MASARYKOVA UNIVERZITA
PEDAGOGICKÁ FAKULTA
katedra chemie
Studijní materiál pro předmět fyzikální chemie
se zaměřením na disperzní soustavy
a optické metody
Příloha bakalářské práce
Brno 2008
Vedoucí práce: Autor práce:
Mgr. Hana Cídlová, Dr. Šárka Kabátková
Obsah
7. Disperzní soustavy............................................................................................................. 4
7.1 Typy a charakteristiky disperzních soustav................................................................... 4
7.2 Tvar dispergovaných částic .......................................................................................... 4
7.3 Disperzní soustava ....................................................................................................... 5
7.4 Typy disperzních soustav podle fází............................................................................. 5
7.5 Koloidní roztoky .......................................................................................................... 5
7.6 Příprava a vlastnosti koloidních roztoků....................................................................... 6
a) Fázové koloidy........................................................................................................... 6
b) Molekulární koloidy................................................................................................... 7
7.7 Brownův pohyb............................................................................................................ 7
7.8 Tyndallův jev ............................................................................................................... 7
7.9 Frakcionace.................................................................................................................. 8
Sedimentace................................................................................................................... 8
Frakcionační zařízení podle Kopeckého ......................................................................... 9
Elektroforéza.................................................................................................................. 9
Molekulová síta............................................................................................................ 10
Membránová filtrace .................................................................................................... 10
7.11 Emulze a pěny.......................................................................................................... 11
7.12 Aerodisperze ............................................................................................................ 11
Přirozená mlha ............................................................................................................. 11
Komplexní aerosoly ..................................................................................................... 11
Aerodisperze a životní prostředí................................................................................... 11
8. Optické metody................................................................................................................ 12
8.1 Přehled optických fyzikálně chemických a analytických metod.................................. 12
8.2 Refraktometrie ........................................................................................................... 12
8.3 Polarimetrie................................................................................................................ 15
8.4 Molekulová spektra.................................................................................................... 17
Obecné zákonitosti....................................................................................................... 17
Rotační spektra............................................................................................................. 18
Vibrační spektra (vibračně-rotační spektra) .................................................................. 20
Elektronová spektra (absorpční spektrofotometrie)....................................................... 21
8.5 Fluorescenční analýza ................................................................................................ 24
8.6 Nefelometrie a turbidimetrie....................................................................................... 26
8.7 Nukleární magnetická rezonance NMR ...................................................................... 26
Seznam konstant.................................................................................................................. 29
Seznam obrázků................................................................................................................... 29
Seznam tabulek.................................................................................................................... 29
7. Disperzní soustavy__________________________________________________________
4
7. Disperzní soustavy
Jde o takové typy dvoufázových a vícefázových soustav, kde jedna fáze je velmi jemně
rozptýlená (dispergovaná) ve fázi druhé (dispergující) tak, že tvoří mikroskopické až
submikroskopické objekty.
7.1 Typy a charakteristiky disperzních soustav
Typ disperze molekulární mikrodisperze hrubá
Charakteristický
rozměr částic
< 1 nm 1-500 nm > 500 nm
Označení pravý roztok koloidní roztok 
Pozorovatelnost
částic
ne
elektronový
mikroskop
mikroskop, oko
Odfiltrování částic ne jen tzv. ultrafiltrem filtrem
Osmotický tlak velký malý zanedbatelný
Difúze snadno pomalu ne
Příklad částic NH3, glukóza koloidní zlato, viry
červené krvinky,
bakterie aj.
Tab. 7. 1: Typy disperzních soustav podle velikosti částic.
7.2 Tvar dispergovaných částic
korpuskulární laminární fibrilární
Obr. 7. 1: Typy dispergovaných částic podle tvaru.
7. Disperzní soustavy
5
7.3 Disperzní soustava
* monodisperzní
Částice jsou stejně (téměř stejně) velké. Vzniká jen uměle za příznivých podmínek, nebo tzv.
frakcionací (viz dále).
* polydisperzní
Částice mají různé velikosti. Vzniká poměrně snadno v přírodě i v laboratoři.
7.4 Typy disperzních soustav podle fází
fáze dispergovaná
fáze dispergující
plyn kapalina pevná látka
plyn ­ mlha dým
kapalina pěna emulze
koloidní roztok,
gel, suspenze
pevná látka nemá zvláštní název
Tab. 7. 2: Typy disperzních soustav podle fází.
7.5 Koloidní roztoky
typ koloidních roztoků fázové molekulární
počet fází > 1 1
název soustavy heterogenní homogenní
stálost koloidu malá velká
vzniká kondenzací nebo dispergací rozpouštěním
stabilizován je adsorbovanými ionty solvátovým obalem
koagulace probíhá nevratně vratně
koagulace se uskuteční přídavkem soli
záměnou rozpouštědla,
vysolením
příklady Fe(OH)3, As2S3, S ve vodě
roztok klihu nebo želatiny ve
vodě
Tab. 7. 3: Charakteristika koloidních roztoků.
7. Disperzní soustavy__________________________________________________________
6
cKc

7.6 Příprava a vlastnosti koloidních roztoků
a) Fázové koloidy
* vznikají dispergací z pevné fáze nebo hrubých disperzí (= drcení, mletí, působení
ultrazvuku,...)
* kondenzací z pravých roztoků (chemické srážení,...)
Útvary tvořené částicemi fázového koloidu:
jádro + dvojvrstva = granule
granule + přilehlá vrstva roztoku s dalšími protiionty = micela
Obr. 7. 2: Struktura částic u fázových koloidů.
Je-li v roztoku nižší koncentrace dispergované látky než ck (kritická micelární
koncentrace), micely nevznikají. Ionty v roztoku jsou volně pohyblivé a elektrická vodivost
roztoku je ,,dobrá". Při překročení kritické micelární koncentrace ck vznikají micely a vážou
v sobě ionty. Ty se tím stávají málo pohyblivými a elektrická vodivost roztoku při vzniku
micel prudce klesá (Obr. 7. 3).
Podobně se při překročení ck mění i jiné fyzikální vlastnosti roztoku, např. povrchové napětí.
ck...kritická micelární koncentrace
.....povrchové napětí
c.....koncentrace
Obr. 7. 3: Závislost povrchového napětí v roztoku na koncentraci látky schopné tvořit micely.
7. Disperzní soustavy
7
b) Molekulární koloidy
* vznik rozpouštěním vysokomolekulárních organických látek, např. bílkovin,
nukleových kyselin, polysacharidů, kaučuků, polyesterů,...
Struktura částic: podobná jako u fázových koloidů: jádro, granule, micela
náboj jádra: ionizované funkční skupiny: ­ NH3
+
, ­ COO­
,...
obal jádra: solvátový (=molekuly rozpouštědla)
7.7 Brownův pohyb
= neustálé nepravidelné pohyby vykonávané koloidními částicemi (objevil Brown na zrnkách
pylu ve vodě). Intenzita pohybu roste s teplotou a se zmenšujícími se rozměry částic. Růst
viskozity prostředí tento pohyb tlumí.
Brownův pohyb lze pozorovat např. v tzv. ultramikroskopu.
Toto zařízení využívá Tyndallův jev = rozptyl světla na koloidních částicích.
7.8 Tyndallův jev
pravý
roztok
koloidní
roztok
hrubá
disperze
h h h
a) b) c)
Obr. 7. 4: Interakce světla s různými typy disperzních soustav.
Z obr. 7. 4 plyne, že koloidní roztok ,,svítí" i ve směru kolmém ke směru dopadajícího
paprsku. Tento jev se nazývá ,,Tyndallův jev". Koloidní částice pak lze pozorovat jako zářící
body na temném pozadí (v ultramikroskopu). Kromě toho existuje i jiný mechanismus vzniku
rozptylu světla (tzv. Rayleighův rozptyl a tzv. Ravanův rozptyl), který s Tyndallovým jevem
nemá nic společného.
7. Disperzní soustavy__________________________________________________________
8
7.9 Frakcionace
a) Sedimentace
b) Frakcionace dle Kopeckého
c) Elektroforéza
d) Molekulová síta
e) Membránová filtrace
Sedimentace
Na částice při sedimentaci působí tyto síly:
1) gravitační síla (odstředivá síla v centrifuze)
2) brzdící síla ( Stokesův zákon)
3) Archimedova síla
4) Osmotická síla ( difúze)
Jsou-li sedimentující částice malé a těžké, jsou síly 2-4 zanedbatelně malé proti síle
gravitační  částice spadnou na dno nádoby.
Jsou-li sedimentující částice velké a lehké, budou síly 2-4 srovnatelné se silou
gravitační a částice zůstanou ,,plavat" v roztoku. Mezi všemi silami se ustaví rovnováha.
Nastane tzv. sedimentační rovnováha (Obr. 7. 5).
Pokud je v koloidním roztoku směs částic
o různých rozměrech nebo hmotnostech,
budou se při sedimentační rovnováze každé
částice nacházet v takové výšce, která jim
,,vyhovuje" (na tom je založen jeden
z principů frakcionace polydisperzních
směsí).
Obr. 7. 5: Poloha různých částic v koloidním roztoku při sedimentační rovnováze.
7. Disperzní soustavy
9
Frakcionační zařízení podle Kopeckého
Analogie: Pohyb kamení, písku a drobných částic v řece.
Obr. 7. 6: Schéma zařízení pro frakcionaci hrubých disperzí podle Kopeckého.
Elektroforéza
Na každém fázovém rozhraní vždy vzniká určitý potenciálový rozdíl   (viz kapitola
Elektrochemie).
Z toho plyne, že:
1) dispergované částice (tuhé) mají jiný elektrický potenciál než fáze dispergující
(kapalina)  po aplikaci elektrického pole se tuhé částice pohybují jinam než kapalina
2) kapalina v kapiláře má jiný elektrický potenciál než kapilára  po aplikaci
elektrického pole se kapalina v kapiláře začne pohybovat
Z výše uvedených důvodů dochází k tzv. elektrokinetickým jevům:
* Elektroosmóza: Prochází-li elektrický proud kapalinou v kapiláře, je tato kapalina
uvedena do pohybu.
* Potenciál proudění: Je-li roztok elektrolytu protlačován kapilárou, vzniká na
opačných koncích roztoku (tj. mezi oběma konci kapiláry) elektrické napětí.
* Elektroforéza: Je-li na koloidní roztok vloženo elektrické napětí, dojde k pohybu
dispergovaných částic.
* Sedimentační potenciál: Jsou-li dispergované částice uvedeny do uspořádaného
pohybu (např. sedimentací), vznikne na koncích sloupce kapaliny s těmito částicemi
elektrické napětí.
7. Disperzní soustavy__________________________________________________________
10
Využití elektroforézy
Příklad: Oddělení různě velkých molekul DNA: povrchová hustota náboje všech molekul
DNA je přibližně stejná ( kladný náboj  směr pohybu od záporné ke kladné elektrodě),
avšak větší molekuly jsou méně pohyblivé, proto zůstanou blíže u startu.
Obr. 7. 7: Elektroforéza DNA.
a) Experimentální uspořádání DNA.
b) Výsledek elektroforézy.
Molekulová síta
jsou polymerní látky (gely, hlinitokřemičitany - zeolity) s pórovitou strukturou nebo dutinami,
dělící látky podle jejich tvaru a velikosti.
Gely
se využívají např. v tzv. gelové chromatografii. Při ní stacionární fází je polymerní gel
pravidelného prostorového uspořádání, mobilní fází je kapalina. Složky se dělí na základě
rozdílné velikosti molekul. Látky, jejichž molekuly jsou větší než průměr pórů v gelu,
nemohou do něj proniknout a postupují vpřed s mobilní fází. Menší molekuly pronikají do
prostorových ,,ok" a jejich pohyb se zpomaluje.
Zeolity
se využívají též. k čištění (např. sušení) rozpouštědel. Mají krystalovou mřížku tvořící
definované dutiny, které mají pro jednotlivé druhy molekulových sít charakteristický rozměr,
do nich se selektivně vážou malé molekuly (kromě vody např. i methanol apod.). Jejich
výhodou je vysoká kapacita, možnost jejich regenerace vyžíháním, a vysoká chemická
inertnost. Právě jejich inertnost umožňuje vysušení rozpouštědel nasypáním vyžíhaného
molekulového síta do láhve s rozpouštědlem a delším stáním.
Membránová filtrace
Vyrábějí se filtry s různou velikostí pórů. Více viz studijní materiál pro předmět laboratorní
technika, viz stránky http://www.ped.muni.cz/wchem/sm/hc/labtech/soubory/FisherSci.pdf,
str. 128 a následující.
START, komůrky
obsahují 4 vzorky DNA a standard
Výsledek (po obarvení):
Polohu pásů srovnáme se
standardem
standard
vzorky
a) b)
7. Disperzní soustavy
11
7.11 Emulze a pěny
- nestálé, stabilizují se tzv. emulgátory a pěnotvornými činidly (tj. pomocí mýdel, saponátů,
molekulárních koloidů, ...)
Př.: Ztuhovač šlehačky = molekulární koloid
Flotace
je technologický proces využívaný k čištění nebo oddělování různých hornin, rud,...
Provedení: Do suspenze pevné látky se pod tlakem přivádí vzduch. Za přítomnosti vhodných
smáčedel ulpínají vzduchové bublinky jen na vybraném druhu částeček, které unášejí vzhůru
k hladině. Tam jsou mechanicky oddělovány od zbylé disperze. Metoda je vhodná pro drahé
materiály, kterých je v rozdrceném materiálu málo (např. zlato, platina,...).
7.12 Aerodisperze
(mlhy, dýmy)
Přirozená mlha při 5 °C má většinu vodních kapiček s průměrem 40 m. Menší kapičky
jsou nestabilní (spojují se na větší), větší kapičky sedimentují (déšť).
Komplexní aerosoly
a) mlha s charakterem dýmu (na kapičkách vody se zachytil prach)
b) dým s charakterem mlhy (prach je obalen vrstvičkou vody)
Aerodisperze a životní prostředí
vznik aerodisperzí
* přirozeně (mraky, větrem zvířený prach, popel ze sopečných výbuchů,...)
* lidskou činností (emise průmyslového odpadu, dopravní prostředky ­ prach,
spaliny,...)
Prachy a dýmy = příčina chorob (silikóza, alergie,...)
Exhalace SO2: působením slunečního záření SO2  SO3, pak SO3 + H2O  H2SO4
 ,,prší H2SO4" ­ silně agresivní déšť či mlha
CO, CO2, SO2, SO3 + vzdušná vlhkost = ,,reduktivní" smog
oxidy dusíku, O3, vzdušná vlhkost, prach = ,,oxidativní" smog
Zachycení plynných exhalátů: kapalné absorbéry
Zachycení dýmů, popílku: mechanické a elektromechanické filtry
8. Optické metody____________________________________________________________
12
8. Optické metody
8.1 Přehled optických fyzikálně chemických a analytických metod
Obr. 8. 1: Přehled optických fyzikálně chemických a analytických metod
8.2 Refraktometrie
Založena na měření indexu lomu n
Index lomu = fyzikální veličina definovaná jako poměr rychlosti světla ve vakuu c k rychlosti
světla v měřené látce v
v
c
n = (8. 1)
n....... index lomu
c........rychlost světla ve vakuu
v....... rychlost světla v měřené látce
Měření indexu lomu: přístroj: refraktometr
Velikost indexu lomu pro danou látku závisí na teplotě a vlnové délce  světelného záření.
8. Optické metody
13
Význam symbolů v zápise indexu lomu
Příklad: 25
3,589n
Symboly znamenají že: index lomu byl měřen při teplotě 25 C a vlnové délce 589,3 nm
(sodíková výbojka, značka D  25
Dn )
Závislost ( )wfn = , kde w je hmotnostní zlomek jedné složky je pro dvojsložkové směsi
nelineární.
Proto byla zavedena tzv. specifická refrakce r:


+
-
=
1
2n
1n
r 2
2
(8. 2)
r........specifická refrakce
....... hustota směsi (= měřeného vzorku) g cm­3
n....... index lomu
Závislost ( )pfr = je lineární (Obr. 8. 2).
Závislost ( )wfn = není lineární.
Molární refrakce R:
rMR = (8. 3)
R.......molární refrakce (cm3
mol­1
)
r........specifická refrakce
M......relativní molekulová hmotnost čisté látky (g mol­1
)
Specifická refrakce pro směs dvou látek:
2211 wrwrr += (8. 4)
r1.......... specifická refrakce 1. čisté látky
r2.......... specifická refrakce 2. čisté látky
w1.........hmotnostní zlomek 1. látky ve směsi
w2.........hmotnostní zlomek 2. látky ve směsi
8. Optické metody____________________________________________________________
14
Obr. 8. 2: Závislost specifické refrakce čisté látky na hmotnostním zlomku látky ve směsi.
Hodnotu molární refrakce čisté látky je možno zjistit:
a) z tabelované nebo měřené hustoty a indexu lomu
Příklad:
Určete molární refrakci H2O.
H2O: M = 18,0153 g mol­1
, n25
= 1,3325,  = 0,99705 g cm­3
Řešení:
13
2
2
2
2
molcm712,3
99705,0
0153,18
23325,1
13325,1
R
M
2n
1n
R
-
=
+
-
=


+
-
=
Molární refrakce H2O činí 3,712 cm3
mol­1
.
b) z tabelovaných molárních refrakcí např. molárních atomových refrakcí
Příklad:
Určete molární refrakci H2O.
H2O: R(H) = 1,100 cm3
mol­1
R (­O­) = 1,525 cm3
mol­1
Řešení:
( )
13
2
2
molcm725,3525,11,12)OH(R
)O(RHR2)OH(R
-
=+=
--+=
Molární refrakce H2O činí 3,712 cm3
mol­1
.
EtOH = 1 MetOH = 1
r1
r2
ww
8. Optické metody
15
8.3 Polarimetrie

nepolarizované
záření
polarizátor
lineárně polarizované
záření
kyveta s opticky aktivním vzorkem
Obr. 8. 3: Chování záření při průchodu opticky aktivním vzorkem.
Z Obr. 8. 3 plyne, že při průchodu lineárně polarizovaného záření opticky aktivním
vzorkem dojde ke stočení roviny lineárně polarizovaného světla o úhel .
Polarimetrie je metoda založená na měření tohoto úhlu . Pro roztok dané látky o dané
koncentraci závisí na teplotě a vlnové délce: t
 (význam údajů , t je stejný jako u index
lomu).
Nutná podmínka optické aktivity: Prostorový model molekuly nesmí být možné žádným
přesunem v prostoru převést na jeho zrcadlový obraz (= vztah pravé a levé dlaně).
Řecky ,,chiros" = dlaň  popsaná vlastnost molekul = chiralita.
Obr. 8. 4: Příklady chirálních objektů.
Má-li být látka opticky aktivní, pak její molekuly nesmí mít střed symetrie ani rovinu
symetrie.
8. Optické metody____________________________________________________________
16
Opticky aktivní jsou některé organické látky obsahující tzv. asymetrický atom (C, N,
P, S, As...). Je-li asymetrických atomů v molekule víc, nemusí být látka opticky aktivní, ale
může.
Opticky aktivní látky s jedním centrem chirality mohou existovat ve dvou izomerních
formách, tzv. optické antipody ­ liší se pouze prostorovým uspořádáním atomů
v molekule a směrem stáčení roviny lineárně polarizovaného světla. Všechny ostatní
fyzikální vlastnosti mají shodné.
CH3 Br
Cl
H
CH3Br
Cl
H
Obr. 8. 5: Optické antipody.
Ekvimolární směs obou optických antipodů = racemická směs ­ rovinu polarizovaného
světla nestáčí.
Velikost optické otáčivosti
Pro naměřený úhel t
 (= optická otáčivost vzorku) platí:
a) pro soustavu obsahující jednu opticky aktivní látku:
i,m
t
i,
t
i, c][ l = (8. 5)
t
][  ...specifická optická otáčivost
l ...... délka optické dráhy (cm)
cm,i..... hmotnostní koncentrace i-té složky v roztoku
V
m
c i
i,m = (8. 6)
mi......hmotnost i-té složky v roztoku
V......objem roztoku
b) pro roztok více opticky aktivních látek:
  =
i
t
i,
t
(8. 7)
t
 .... optická otáčivost pro roztok obsahující současně více opticky aktivních látek
t
i, ....optická otáčivost i-té opticky aktivní látky v roztoku
8. Optické metody
17
8.4 Molekulová spektra
Obecné zákonitosti
Molekulová spektroskopie: studuje interakci molekul s elektromagnetickým zářením.
Poskytuje informace o struktuře molekul, navazuje na kvantovou mechaniku.
Elektromagnetické záření
nahlížíme dualisticky tj. současně
a) jako vlnění

=
c
(8. 8)
....... kmitočet (frekvence)
c........rychlost světla ve vakuu
....... vlnová délka
b) jako proud částic (fotonů)
Interakce elektromagnetického záření s molekulami
Atomy a molekuly existují v diskrétních energetických stavech. Při přechodech mezi těmito
stavy dochází k pohlcování (absorpci) nebo uvolňování (emisi) energie ve formě fotonů. Pro
absorpci či emisi energie ve formě elektromagnetického záření platí:
= hE (8. 9)
E..... energie jednoho fotonu a současně energetický rozdíl mezi dvojicí energetických
hladin, mezi kterými přeskakoval elektron
h....... Planckova konstanta
....... frekvence absorbovaného nebo emitovaného záření
Celkovou změnu energie molekuly můžeme rozložit na příspěvek elektronový,
vibrační a rotační:
(8. 10)
E = EEL + EVIB + EROT
EEL >> EVIB >> EROT
8. Optické metody____________________________________________________________
18
Rotační spektra
(IR = v infračervené oblasti)
EROT  změny způsobu rotace molekuly
EROT je malé  vlnová délka je velká  rotační spektrum se projevuje v infračervené
oblasti
Nutná podmínka vzniku rotačního spektra:
0
r

r
...dipólový moment studovaných molekul
Z podmínky 0
r
plyne, že:
H2...nemá rotační spektrum, 02
=H
r
HCl...má rotační spektrum, 0HCl
r
Obr. 8. 6: Rotačního spektrum H35
Cl.
B......rotační konstanta molekuly T...transmitance ...vlnová délka
Transmitance:
II0
vzorek
%100
I
I
T
0
= (8. 11)
I0.......intenzita záření vstupujícího do vzorku
I........intenzita záření vystupujícího ze vzorku
8. Optické metody
19
Pro vzdálenost dvou čar v rotačním spektru platí:
B2
11
12
=

-

(8. 12)
B.......rotační konstanta molekuly
....... vlnová délka
Ic8
h
B 2

= (8. 13)
h....... Planckova konstanta
c........rychlost světla ve vakuu
I........moment setrvačnosti molekuly
Pro HCl: 2
ClH
ClH
r
mm
mm
I 
+
= (8. 14)
mH........hmotnost H
mCl.......hmotnost Cl
r........vzdálenost atomů
Z naměřené hodnoty B a známých hmotnostní atomů lze vypočítat vzdálenost atomů.
IR rotační spektroskopie je nejpřesnější metoda určování meziatomových vzdáleností.
Příklad:
Pro HCl bylo zjištěno: B = 10,5922 cm­1
= 1059,22 m­1
, Ar(H) = 1,008, Ar(Cl) = 35,453,
NA = 6,0221023
mol­1
, h = 6,62610­24
J s. Určete vzdálenost atomů H  Cl.
Řešení:
Využijeme vztahy č. 8. 13 a 8.14
m102745,1r
r
10887,510674,1
10887,510674,1
1064,2r
mm
mm
I
kg10887,5mkg10674,1
N
)H(A
m
mkg1064,2
Bc8
h
I
Ic8
h
B
10
2
2627
2627
472
ClH
ClH
26
HCl
27
A
r
H
247
22
-
--
--
-
--
-
=

+

=
+
=
===
=

=

=
1 = 10­10
m; 1 nm = 10­3
m r = 1,2745
Vzdálenost středu atomu H od středu atomu Cl je rovna 1,2645 10­10
m.
H
Cl
r
8. Optické metody____________________________________________________________
20
Vibrační spektra (vibračně-rotační spektra)
(IR = v infračervené oblasti)
Vznik a tvar vibračně-rotačních spekter
EVIB >> EROT: Dodáme-li molekule tolik energie, aby mohla měnit své vibrační stavy, má
dost energie i na změny rotačních stavů. Vzniklá spektra v sobě pak sčítají oba efekty 
neexistují čistě vibrační spektra. Mluvíme o vibračně-rotačních spektrech. Různé způsoby
vibrace atomů v molekule H2O (Obr. 8. 7).
Obr. 8. 7: Různé druhu vibrace v molekule H2O.
Nutná podmínka vzniku vibračních spekter:
0
r

r
...dipólový moment zkoumané molekuly
Interpretace vibračně-rotačních spekter
rozlišujeme ­ oblast skupinových vibrací (4000-1100 cm­1
)
­ oblast otisku palce (pod 1100 cm­1
)
T
1/ (cm­1
)
oblast skupinových vibrací oblast otiskupalce
4000 2000 1000 500
Obr. 8. 8: Příklad vibračně-rotačního spektra s vyznačením oblasti skupinových vibrací a oblasti otisku
palce.
8. Optické metody
21
0
Oblast skupinových vibrací: je zde málo pásů. Podle tabulek je možno jednotlivé pásy
přiřadit funkčním skupinám.
Příklad: ­ OH: )3000;3500(
1


cm­1
CH  CH: )2100;2400(
1


cm­1
H2C = O: )1650;1850(
1


cm­1
Jednotlivé signály v oblasti skupinových vibrací slouží k důkazu funkčních skupin (organická
kvalitativní analýza).
Oblast otisku palce: složité spektrum, mnoho pásů. V tzv. atlase spekter najdeme látku, která
má stejné spektrum (otisk palce): slouží k jednoznačné identifikaci látek.
Provedení měření: Kyveta = problém. Musí co nejméně absorbovat IR záření. Používají se
kyvety z NaCl, KBr, AgCl ­ ale nesmí být rozpouštědlem voda (NaCl a KBr jsou ve vodě
dobře rozpustné).
Elektronová spektra (absorpční spektrofotometrie)
(UV = v ultrafialové oblasti, VIS = ve viditelném světle)
Vznik spekter a obecné zákonitosti
Elektronová spektra jsou způsobena přeskoky elektronů mezi různými orbitaly. Energie
k tomu potřebná je velmi velká  efekty nastávájí u krátkých vlnových délek
(viditelné a ultrafialové světlo).
Protože EEL >> EVIB >> EROT nastávají všechny 3 efekty (elektronové přeskoky, vibrace,
rotace) současně  spektra jsou ,,rozmazaná", ne ostrá jako v IR oblasti. Srovnej Obr. 8. 9
proti Obr. 8. 8 a Obr. 8. 6.
TlogA -= (8. 15)
T......transmitance
A......absorbance
Obr. 8. 9: Příklad absorpčního elektronového spektra.

A
8. Optické metody____________________________________________________________
22
Platí Lambertův-Beerův zákon:
cA l = (8. 16)
 ........molární absorpční koeficient (= tabelovaná konstanta pro danou
látku) ­ závisí na vlnové délce (cm­1
mol­1
dm3
)
l ...... optická dráha (cm) = tloušťka kyvety
c........látková koncentrace sledované látky v roztoku(mol dm­3
)
A....... absorbance při vlnové délce  (bezrozměrné číslo)
Formulace Lambertova-Beerova zákona pro směs více látek:
  =
i
i,
i
ii, A)c(A l (8. 17)
A....... absorbance při vlnové délce  (bezrozměrné číslo)
l ........ optická dráha (cm) = tloušťka kyvety
 , i......molární absorpční koeficient i-té složky v roztoku (= tabelovaná konstanta pro
danou látku) ­ závisí na vlnové délce (cm­1
mol­1
dm3
)
c........látková koncentrace i-té složky v roztoku (mol dm­3
)
Přehled přístrojů pro měření elektronových spekter
Spektrometr ­ obecně přístroj na záznam jakýchkoliv spekter. Různé typy spektrometrů se
používají např. v těchto analytických metodách: hmotnostní spektrometrie (MS), atomová
absorpční spektrometrie (AAS), infračervená spektrometrie s Fourierovou transformací
(FTIR), nukleární magnetická rezonance (NMR), ultrafialová a viditelná spektrometrie
(UV/VIS).
Spektrofotometr ­ význam je zúžen jenom na ty přístroje, které pracují se zdrojem světla
(FTIR, UV/VIS). Přístroj obsahuje monochromátor, který rozkládá světlo na
monochromatické záření s plynule nastavitelnou vlnovou délkou.
Fotometr ­ jednoduchý přístroj, který neobsahuje monochromátor, ale pouze barevné filtry.
Měření je tedy umožněno jen při diskrétních vlnových délkách, daných vestavěnými filtry.
Záleží na počtu filtrů, při kolika vlnových délkách je možno měřit.
Kolorimetr ­ je fotometr speciálně určený jen pro měření barvy, často má jen tři
širokopásmové filtry (modrý, zelený a červený), ,,vidí" podobně jako lidské oko. Slouží
k porovnávání barvy vzorku s barvou standardu.
8. Optické metody
23
Aplikace absorpční spektrofotometrie
1) Kvalitativní analýza
- naměřené spektrum porovnáme se spektry známých látek (moc se nepoužívá)
2) Kvantitativní analýza
a) pomocí kalibrace (nepotřebujeme znát  ) ­ postup viz Obr. 8. 10:
Obr. 8. 10: Určení koncentrace vzorku pomocí kalibrace při absorpční spektrofotometrii.
b) pomocí vztahu cA =  l
Hodnoru   zjistíme z literatury, nepotřebujeme kalibrační křivku. Tento
postup používáme v případě, že máme málo vzorku a nemůžeme kalibraci
provést.
Příklad:
DNA označována poly d(A-T) má 260 nm = 6640 cm­1
mol­1
dm3
[cena 1 g poly d(A-T)*
je
4 000 000 Kč]. Určete látkovou koncentraci roztoku uvedené látky, je-li absorbance tohoto roztoku při
260 nm v 1 cm kyvetě A260 nm (1 cm) = 0,700.
Řešení:
34
260260
dmmol10054,1cc16640700,0
cA
--
==
= l
Látková koncentrace roztoku je 1,054 10­4
mol dm­3
.
*
poly d(A-T) je synteticky připravený polydeoxyribonukleotid(= uměle vytvořený fragment DNA).
... ­ C ­ P ­ C ­ P ­ C ­ P ­ C ­ P ­ C ­ P ­ C ­ ...
adenin thymin adenin adeninthymin thymin
C...deoxyribóza
P...fosforečnanová skupina
Zkráceně lze totéž zapsat s následující primární strukturou:
( C ­ P ­ C ­ P )
A T
poly
, odkud zkratka poly d(A-T).
A
xA
xc c
8. Optické metody____________________________________________________________
24
8.5 Fluorescenční analýza
Nejprve si připomeneme, jakými způsoby může být využita energie absorbovaná (=pohlcená)
při ozáření vzorku:
Vzorek ozáříme světlem. Ten absorbuje záření o určité vlnové délce (a odpovídající energii).
S tím je spojen vznik absorpčního spektra (viz předchozí výklad). Přijatou energii pak vzorek
opět odevzdá do okolí některým z následujících způsobů:
a) ve formě tepelné energie (vzorek se zahřeje)
b) energie se využije na disociaci vazeb ( fotochemické reakce)
c) ve formě světelné energie.
Mohou nastat i různé kombinace výše uvedených jevů:
1. světlo je částečně absorbováno a částečně rozptýleno na kalném koloidním roztoku 
nefelometrie, turbidimetrie
2. část energie přejde na teplo, zbytek je vzorkem vyzářen do všech stran (tedy i do
směru kolmém ke směru vstupujícího záření).Toto emitované záření má nižší energii
než záření vstupující a proto i delší vlnovou délku. Tomuto jevu říkáme fluorescence.
Fluorescence je jev, kdy se látka po ozáření sama stává zdrojem záření, ale o jiné vlnové délce
než původní (existující) záření.
Fluoreskují zejména aromatické a heterocyklické sloučeniny se skupinami: ­ OH, ­ OCH3, ­
N(CH3)2,...(
Obr. 8. 11).
morin: fluorescein:
OH
OH O
O
OH
OHOH
OH OHO
O
O
Obr. 8. 11: Příklady fluoreskujících látek.
Zmenšují nebo znemožňují fluorescenci sloučeniny se skupinami: ­NO2, ­ CN, ­ COOH,
­ SO3H, halogeny,...
8. Optické metody
25
Platí zákon podobný zákonu Lambertovu-Beerovu
ck 12
F l= 
platí pro 05,0kci
 (8. 18)
2
F
 ... fluorescenční zářivý tok při zvolené vlnové délce 2
k ......konstanta úměrnosti
1 .....molární absorpční koeficient při vlnové délce 1
c ...... látková koncentrace sledované látky v roztoku
Využití fluorescenční analýzy: kvantitativní analýza:
Fluorescenční zářivý tok F se měří v pravém úhlu ke směru
dopadajícího excitujícího záře-ní, aby nerušilo záření prošlé
vzorkem.
Obr. 8. 12: Interakce světla se vzorkem při fluorescenčním měření.
Kyveta pro fluorescenční analýzu má všechna 4 okénka lesklá a vždy má čtvercový průřez
(Obr. 8. 13).
Obr. 8. 13: Typy kyvet pro měření absorbance a fluorescence.
Příklady konkrétního využití fluorescenční analýzy:
Stanovení Al po reakci s morinem ­ zelená fluorescence
Stanovení chininu v prostředí H2SO4 ­ modrá fluorescence
I0 IF +
F
I0
F
kyveta pro fluorimetrická a nefelometrická měření
I0
kyveta pro měření absorbance
I
8. Optické metody____________________________________________________________
26
8.6 Nefelometrie a turbidimetrie
Při průchodu záření jemnou suspenzí nebo koloidním roztokem nastává na částečkách
mikrodisperze rozptyl a záření je pozorovatelné i při bočním pozorování (= Tyndallův jev viz
str. 7). Tato skutečnost se využívá při nefelometrických měřeních.
(vstupující)
I0
Ir
detekce při nefelometrii
detekce při turbidimetrii
(rozptýlené)
Obr. 8. 14: Chování záření při průchodu jemnou suspenzí nebo koloidním roztokem.
Pro intenzitu detekovaného signálu platí vztah obdobný Lambertovu-Beerovu zákonu:
ckonstIr l=
(8. 19)
Ir,.................. intenzita vystupujícího záření (rozptýleného) při 
konst............. konstanta
l ..................optická dráha (cm) = tloušťka kyvety
c ...................látková koncentrace sledované látky v roztoku
Uspořádání měření a kyvety jsou při nefelometrii stejné jako při fluorimetrii. Pro
turbidimetrická měření postačuje stejné vybavení jako pro absorpční spektrofotometrie.
Příklad:
Stanovení chloridů: srážejí se pomocí AgNO3 a tvoří pak jemný zákal.
8.7 Nukleární magnetická rezonance NMR
Vznik NMR spekter
NMR je nová, moderní, elegantní a velmi používaná metoda studia struktury látek.
Princip: Nejen elektrony, ale i nukleony (protony, neutrony) rotují kolem vlastní osy. Tento
pohyb nazýváme spin.
Podle smyslu rotace ( , ) nabývá spin hodnot +
2
1
nebo -
2
1
.
Pro uspořádání nukleonů v jádře platí podobné zákony jako pro uspořádání elektronů
v elektronovém obalu: nukleony se také párují = tvoří dvojice s opačným spinem:

Taková nukleonová dvojice má nulový celkový spin.
8. Optické metody
27
Jen látky obsahující atomy s celkovým nenulovým spinem mají NMR spektra. Nenulový
celkový spin mají jen jádra takových atomů, kde je lichý počet protonů nebo neutronů
(nemohou se beze zbytku spárovat). Jedná se např. o atomy uvedené v Tab. 8. 1
atom
(izotop)
celkový jaderný
spin
zastoupení izotopu
v přírodě
relativní citlivost
NMR signálu
1
H (1p, 0n)
2
1
99,984% 0,9998
13
C (6p, 7n)
2
1
1,108% 1,76  10­4
14
N (7p, 7n) 1 99,68% 1,01  10­3
31
P (15p, 16n)
2
1
100,0% 0,0663
Tab. 8. 1: Nejobvyklejší izotopy využívané v NMR.
!!Přírodní C (6p, 6n) NMR spektra neposkytuje!!
Při umístění látky do magnetického pole se spiny zorientují tak, aby vzorek měl co
nejmenší energii. Při ozáření tohoto vzorku elektromagnetickým zářením o vhodné energii
dojde k tzv. rezonanci: vzorek záření absorbuje a použije na změnu spinu jádra.
Atomy odlišných prvků rezonují při výrazně odlišných frekvencích (vlnových
délkách) elektromagnetického záření.
Přístroje jsou proto konstruovány tak, že obvykle měří odděleně např.: 1
H-NMR spektra,
13
C-NMR spektra, 14
N-NMR spektra, 31
P-NMR spektra, ale ne více spekter současně.
Příklad základní interpretace 1
H-NMR spektra
Interpretaci 1
H-NMR spektra názorně předvedeme na následující úloze:
Máme sloučeninu o molekulovém vzorci C4H8O a známe její 1
H-NMR spektrum.
Úkolem je zjistit její racionální vzorec.
Obr. 8. 15: NMR ­ spektrum látky o molekulovém vzorci C4H8O.
8. Optické metody____________________________________________________________
28
O
C
H3C CH2
O
C CH3
Řešení:
Sledujeme: počet pásů
polohu pásů
štěpení pásů
součet ploch pod pásy
Z grafu jsme zjistili, že součet ploch pod skupinami pásů ,,a", ,,b", ,,c" je v poměru
,,a" : ,,b" : ,,c" = 2 : 3 : 3. Tento údaj většinou přímo poskytne měřící přístroj (Obr. 8. 16).
Obr. 8. 16: Integrální záznam z měřicího přístroje.
Výška vln je přímo úměrná ploše pod pásy (Obr. 8. 15).
Celkový počet atomů H v zadané sloučenině (8) se proto rozdělí do tří skupin obsahujících 2,
3 a 3 atomy H, v molekule tedy budou skupiny (­ CH2, ­ CH3, ­ CH3).
a b c
Signál ,,b" není rozštěpený. Z toho plyne, že jedna skupina ,,b"(­ CH3) je vzdálená
(izolovaná) od zbývajících skupin ­ CH2 ­, ­ CH3.
Signály ,,a", ,,c" jsou rozštěpené. Z toho lze usuzovat, že zbývající skupiny­ CH3 , ­ CH2 ­
jsou umístěny vedle sebe. Molekula proto vypadá přibližně takto: CH3 ­ CH2 ­ ... ­ CH3
c a b
Potřebujeme ještě zařadit jeden atom C a O (molekulový vzorec C4H8O), což je v daném
případě možné už jen jako:
Vzorec sloučeniny je tedy:
U jednoho vzorku můžeme postupně změřit více druhů spekter (1
H, 13
C, 14
N, 31
P) a při
interpretaci využít získané informace.
Výhoda metody NMR: K interpretaci výsledků nepotřebujeme atlas spekter.
29
Seznam konstant
c = 3108
m s­1
h = 6,62607 10­34
J s
Seznam obrázků
Obr. 7. 1: Typy dispergovaných částic podle tvaru................................................................. 4
Obr. 7. 2: Struktura částic u fázových koloidů........................................................................ 6
Obr. 7. 3: Závislost povrchového napětí v roztoku
na koncentraci látky schopné tvořit micely. ............................................................ 6
Obr. 7. 4: Interakce světla s různými typy disperzních soustav. .............................................. 7
Obr. 7. 5: Poloha různých částic v koloidním roztoku při sedimentační rovnováze................. 8
Obr. 7. 6: Schéma zařízení pro frakcionaci hrubých disperzí podle Kopeckého. ..................... 9
Obr. 7. 7: Elektroforéza DNA. ............................................................................................. 10v
Obr. 8. 1: Přehled optických fyzikálně chemických a analytických metod............................ 12
Obr. 8. 2: Závislost specifické refrakce čisté látky na hmotnostním zlomku látky ve směsi. . 14
Obr. 8. 3: Chování záření při průchodu opticky aktivním vzorkem....................................... 15
Obr. 8. 4: Příklady chirálních objektů................................................................................... 15
Obr. 8. 5: Optické antipody.................................................................................................. 16
Obr. 8. 6: Rotačního spektrum H35
Cl.................................................................................... 18
Obr. 8. 7: Různé druhu vibrace v molekule H2O................................................................... 20
Obr. 8. 8: Příklad vibračně-rotačního spektra s vyznačením oblasti skupinových vibrací
a oblasti otisku palce........................................................................................... 20
Obr. 8. 9: Příklad absorpčního elektronového spektra........................................................... 21
Obr. 8. 10: Určení koncentrace vzorku pomocí kalibrace při absorpční spektrofotometrii..... 23
Obr. 8. 11: Příklady fluoreskujících látek. ............................................................................ 24
Obr. 8. 12: Interakce světla se vzorkem při fluorescenčním měření. ..................................... 25
Obr. 8. 13: Typy kyvet pro měření absorbance a fluorescence.............................................. 25
Obr. 8. 14: Chování záření při průchodu jemnou suspenzí nebo koloidním roztokem. .......... 26
Obr. 8. 15: NMR ­ spektrum látky o molekulovém vzorci C4H8O........................................ 27
Obr. 8. 16: Integrální záznam z měřicího přístroje................................................................ 28
Seznam tabulek
Tab. 7. 1: Typy disperzních soustav podle velikosti částic...................................................... 4
Tab. 7. 2: Typy disperzních soustav podle fází....................................................................... 5
Tab. 7. 3: Charakteristika koloidních roztoků......................................................................... 5
Tab. 8. 1: Nejobvyklejší izotopy využívané v NMR. ............................................................ 27