DENEY-1: UV-VIS SPEKTROFOTOMETRE

ÖZET:

Bilinmeyen bir maddenin UV sahasındaki spektrumunun elde edilmesi ve bunun bilinen standartlarla karşılaştırılması ile o maddenin tanımlanması yapılabilir. (Şekil 13)

(Şekil 13); UV- Spektromu

Konsantrasyona karşı okunan, absorbans değerleri bir grafik kağıdı üzerinde noktalanarak birleştirilirse, o maddenin spektrumu elde edir. Elde edilen spektrum, bilinen madde spektrumu ile karşılaştırılır. Karşılaştırma, spektrumun şu özelliklerine göre yapılır:

a) UV sahasında elde edilen max. absorbsiyonu gösteren dalga uzunluğu her madde için karakteristikdir (Max. X).

b) Molar ekstinksiyon katsayısı (A) aynı şartlarda, her madde için sabit ve karakteristik bir değer taşır.

c) Minumum (Min) absorbsiyonu gösteren dalga uzunluğu da bir değerlendirmede yardımcı olur.

Biz bu deneyimizde konsantrasyonu biline bir salisilik asid çözeltisinden farklı konsatrasyonlarda hazırlayarak uv-spektrofotometresinde farklı konsantrasyondaki çözeltilerden bir absorbans konsantrasyon grafiği elde edecez ve bu grafik yardımıyla konsantrasyonu bilinmeyen bir salisilik asid çözeltisinin konsantrasyonunun tayin edeceğiz.

1.AMAÇ:

Konsantrasyonu bilinen bir salisilik asid çözeltisinden farklı konsantrasyonlarda çözelti hazırlayarak bir absorbans-konsantrasyon kalibrasyon eğrisi çizilir ve bu kalibrasyon eğrisi ile konsantrasyonu bilinmeyen bir salisilik asid çözeltisinin konsantrasyonunun tayin edilmesi.





2. TEORİ:




2.1.)ULTRAVİOLET

Ultraviolet ( morötesi ) ışınları elektromanyetik spektrumda X-Ray ile Görünür Bölge arasında yer alır. UV ışınlarının dalga boyları 100 ile 400 nm aralığındadır.
UV ışınlarının soğurulması maddede elekronik geçişlere sebep olur. (elektronik geçiş: Elektronların düşük enerjili temel hal orbitallerinden yüksek enerjili uyarılmış hal orbitallerine geçmesidir.) Soğurulan bu enerji daha sonra ısı, ışın, kimyasal tepkime olarak geri verilir.


2.2.) UV spektrofotometresi:

Ultraviyole spektrofotometre, kimyasal maddelerin UV (200 -380 nm) alanındaki spektrum analizleri için kullanılır. Işık kaynağı olarak, yüksek baskı altındaki hidrojen veya deuterium deşarj lambası (200-375 nm arasında ışın verir) kullanılır.

Genellikle UV spektrofotometreler görünür bölge ile birleşik haldedir ve UV-visible olarak adlandırılırlar. Bu tür spektrofotometreler dalga boyları 100 ile 800 nm arasında değişen ışınlarla tarama yapar. UV ve Görünür Bölge ışık kaynakları aynı sistem içinde kullanılır. Software sayesinde 100 - 400 nm arasında UV ,400 - 800 nm arasında Görünür Bölge ışık kaynağı kullanılır. Ayrıca UV-Visible spektrofotometrelerde derişimleri arasında ölçüm yapılmaktadır. Bu sistemde ışık kaynağından çıkan ışık önce slitten geçerek ışık bölücüye kadar gelir. Burada ışık iki eşit parçaya bölünerek uygun optik sistem yardımıyla referans ve örnek küvetine ayrı ayrı gönderilirler. Küvetlerden çıkan ışık dedektörlere gelir ve burada bu ışık şiddetleri ölçülür ve kaydedilir. Daha sonra elde edilen datalar Absorbansa karşı dalga boyu grafiğine geçirilir ve gerekli hesaplamalar grafik yardımı ile yapılır.



2.3.) UV ve Görünür Bölge Absorpsiyon Spektrofotometreleri

Spektrofotometri renkli maddelerin, bir ayraçla renklendirilen maddelerin ve bazı renksiz maddelerin soğurduğu ışık şiddetini ölçerek yapılan bir analizdir.
Spektrofotmetrelerde dalga boyu analiz yöntemidir. Değiştirilerek dalga boyuna karşı absorbans veya transmitans ölçümü alınır.

Basit Bir Spektrofotometrenin Elemanları

Işık kaynakları:UV ve görünür bölgede D2, W, H2 ve Xe gibi sürekli ışık kaynakları kullanılır.
Monokromatör: (Dalgaboyu Seçicileri) Işık kaynağından gelen polikromatik ışıktan (birden fazla dalgaboyundaki ışık), monokromatik ışık (tek bir dalgaboyunda olan ışık) elde etmek için kullanılan düzenektir. UV ve görünür bölgede prizmalar veya optik ağ adını alan parçalar kullanılır.
Örnek kabı: Eğer 200 ile 320 nm arasındaki bir dalgaboyunda çalışılacaksa örnek kabının kuartzdan yapılmış olması gereklidir. Çünkü bu dalgaboyu aralığında kuartz, ultraviyole ışığı geçirebilir. 320-700 nm arasında bir bölgede çalışılacaksa, örnek kabının camdan yapılmış olması yeterlidir.
Dedektör: Örneğin ışığı absorplayıp absorplamadığını anlamak için, ışık kaynağından gelen ışığın şiddeti dedektör ile ölçülür. UV ve görünür bölgede fotovoltaik veya fotoiletken dedektörler, fototüpler ve fotoçoğaltıcı tüpler dedektör olarak kullanılmaktadırlar.
Spektrofotometrelerde bu ana bileşenlerden başka ışığı toplamak, yansıtmak, bölmek amacıyla mercekler, aynalar, ışık bölücüleri de kullanılır.
Bir bileşiğin hangi dalga boyunda absorbsiyon yaptığını bulmak için absorbsiyon eğrisini saptamak gerekir. Bunun için sözkonusu bileşiğin değişik dalga boylarındaki uygun aralıklarla absorbsiyonu y eksenine , dalga boyu ise x eksenine işaretlenerek bir eğri elde edilir. Bu eğriye absorbans eğrisi denir. Kantitatif ölçümlerde λ max ölçüm için kullanılır. λ max değerinin dışında bir dalga boyunda çalışılması absorbsiyonun az olmasına yol açar.
Aşağıdaki absorbans eğrisinden de anlaşılacağı gibi λ max değerinde maksimum absorbans elde edileceği görülür. Absorbans eğrisinin sağında veya solunda λ değerlerindeki oynamanın, λ max değeri yakınlarındaki oynamalardan daha çok absorbansa yansıyacağı grafik üzerinde görülmektedir.

Her bir renkli sıvı, normal ışığı oluşturan ışıklardan bir yada birkaçını absorblar. Öbürlerini de az yada hiç absorblamaz, olduğu gibi geçirir. Buna göre kırmızı bir çözeltiyi ölçmek için spektrofotometride kulanılacak

ışık, yeşil bir ışık olmalıdır. (komplementer renkler)

Dalga Boyu                             Bölge                  Gözle Görünen Renk

<380                           UV                   Görünmez

380-440                        Görünür                      Mor

440-500                        Görünür                     Mavi

 500-580                      Görünür                        Yeşil

580-600                      Görünür                          Sarı

600-620                       Görünür                   Turuncu

620-750                       Görünür                      Kırmızı

750-2000                          IR                       Görünmez

İnsan gözünün yanıt verdiği ışınsal enerji 400-750 nm arasındaki bölgeyi kapsar.
Bu ışınların ölçümleri insan gözüyle değilde spektroskopik yöntemlerle yapıldığında daha hassas sonuçlar elde edilir. Bunun içinde Lambert-Beer yasasından faydalanılır.

2.4.) Lambert- Beer Yasas
Maddenin ışığı soğurma (absorplama) derecesini ölçmek ve bundan yararlanarak derişimi saptamak için, soğurma ile derişim arasındaki ilişki bilinmelidir. Monokromatik (tek dalgaboylu ışıma) ve Io şiddetindeki bir ışık demeti, kalınlığı b cm olan bir tüpte bulunan çözeltideki herhangi bir molekül tarafından absorplandığında şiddeti azalır ve tüpü I şiddetinde terkeder. Moleküllerin seçilen dalgaboyundaki ışımayı absorplaması sonucu ortaya çıkan azalma Beer- Lambert eşitliği ile verilir
Renkli bir çözeltiye giren ışığın şiddeti I0, çözeltiden çıkan ışığın şiddeti I ise I’nın Io’ oranına geçirgenlik veya transmisyon denir ve “T” ile gösterilir. Transmitans ile absorbans

A = - log T = log I / T = log 100 / %T

A = log 100 - log %T

A = 2 - log %T

A = log( I0/I)

Absorbans; giren ışın şiddetinin çıkan ışığın şiddetine oranının logaritmasıdır.
Yasa A = εbc şeklinde ifade edilir. ε, Molar soğurma katsayısı,b örnek kalınlığı ve c ise derişimi ifade eder.
Bir çözeltinin transmitansı ve absorbansı; ışığın geçtiği yolun kalınlığına (küvet kalınlığı), çözeltinin konsatrasyonuna ve her bileşik için sabit olan molar soğurma katsayısına bağlıdır.
Beer- Lambert eşitliğinin geçerli olması için; uygulanan ışık monokromatik olmalıdır, örnek homojen olmalıdır ( absorpsiyonun örneğin her yerinde eşit olması) ve birden fazla bileşen varsa, her bir bileşen diğerlerinin absorpsiyonunu etkilememelidir

2.5.) Lambert-Beer Yasasından Sapmalar

Derişim Etkisi: 10-2 M dan daha derişik çözeltilerde sapma olur. Nedeni artan tanecik sayısı nedeniyle taneciklerin etkileşimleri artar ve molar soğurma katsayısını değiştirirler. Ortamdaki soğurum yapmayan türler fazla ise de sapma olur. Kırılma indisi derişimle artar. Ancak bu düzeltilebilr. 10-2 M dan daha derişik çözeltilerde kırılma indisi önemsizdir.

Kimyasal Sebepler: Soğurma yapan türün derişimi kimyasal reaksiyonlar sonucu değişiyorsa absorbans da değişir. Ortamdaki asitler ve çözgen önemli etkendir.

Cihazdan Kaynaklanan Sebepler: Etkin bant genişliği ebg geniş olan cihazlarda seçimlilik az olacaktır. Çünkü dalga boyu aralığı biraz fazla olacağı için soğurma yapan başka türlerde ölçülmüş olur. Cihazın parçalarından kaynaklanan saçılmalar ve yansımalar dedektöre ulaşırsa yanlış değerler elde edilir.
2.6.) Spektrofotometrik Analizler
Nitel Analizler: Geniş uygulama alanları, yüksek duyarlılık, seçimlilik ve tekrarlanabilirliğin iyi olması, uygulanabilirlik ve hızlılığın iyi olması gibi nedenlerle tercih edilirler.
Nicel Analizlerde: Uygun dalga boyu seçilmeli. Ortamın pH değeri iyi ayarlanmalı. Farklı iki türün molar soğurma katsayılarının aynı olduğu dalga boyu (izobestik nokta) ve her iki türün dengede olduğu pH seçilir.
 Ayrıca reaktif derişimi ve sıcaklıkta önemlidir.
Nicel analizler; tek standartla, kalibrasyon eğrisi ile ve standart katma metodu ile yapılabilir. Kalibrasyon grafiğinde absorbans ile derişim arasında grafik çizilir. Örneğin absorbası grafik denkleminde y değeri yerine konularak derişim (x değeri) bulunur. Veya örneğin absorbansının eğriyi kestiği yerden x eksenin dikme indirilerekte aynı şekilde örneğin derişimi bulunabilir.

2.7.) MOT İLE DALGA BOYU ARASINDAKİ İLİŞKİ
Basit bir serbest-elektron moleküler orbital modeli, poliasetilen gibi lineer zincirli atomlardan yapılan iletken, yarıiletken ya da yalıtkan bir malzemeyi nicel olarak tanımlamak için ihtiyaç duyulan minimum elemanları bize sağlar. d mesafesiyle birbirinden ayrılan N atomlu bir dizi farz edelim. Zincirin toplam uzunluğu (N–1)d veya büyük N için yaklaşık olarak Nd olsun. Bir boyutlu kutudaki (kutunun içinde potansiyel sıfır ve dışında sonsuz) serbest parçacığın, kuantum mekaniksel modele göre, dalga fonksiyonlarına (Şek. 6) aşağıdaki özdeğer serisi karşılık gelir.

(4)

Burada h Planck sabitidir. m elektronun kütlesi ve n kuantum sayısıdır.
Moleküler orbital başına iki elektron olmak üzere (pauli dışarlama prensibine göre), N tane p-orbitalindeki elektronların, bu seriye uygun biçimde, moleküler orbitallere yerleştirildiğini farz edersek, en yüksek dolu orbital (HOMO) aşağıda verilen enerjiye sahip olur.

(5)

En düşük boş moleküler orbitalin enerjisi de aşağıdaki gibi olur.

(6)

Bir elektronu HOMO dan LUMO ya uyarmak için gerekli enerji ise

(7)

olur. Bu bağıntıdan, polimer uzunluğunun artması ile band gapın (1/N ile) azaldığı açıkça görülür ve böylece makroskobik boyutlarda pratik olarak tamamen kalkacaktır.

d)

Şekil 6 Serbest elektron modeli (L uzunluğunda bir boyutlu kutu): (a) Enerji seviyeleri ve (b) dalga fonksiyonları. Belli bir konumda dalga fonksiyonunun karesi, parçacığın bu konumda bulunma olasılığıdır. Model çok elektronlu moleküler orbital tanımına uygulanmıştır: (c) de 16 elektron ilk sekiz moleküler orbitali doldurmuştur. En yüksek dolu molekler orbital HOMO ile belirtilmiştir, sonraki boş olan da LUMO ile gösterilmiştir. (d) de bir elektron HOMO dan LUMO ya yükseltilmiştir (zıt spinli olacak şekilde, S = 0).




Başka modeller de nitel olarak benzer bilgiler verebilir. Bunlar; p elektronlu sistemler için Hückel modeli veya daha gelişmiş yarı-ampirik modeller ve data programları veya ab initio modellerdir (örneğin John Pople’nin Gaussian programları, 1998 Nobel kimya ödülü). Çok elektronlu sistemler için toplam dalga fonksiyonu bir durumu oluşturur (en basit modelde bir elektronlu dalga fonksiyonlarının hepsinin çarpımıdır, örneğin dolu orbitaller) ve onun enerjisi tüm sistemin enerjisidir. Çift sayıda elektronlar durumunda, her iki elektron en düşük enerjili orbitalden başlayarak her bir orbitale yerleştirilir ve böylece taban durumuna karşılık gelen Şek.6 c deki gibi bir yapıya sahip oluruz. Bütün elektronlar çiftlendiğinden toplam spin açısal momentumu S sıfırdır, dolayısıyla madde manyetik değildir.
Eğer dolu moleküler orbitallerin birinden bir elektron, üstte boş moleküler orbitallerden birine taşınırsa (Şek.6 d), uyarılmış bir elektron konfigürasyonu oluşur ve buna karşılık gelen uyarılmış durum taban durumundakinden daha yüksek bir enerjiye sahip olur. Taban durumu ve uyarılmış durum arasındaki minimum enerji farkı (band gap), düşük düzeyde bir pozitif yük ya da “hole” ve üst orbitallerde (boş orbitallerde) de bir elektronlu yük çifti oluşturmak için gerekli enerjiye karşılık gelir. Eğer düşük orbitalde tek kalan elektronun spini ile uyarılmış elektronunki birbirine zıt ise, S yine sıfırdır (S = 1/2 – 1/2 =0) ve uyarılmış durum bir singlet durumdur (manyetik değildir). Hâlbuki iki spin paralel olursa, S = 1/2 + 1/2 = 1 olur ve bu duruma da triplet durum denir (madde paramanyetiktir, yani molekül elektron spininden dolayı sürekli bir manyetik dipol momente sahiptir).
Bizim basit serbest-elektron modelimizde (Denk.7) band gapın yeterince uzun zincir için sıfır olacağını ve bu nedenle de poliasetilenin bir iletken gibi davranabileceğini gördük. Deneysel olarak, band gap maddenin elektronik spektrumundaki birinci absorbsiyon bandının dalga boyu ile orantılıdır. Böylece, enerji şartı yerine getirilirse, l dalga boyuna sahip bir foton, bir elektronu HOMO düzeyinden LUMO ya uyarabilir. Bu şart

(8)

dir. Burada h Planck sabiti ve n ışığın frekansı (n=c/l) ve c de ışığın hızıdır. Bu yüzden, polienler uzunluğu artıkça absorbsiyonun dalga boyu da uzar: Etheneden butadiene, hexatriene doğru çift bağlar ekleyerek daha uzun konjüke moleküller yapıldığında, band gap DE de azalır, fakat Denk.7 ki gibi değil. Böylelikle bir üst limitin varlığı ortaya çıkar ve bu üst limitin dışında yapılacak daha fazla konjügasyondan sonra sonsuz lineer poliene değişim oluşmaz. Bu yakınsama birkaç teorik öngörü ile de teyit edilmiştir. Bunların ilki 1937 de Lennard-Jones tarafından ileri sürülmüştür. Böylece, önemli bir band gap ve dolu valans orbitallerine sahip poliasetilenin bir iletken olması beklenmez. 10–5 – 10–7 civarında kendine özgü (intrinsic) bir iletkenliği ile poliasetilen bir yarıiletkendir. Yarıiletkenlerden beklendiği gibi, elektronların termal uyarılmalarının gerekli bir sonucu olarak, sıcaklık azaldıkça iletkenlik de azalır (T = 0 da sıfırdır). Aksine, metallerin iletkenliği sıcaklık azaldıkça artar.
Aşağıdaki şekilde poliasetilenin optik absorbsiyon spektrumu gösterilmiştir. p ve p* orbitalleri arasındaki HOMO-LUMO gapı 1.7eV civarındadır. Bu değer, yaygın inorganik yarıiletkenler için gözlenilen gap değerine benzerdir. Bunlar: GaAs 1.43eV, Si 1.14eV ve Ge 0.67 eV. Dolayısıyla katkılama mekanizmi, band gap içinde (“aragap: midgap” durumlar), elektronların termal uyarılmayla atlayabileceği lokalize durumların üretilmesiyle, açıklanabilir.

Şekil 7 Katkısız poliasetilenin optik absorbsiyonu (eğri 1). Klasik bir yarıiletken gibi numune, band gapdan (1.7eV) daha düşük foton enerjisine sahip ışık için, saydamdır (transparan). 2 ve 3 eğrileri artan dopant (katkılama maddesi) ile poliasetilenin absorbsiyonunu göstermektedir.



3.) DENEYİN YAPILIŞI

1000 ppm lik bir salisilik asid stok çözeltisinden 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, ve 40 ppm lik çözeltiler hazırlandı. Hazırlanan bu çözeltiler sırayla UV-VIS spektrofotometresine konularak absorbans değerleri ölçüldü ve konsantrasyonlarına karşılık absorbans grafiği çizildi. Çizilen bu grafik yardımıyla konsantrasyonu bilinmeyen salisilik asid çözeltisinin konsantrasyonu tayin edildi.





4.)VERİLER VE HESAPLAMALAR

Grafik.1.Absorbansa karşılık konsantrasyon grafiği

UV-VIS spektrofotmetresinde bilinmeyen çözeltimiz 0,327 abs olarak ölçüldü.

Bu grafikten yararlanarak konsantrasyonu bilinmeyen maddenin konsantrasyonunu ;




buradan

 dir.