7.1 Spektroskopia Flashcards
(4 cards)
Mitä on spektroskopia?
Spektroskopia tutkii säteilyenergia ja aineen (atomit, elektronit, molekyylit) välistä vuorovaikutusta. Spektrometria on tämän säteilyn mittaamista. Spektroskooppisia menetelmiä on useita, ja kukin niistä hyödyntää tiettyjä sähkömagneettisen säteilyn lajeja.
Molekyylien tai atomien absorboima säteilyenergia on absorptiospektroskopian perustana. Tähän spektroskopialajiin kuuluvat esimerkiksi ultravioletti- ja näkyvän valon alueen spektroskopia (UV/VIS-spektroskopia) sekä infrapunaspektroskopia (IR-spektroskopia). Vastaavasti molekyylien tai atomien siirtyminen korkeammalta energiatasolta alemmalle saa aikaan säteilyenergian vapautumisen eli emittoitumisen. Emissiospektroskopian tekniikat perustuvat tämän energian mittaamiseen.
Kerro UV/VIS-spektroskopiasta.
Ultraviolettivalon ja näkyvän valon aallonpituudet ovat energiatasoltaan sopivia virittämään molekyylin elektronin tai elektroneja. UV/VIS-spektroskopialla ei voi tehdä kovin tarkkoja johtopäätöksiä yhdisteen rakenteesta. Sen sijaan UV/VIS-absorptiota voidaan hyödyntää esimerkiksi pitoisuusmäärityksiin, reaktioiden seurantaan ja yhdisteiden detektointiin eli havainnointiin.
Kun absorptio mitataan eri aallonpituuksilla, saadaan piirrettyä yhdisteen absorptiospektri. pektri mitataan spektrofotometrillä, joka ilmaisee absorption suuruuden absorbanssina (A). Spektristä ilmenevä absorptioalue ja absorption voimakkuus riippuvat yhdisteen elektronirakenteesta. Jotta UV-absorptio voisi tapahtua, yhdisteessä tulisi olla vapaita elektronipareja tai 𝜋
-sidoksia. Erityisen hyvä absorptio on yhdisteillä, jotka sisältävät runkorakenteessaan vuorottelevia kaksoissidoksia ja yksinkertaisia sidoksia. Vuorottelevia kaksoissidoksia ja yksinkertaisia sidoksia kutsutaan konjugoituneiksi sidoksiksi. Tällöin virittymiseen tarvitaan myös vähemmän energiaa, joten absorptiota havaitaan pitemmillä aallonpituuksilla.
Spektrofotometrin pääkomponentit ovat valonlähde, monokromaattori, näytetila ja detektori eli ilmaisin. Kun valo saapuu monokromaattoriin, se hajotetaan hilan avulla eri aallonpituuksiin. Hila voidaan säätää siten, että vain tietty aallonpituus kerrallaan suunnataan näytteeseen. Valonsäde johdetaan näytekyvetin läpi. Läpäistyään näytteen valo tulee ilmaisimelle, joka mittaa valonsäteen intensiteetin ja muuntaa tuloksen näyttöruudulle absorbanssiarvoksi.
Mitä on IR-spektroskopia?
Infrapunaspektroskopia (IR-spektroskopia) soveltuu esimerkiksi molekyyliyhdisteiden rakenteiden tutkimukseen. Eri kovalenttiset sidokset absorboivat infrapunasäteilyä kullekin sidokselle ominaisella aallonpituudella. Säteilyn absorboituminen saa kovalenttiset sidokset värähtelemään. Värähtelyn vaikutuksesta sidokset venyvät tai taipuvat.
Kullakin yhdisteellä on sille ominainen IR-spektri, josta voidaan tehdä päätelmiä yhdisteen rakenteesta. IR-spektrin pystyakselin suureena on transmittanssi eli läpäisysuhde. Se on näytteen läpi kulkeneen säteilyn ja näytteeseen tulleen säteilyn voimakkuuksien suhde. Jos transmittanssi on 100 %, kaikki säteily etenee näytteen läpi ilman absorptiota. Vaaka-akselilla käytetään aallonpituuden sijaan aaltolukuyksikköä (cm-1), joka on säteilyn aallonpituuden käänteisluku. Aaltolukuyksikkö kuvaa, kuinka monta infrapunasäteilyn aallonpituutta mahtuu yhden senttimetrin matkalle.
IR-spektristä nähdään, millä säteilyn aaltoluvuilla sidoksiin absorboituu IR-säteilyä. IR-absorptio ilmenee IR-spektrissä alaspäin kääntyneinä piikkeinä. Piikin sijainnista voidaan päätellä, mikä funktionaalinen ryhmä on kulloinkin kyseessä. Jos IR-spektriä voidaan verrata spektrikirjastossa oleviin spektreihin, yhdiste voidaan usein myös tunnistaa, koska rakenteellisesti erilaisten yhdisteiden IR-spektrit eroavat toisistaan. Erityisesti niin sanotulla sormenjälkialueella (aaltoluku <1500 cm-1) on usein runsaasti piikkejä, ja on vaikea sanoa, minkä sidosten venytys- tai taivutusvärähtelyistä ne johtuvat. Piikit kuitenkin toimivat yhdisteen tunnistuksen apuna, kun yhdistettä vertaillaan kirjallisuudessa esiintyviin spektreihin.
Mitä on NMR-spektroskopia?
Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia (NMR-spektroskopia) paljastaa, minkä tyyppisiä atomeja näytteessä on. Tietyt atomiytimet, kuten vety-ytimet (protonit) käyttäytyvät voimakkaassa ulkoisessa magneettikentässä sauvamagneetin tavoin. Ytimet asettuvat magneettikentässä kentän suuntaisesti. Kun näytteeseen kohdistetaan hetkellisesti säteilyä radioaaltojen aallonpituudella, ytimet joutuvat hyrräliikkeeseen. Tämän hyrräliikkeen aiheuttama signaali havaitaan detektorilla. Esimerkiksi 1H-NMR-spektri perustuu tämän signaalin mittaukseen.
Protoni-NMR eli 1H-NMR menetelmän avulla selviää, millaisia vetyatomeja sisältäviä molekyylin osia yhdisteessä on ja mitkä molekyylin osat ovat lähellä toisiaan.
Molekyylin protonit näkyvät NMR-spektrissä eri kohdissa, jos protonit ovat erilaisessa kemiallisessa ympäristössä, eli jos protoneihin sitoutunut molekyylin osa on erilainen.
NMR-spektrin piikkien paikkoja tulkitaan niin sanotun kemiallisen siirtymän avulla. Kemiallinen siirtymä ilmaistaan ppm-arvona, joka kuvaa atomiytimen absorboiman energian eroa vertailuaineeseen.
