MOLEKULOVÁ ABSORPČNÍ
SPEKTROFOTOMETRIE
v UV a viditelné oblasti spektra
4
Studium spektrofotometrických vlastností a komplexů iontů s ligandy
1.   Absorpce hydratovaných iontů: Cu(ll), Cr(lll), Ni(ll), Fe(lll), U(VI), U(IV), V(IV)- nízká citlivost
2.   Absorpce komplexů iontů s chromogenními organickými i anorganickými ligandy:
i.         komplex
ii.        chelát
iii.       iontový asociát
iv.       TT-komplex
v.        komplex s barevným chromoforem
Komplexy iontů s činidly
Požadavky na analytickou metodu
1.    Jeden stabilní komplex bez vedlejších a následných reakcí (redoxních, fotochemických, disociačních nebo asociačních)
2.    Lineární průběh A=f(c) B.-L.-B. zákon
3.    Kontrast optických vlastností činidel a komplexu = poměr signál/pozadí
4.    Selektivita = komplex jen s analytem
5.    Citlivost = směrnice kalibrační přímky
6.    Robustnost vůči změně podmínek (pH, pcL, koncentrace soí)
7.    Mez detekce, stanovení
Komplexy iontů s činidly
Absorpční křivka, isosbestický bod
Absorpční křivka: A, T(%), log£=f(Á), f(vlnočet)
- Isosbestický bod: průsečík abs. křivek v závislosti na pH, cL, cM, indikuje vzájemný přechod 2 komponent, obě formy mají stejné absorpční koeficienty
Absorbance [AU]
1.50 J
Concentrations
a) c0 =
c)   c2
d)   c3
e)   c4 O    c5
1.876 9.379 3.127 1.706 7.216 3.678 1.857 1.874
x 10-3 xlO4 xlO4 xlO4 x 10s x Í0r' x 10-xlO"6
mol/1 mol/1 mol/l mol/l mol/l mol/l mol/l mol/l
Isosbestický bod
600                    700
WavelEngth [nm]
800
300
METHYLENOVÁ MODR
Dimerizace v závislosti na koncentraci (3 řády) Měření v kyvetách o tloušťce 0,1 -10 mm, Normalizace spekter. Isosbestický bod pro rovnováhu monomer-dimer. Změna struktury- posun maxima ke kratším A.
Komplexy iontů s činidly
Absorpční křivka, isosbestický bod Aiso
Absorbance [AU]
1.Z5H
1.0Ü-
Ü.75-
Ü.5Ü-
14, C
'^
Methyloranž-Acidobasická rovnováha
S03Na
1    pH 2.2
2    pH 2.6
3    pHS.D.
4    pH 3.4
5    pH 3.ß
6    pH 4.2
7    pH4.e
8    pH 5.2
450                50Ü
Wavelength [nm]
Komplexy iontů s činidly
Absorpční křivka-dekonvoluce spekter
• Ruffova grafické metoda
Komplexy iontů s činidly
Rovnováhy, isosbestický bod Áiso
1.    Samotné činidlo, acidobazická rovnováha
HA ^> H+ + A-
SHA = SA   (^iso)
2.    Transformace absorbující složky (ion kovu, komplexující činidlo) na absorbující komplex
aM o MaLb
ĎL o MaLb
asM = sk   (^iso)
beL=ek (Aiso)
Komplexy iontů s činidly
Isosbestický bod, složené spektrum
3.   Přechod 2 absorbujících komplexů
MLn+pL<»MLn+p
8k1 = 8k2 (^iso)
Výsledná absorpční křivka tvoří obálku s celkovou absorbancí
A = EC/A
(max)
exp
\ */       ^i(max)/
8.
In2
přičemž Zq=1, 5 je poloviční šířka píku v poloviční výšce maxima
Komplexy iontů s činidly
Disociace absorbujícího komplexu
•   Disociace komplexu závisí na
- Koncentracích kationtu kovu a činidla cM a cL -pH
•   Podmínka kvantitativního stanovení:
A = s[ML] = s- cM
•   Chyba (relativní) A = [M]/cM je vyjádřena s využitím konstanty stability komplexu ß a analytické koncentrace činidla cL
ß = [ML]/IM] ■ [/.]}       cL -». [L]       cM = [M] + [ML]
[ML] = ß[Mh
Komplexy iontů s činidly
Disociace absorbujícího komplexu
Z uvedených vztahů vyplývá, že
cM=[M](l + ß-cL)
chyba plynoucí z koncentrace volného kationtu je
A = [M]/cM=1/(l + ß-cL)*1/ß-cL Absorbance s uvážením stability komplexu je pak
A = e\ML 1 = s     ß   °L L      J        1 + ß   cL
CM    ~   £   CM
Metody studia komplexních rovnováh
•   Určení
- složení a stability komplexů
-  počtu komplexotvorných rovnováh.
•   Předpoklady pro studium rovnováh:
-  platnost B.-L.-B. zákona
-  aditivita absorbancí
-  převaha jedné komplexní rovnováhy za daných podmínek.
•  Základní obraz se získá:
-  registrací spekter s nadbytkem střídavě obou komponent (M, L) při vhodném pH
-  identifikací nejnižšího a nejvyššího komplexu
-  počet isosbestických bodů = počet rovnováh.
Metody studia komplexních rovnováh
•  Metoda kontinuálních variací (Ostromysslenskij, Job)
•  Metoda poměru tangent
•  Metoda molárního poměru
•  Metoda interpretace závislosti A = f(pH)
Metody studia komplexních rovnováh
• Metoda kontinuálních variací
- mísí se různé objemy ekvimolárních roztoků kationtu M (objem VM) a ligandu L (VL=Vkonst -VM) výsledný objem konstatní; při konstantním pH.
C0=CM + CL      XM = CM'C0    XL = CL'C0
xM, xL jsou molární zlomky, xM + xL= 1 [M]0=Co(1-xL)-[MLn]    (1);[L]0=c0xL-n[MLn]    (2)
ß'= [MLn]/{[M]0[L]0"}     (3); ß' je podmíněná konstanta stability, [M]0 a [L]0 jsou koncentrace volných složek po vytvoření komplexu
Metody studia komplexních rovnováh
• Metoda kontinuálních variací
- Derivováním rovnic (1-3) podle xL a zavedením podmínky pro maximum: d[MLn]/dxL= 0 plyne z rovnic (1-3) vztah (4)
n - (1 + n) xL max = 0    (4) a po úpravě vztahy (5) a (6):
XL,max = n/(n+1)   (5)      n = xLmax/(1-xLmax)   (6) Maximum závislosti [MLn] = f(xL) udává souřadnice molárního poměru složek v komplexu, analogické vztahy platí pro XM.
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
-jestliže absorbuje pouze komplex, pak
A = £k [MLn];   (£M = 0, £L= 0) a maximum křivky
A = f(xL), resp. A = f(xM) udává přímo molární koeficienty složek komplexu
dA dxL
í
= s,
V
d[MLn] dxL
\
= 0
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
- Pro přímé vyhodnocení lze použít křivky
A = f(VM), případně A = f(VL), jsou-li roztoky přísně ekvimolární, pak
n_    VL    _V0-VM
v0 - vL     vM
Vzniká-li stupňovitě větší počet komplexů, může být maximum posunuto. Křivka se proměřuje pro větší počet vlnových délek; -> ň = f(Á)
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
x
n =
L, m ax
1-x,
,max
L,max
= 0,5^> n =
0,5
L,max
0,667 0,333
= 0,667 ^>n =
1-0,5 0,667
= 1^ML
1 - 0,667
= 2 ^ ML
0
0.2      0.4!    0.6      0.8
Lnax
XL
Metody studia komplexních rovnováh
• Metoda kontinuálních variací
- Určení podmíněné konstanty stability z Jobových křivek
fí_    [ML„]
[mi- n
[Ml = [M] + [M(OH)i] + [Mj(OH)i]+[MA,]+-
[Ll= [H,L] + [HML] + • • • + [L]
•    Hydrolýza kationtu a kompetice s aniontem, např. tlumivého roztoku
•    Disociace anebo protonace ligandu
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
1.Výpočet podmíněné konstanty stabiljty_zjxizných bodů Jobovy křivky o souřadnicích určí jako směrnice kalibrační závislosíTpřb cM v nadbytku cL
q,=    [MLn]    =                      ®fek
[M]0-U     {c0(1-@)-[MLn]}{C((£)-n[MLnf
{o o (1-®)-@yzk} {CJ&- n(R(ek)}n
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
2.  Extrapolací směrnic Jobovy křivky pro xL = 0 a xL = 1, vzniká-li komplex ML (1:1)
Kit
X L   —  XL,max
£k[ML]0 £k[ML]
[ML l =
cM + cL
A:A0 = [ML ]: [ML ]0 [ML]= A[ML\ / A0
A
[Ml=cM-[ML]=cM-^-[ML]
\0
0
[Ll=cL-[ML]=cL-
0    0.2    0.4 v  0.6    0.8     I
•n-
h
i C M
A
A
o
(a/aJml]
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda kontinuálních variací
3. Z přímkové transformace Aj = f(xL j)
A =
r
-xu)+^
1
\
+ c
o
J
£kse získá ze směrnice,
ß' z úseku přímkové závislosti.
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda Jobových křivek v neekvimolárních roztocích
- Komplex MLn Nadbytek ligandu je p = 2 až 2000 k potlačení konkurenčních komplexních rovnováh
- Pro maximum Jobovy křivky plyne podmínka np[M]0- [L]0 =0, konstanta pak má hodnotu
o  =  (p-l)n[n-(1 + n)xmax] Pn-c°0p"-1[(n + p)xmax-nr1
-Poloha maxima je dána vztahem
(P+n)xmax- n =0 => xmax = n/(p+n)
max
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda poměru tangent
- Proměřují se roztoky s konstantním nadbytkem jedné komponenty a proměnlivou koncentrací druhé složky při konstantním pH a vhodném Á. V jedné sérii roztoků je v kostantním nadbytku cM a mění se malá koncentrace cL, ve druhé sérii se postupije obráceně.
- Nadbytek cM : i- série roztoků
cL = [L] + b [MaLJ s b [MaLb 1    A = ek cLJ / b
Nadbytek cL: j- série roztoků cM=[M] + a[MaLb] = a[MaLb]
A j - £k cmj ' a
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda poměru tangent
- Směrnic grafických závislostí A = f(cLii) a A : f(cM J pak odpovídají výrazům____________
tg a; = £k /b;    tg a = sk /a;   tg q I tg a = a / b
i A	L
nadbytek	
\   cL= konst.	/nadbytek /cM= konst.
cM,j /tg a-V i----------------:------------------^	/tg a,;     cl,í l-----------------------!-----------------------------►
Metody studia komplexních rovnováh
• Metoda molárních poměrů (spektrofotometrických titrací)
- Měří se absorbance roztoků s konstantní koncentrací jedné složky a rostoucí koncentrací druhé složky, pokud £k^ £M ^ £L.      pH= konst.
^Závislost A = f(cL) při konst. cM,
^závislost A = f(cM) při konst. cL,
Aesp. závislost A = f(cL/ cM)
Vzniká-li komplex prakticky kvantitativně, objeví se na křivce zlom pro ukončenou tvorbu komplexu. Poloha tohoto zlomu udává molární stechiometrii.
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda molárních poměru
Potlačení disociace pomocí změny pH, přídavkem rozpouštědla s nižší permitivitou
A
1
p= W
[Ml ■ U,
cL/ cM
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda molárních poměru
[ML]     =             [ML]
[M]0.[L]0     (cM-[ML])(cL-[ML])
(zkcM-A)(£kcL-A)
rdA^
\dCMJcM^o
= S
ML
1_
ß
+ c,
Metody studia komplexních rovnováh
Metoda interpretace závislosti A = f(pH)
- Sleduje se vznik absorbujícího komplexu podle rovnováhy
M + nl_Hx^MLnHz+qH+
v závislosti na pH v roztocích s nadbytkem ligandu. Jestliže £M = £L = 0, pak závislost
A — T( pH )CLicM=konst.
má typický tvar titrační křivky
Metody studia komplexních rovnováh
A
[MLnHz] log L     "   'J  = log
Y
0
A
£kCM      A
tga = q
n log c, + log K
pH
/\
SkCM        A
+ log K + n log cL
Počet odštěpených H+ a rovnovážná konstanta K
Metody studia komplexních rovnováh
• Metoda interpretace závislosti A = f(pH) - Odvození logaritmické trasnformace M + nLHxoMLnHz+qH+
k-[Wa   c-=m+[^i (7)
cL=[LHx]+n[MLnHz] = [LHx]                (8)
A = sk[MLnHz]                                       (9)
Kombinací rovnic (7-9) a logaritmováním vyplývá vztah (10)
[MLnHz]                  a         /"""X
log      =—^       = log              - ={q ptj + log K + n log cL