Većina boja koje se koriste u industriji hrane su slične strukture

ALURA CRVENO – boja za hranu

KRISTALNO LJUBIČASTO

Molekul sa konjugovanim vezama.

C N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

Crystal Violet

(Intense Violet Color)

+ OHC N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

OH

Colorless Product

BOJA I STRUKTURA MOLEKULA

Uvođenjem auksohromnih grupa (donora elektrona) kao

što su OH, OR, OCH3, NH2 ili antiauksohromnih grupa

(akceptora elektrona) kao što su CN, CO, NO, dolazi do

promene položajapoložaja ili intenzitetaintenziteta apsorpcionog maksimuma.

BOJA I STRUKTURA MOLEKULA

BatohromniBatohromni efekat (izazivaju ga auksohromne grupe): pomeranje

apsorpcionog maksimuma prema većim talasnim dužinama što

se postiže ubacivanjem nezasićenih konjugovanih grupa.

HipsohromniHipsohromni (izazivaju ga antiauksohromne grupe) efekat:

pomeranje apsorpcionog maksimuma prema kraćim talasnim

dužinama.

HiperhromniHiperhromni efekat: povećanje apsorbancije apsorpcione trake

Hipohromni efekat: snižavanje apsorbancije apsorpcione trake.

OPTIČKA AKTIVNOST

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

EM zračenje se sastoji od oscilacija električnog i magnetnog polja,

uzajemno normalnih. Generalno, oscilacije električnog polja se NE

dešavaju u određenoj (y,x) ravni. Zračenje nijenije polarizovano.

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

Polarizacija se može dobiti od

nepolarizovanog zraka:

• selektivnom apsorpcijom

• refleksijom

• refrakcijom

• rasejavanjem

POLARIZACIONI FILTER

Nepolarizovano EM

zračenje Horizontalno

polarizovana

komponenta je

apsorbovanaapsorbovana.

Vertikalno

polarizovana

komponenta EM

zračenja prolaziprolazi.

POLARIZACIONI FILTER

DVOJNO PRELAMANJE

U KRISTALU KALCITA

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

linearno polarizovano zračenje

cirkularno polarizovano zračenje

linearno polarizovano zračenje

cirkularno polarizovano zračenje

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

POLARIZACIJA EM ZRAČENJA

y

z x

y

z

y

z x

y

z

y

z x linearno polarizovano zračenje

levo cirkularno polarizovani talas

desno cirkularno polarizovani talas

OPTIČKA AKTIVNOST

OptičkiOptički aktivneaktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan

polarizovane svetlosti

OPTIČKA AKTIVNOST

OptičkiOptički aktivneaktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan

polarizovane svetlosti

L-komponenta (spora)

D - komponenta (brza)

vd

c

lnn

v

l

v

lt DL

LD

lnntc DL

22

SPECIFIČNA ROTACIJA

ugao rotacije

specifična rotacija čiste supstancije

specifična rotacija rastvora optički

aktivne supstancije (c - masena konc.)

molarna rotacija

DL nnl

180

l

lc

MM

OPTIČKA AKTIVNOST

Optički aktivne supstancije rotiraju ravan polarizacije polarizovane svetlosti

OPTIČKA AKTIVNOST

Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli

oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno od toga da li je

reč o L ili D obliku.

Koja je razlika između leve

i desne ruke?

Enantiomeri: ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom

HIRALNI MOLEKULI

Molekuli (kao i ruke) koji ne mogu da se rotacijom ili translatornim

pomeranjem poklope sa svojim ogledalskim likom su hiralhiralnini.

Luj Paster

Paster je došao do zaključka da se enantiomeri mogu

razlikovati/razdvojiti samo živim organizmima

OPTIČKA AKTIVNOST (HIRALNOST)

Neke supstancije obrću ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke

na satu (“desnogiri”) a neki u suprotnom smeru kazaljke na satu

(“levogiri”).

Optička aktivnost je otkrivena 1811 od strane Arago-a.

Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ili

kristalne rešetke. Zavisno od toga optička aktivnost može biti:

•• PermanantnaPermanantna kada se ova osobina ne gubi sa promenom

stanja date supstancije

•• PromenjljivaPromenjljiva kada se optička aktivnost javlja samo

u kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji

OPTIČKA AKTIVNOST (HIRALNOST)

PROMENLJIVA OPTIČKA AKTIVNOST

Većina prirodnih materijala ne pokazuje hiralnost, ali oni koji to

pokazuju su optički aktivni (kvarc, natrijum hlorat, kalijum bromat).

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

Najčešće optička aktivnost molekula potiče od prisustva asimetričnog

atoma (atomi čije su valence asimetrično zaposednute, različitim

atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetrični ugljenikov

atom.

-hidroksipropionska kiselina

Od -amino kiselina samo glicin ne pokazuje optičku aktivnost.

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

LEVOGIRI I DESNOGIRI MOLEKULI

Ključni molekuli života su skoro svi levogiri.

Molekuli pogrešne hiralnosti mogu izazvati ozbiljne bolesti

(npr.talidimid) dok je drugi “enantiomer” bezopasan.

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

Inozit zbog asismetrije molekula takođe pokazuje optičku aktivnost.

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

Optičku altivnost pokazuju i sledeći asimetrični centri:

• Sistemi sa tetraedarskom strkuturomtetraedarskom strkuturom (koordinacioni broj je 4)

ako su vezani za različite atome ili atomske grupe, npr. atomi

kao: Si, N, P, S, Se, Te, Cr, Co, platinski metali, kompleksne

soli pojedinih metala (Cu, Pb, Co, Pd i Pt).

• Centralni katjon može imati i koordinacioni broj 6, a molekul

tada ima oktaedarskuoktaedarsku strukturustrukturu.

PERMANENTNA OPTIČKA AKTIVNOST

OOptičkimptičkim enantiomerienantiomeri ili antipodiantipodi: dva oblika istog optički aktivnog

jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga.

Imaju identične hemijske osobine sem kada reaguju sa drugim hiralnim

jedinjenjima enantiomeri se mogu razlikovati u mirisu i biološkoj i

farmakološkoj aktivnosti, a samo jedan od enantiomera pokazuje ovu

aktivnost.

Sintetičke supstancije sadrže uvek oba enantiomera u istim količinama,

tako da je nagrađena smeša optički inaktivna i naziva se racematskomracematskom

smešomsmešom. Nasuprot tome reakcije u živim ćelijama kao rezultat daju

samo jedan enantiomer koji je biološki aktivan.

OPTIČKA AKTIVNOST

Optička aktivnost znači da supstancija interaguje različito sa levo

i desno cirkularno polarizovanom svetlošću, manifestujući dva

različita ali povezana fenomena:

1)1) OptiOptička rotacijačka rotacija – posledica različitih indeksa prelamanja za

desno i levo cirkularno polarizovanu svetlost (nL nD).

2)2) CirCirkkularularnini dihroidihroizamzam – posledica razlčitih koeficijenata

ekstinkcije za levo i desno cirkularno polarizovanu svetlost

(L D).

OPTIČKA ROTACIONA DISPERZIJA (ORD)

I CIRKULARNI DIHROIZAM (CD)

ORDORD – zavisnost optičke rotacije od disperzije svetlosti

(posledica je zavisnoti indeksa prelamanja od frekvencije tj.

talasne dužine). Spektar optičke rotacione disperzije je

zavisnost specifične rotacije od talasne dužine.

CDCD – razlika u apsorpciji desno i levo cirkularno

polarizovane svetlosti (Id-Il ). Spektar cirkularnog dihroizma

je zavisnost (Id-Il) od talasne dužine.

Koriste se za praćenje konformacionih promena, posebno

bioloških molekula.

CIRKULARNI DIHROIZAM

Snimanje apsorpcionog spektra cirkularno polarizovanom svetlošću:

crvena i zelena kriva se odnose na spektre snimljene levo i desno

cirkularno polarizovanom svetlošću, a plava kriva je njihova razlika.

CIRKULARNI DIHROIZAM

Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički

aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično

polarizovanu svetlost.

CIRKULARNI DIHROIZAM

Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički

aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično

polarizovanu svetlost.

CD se češće koristi od ORD za

ispitivanje biomolekula:

• bolja rezolucija

(ORD signal je proširen)

• veća osetljivost

• lakše za dešifrovanje

OPTIČKA ROTACIONA DISPERZIJA (ORD)

I CIRKULARNI DIHROIZAM (CD)