Spektroskopi Gördüğümüz her rengin bir dalga boyu vardır. Tek bir dalga boyuna sahip ise bu ışığa, tek anlamına gelen monokromatik ışık denir. Gördüğümüz renkler farklı dalga boyundan meydana geliyorsa bu ışığa da polikromatik ışık denir. Görünür bölgede beyaz ışık bütün dalga boylarındaki ışınlardan oluşur ve prizmadan geçirildiğinde kırmızı, turuncu, sarı, yeşil, mavi ve mor renklerine ayrıldığı gözlenir. Dalga boyları farklı olduğu için böyle gözlenir. Bütün frekansları kapsayan elektromanyetik ışınımlara da elektromanyetik spektrum denir. Bunu inceleyen bilim dalına da spektroskopi denir. Spektroskopi bulunduğu bölgeye göre isim alır; kızılötesi, morötesi gibi. Dalga boyları arasında da düz bir çizgi vardır. Spektrum verebilecek beyaz ışık, bir gazdan geçirildikten sonra bir prizmada kırılıyorsa, elde ettiğimiz durum da siyah çizgi hali gözlenir. Bu çizgi sayısı, ışığın geçtiği madde türüne bağlı olup bu sayede madde tanınır.

UV-Görünür Bölge (GB) Moleküler Absorpsiyon Spektroskopisi Bu bölüm, öncelikle 160-780 nm dalga boyu aralığındaki elektromanyetik ışınları kullanan absorpsiyon spektroskopisi için giriş bilgilerini vermektedir. UV-GB cihazları 200-900 nm arasında çalışır. N2 ve O2 molekülleri, 160 ve 200 nm’de absorpsiyon yaptıkları için 200 nm’nin altındaki dalga boylarında vakumlu UV cihazları kullanılır. Bir molekül, UV-GB fotonunu absorpladığı zaman elektronik enerjisiyle beraber dönme ve titreşim enerjisi de değişebilir. Bu nedenle moleküler spektrum, atomik spektrum gibi basit olmayıp (keskin değil), hem karmaşık hem de geniş bantlar şeklindedir.

Elektromanyetik spektrum

Beer Yasası: Monokromatik bir ışın için absorbans, ışık yolu (b, cm) ve absorplayan türün derişimi (g/L, mol/L) ile orantılıdır. Aşağıdaki eşitlikte belirtildiği gibi, normal olarak absorbans ile absorpsiyon yapan analitin derişimi doğrusal olarak değişir. T = Pçözelti/Pçözücü (P/P0) ve A = -logT A = log(Pçözücü/Pçözelti) ≈ log(P0/P) log(P0/P) = ЄbC = A (Beer Yasası) P/P0 = T = 10-Єbc, logT = -Єbc eşitliğinde; Burada, Є absorpsiyon katsayısı, P (veya I) belli bir alana düşen ışık şiddeti ve geçirgenlik (T), b cm kalınlığında absorpsiyon yapan türün C derişiminden geçirilen paralel ışın demetinin şiddetinin geçiş öncesi ve sonrası arasındaki orana denir. Derişim, C (g/L) ise A= abC dir. Burada a, absorptivite (L/g.cm), C(mol/L) ise A= ЄbC dir. Burada Є, (L/mol.cm) ve molar absorptivite adını alır.

Beer Yasasına Sınırlamalar 1 Beer Yasasına Sınırlamalar 1. Gerçek sapmalar Beer yasası seyreltik çözeltiler için geçerlidir. Genellikle (>0,01 M) yüksek derişimlerde doğrusallıktan sapmalar gözlenir. Yüksek derişimlerde absorpsiyon yapan moleküller arası mesafe azalır ve moleküller, komşularının yük dağılımını etkiler /yani moleküllerin yük dağılımı bozulur). Bu etkileşim sonucu, moleküllerin absorplama özelliği değişir. Absorpsiyonu etkileyen bu durumun giderilmesi, çözeltilerin seyreltilmesi ile sağlanabilir. Düşük derişim Yüksek derişim

2. Kimyasal sapmalar Bir analit ayrıştığında, çeşitli türlerle birleştiğinde veya çözücüyle reaksiyon verdiğinde, Beer yasasından belirgin sapmalar görülür. Kimyasal sapma, genellikle asit/baz indikatörlerinin sulu çözeltilerinde gözlenir. 3. Polikromatik ışından kaynaklanan sapmalar Beer yasasına kesin uyum, sadece monokromatik ışınlarla çalışıldığında gözlenir. Ne yazık ki, tek bir dalga boyuna sahip ışın kullanmak, nadiren mümkündür. Işın birden fazla dalga boyuna sahip ise, absorplayıcı molekül, farklı dalga boylarında farklı ϵ’lere sahip olabilir. Öte yandan, absorplayıcı taneciğin absorpsiyonu dalga boyuna karşı büyük miktarda değişmediği sürece, polikromatik ışın kullanımından kaynaklanan Beer yasasından önemli sapmalar olmadığı deneysel olarak görülmüştür. 4. Kaçak ışınlardan kaynaklanan sapmalar Monokromatörden gelen ışınlar (dalga boyunu tam olarak ayıramadığında), az miktarda kaçak ışınlar içerir. Bu ışınlar numuneden geçmeden dedektöre ulaşırsa ölçüm hatalı çıkar. Prizma, mercek ve filtrelerin yüzeyinde oluşan kaçak ışınlar da sapmalara neden olur. Aletsel sapmalarda daima düşük absorbans okuması gözlenir.

Moleküler absorpsiyon için cihazlar: UV, GB ve yakın-infrared ışınlarının absorpsiyonunu ölçmek için yapılmış cihazlarda; ışın kaynağı, monokromatör, numune kabı, dedektör ve kaydedici vardır. 1. Işın kaynakları: Işın kaynağının enerjisi büyük olmalı, sürekli bir spektrum vermeli ve enerjisi sabit olmalıdır. UV bölgede basınçlı hidrojen ve döteryum (D2) lambaları kullanılır (180-375 nm). Görünür ve yakın-infrared bölgede tungsten telli (wolfram) lambalar kullanılır (320-2500 nm). 2. Monokromatörler (Dalga boyu seçiciler): Polikromatik ışından (birden fazla dalga boyu içeren elektromagnetik ışın, örneğin beyaz ışık) monokromatik ışın (Na ışığı) elde edilen düzeneğe denir. Prizmalar veya optik ağlar bu amaçla kullanılır.

3. Numune kapları: 4. Dedektörler: Işık şiddetini ölçen düzeneklerdir 3. Numune kapları: 4. Dedektörler: Işık şiddetini ölçen düzeneklerdir. UV-görünür bölgede kullanılabilen 3 tür dedektör vardır: a. Fotovoltaik dedektör: Işık, Se veya Si gibi bir yarıiletken tarafından absorplandığında, iletkenlik bandına geçen e- nedeniyle bu yarıiletkenle temasta olan bir metal filmi (Ag) arasında bir gerilim farkı oluşur. Fotoiletken dedektörlerde ise PbS, CdSe, ve CdS gibi yarıiletkenler tarafından ışık absorplandığında, iletkenlik bandına çıkan elektronlar ışık şiddeti ile orantılı bir elektrik akımı oluşturur. b. Fototüp: Alkali metal oksit filmlerden yapılan fotokatotlar üzerine düşen fotonlar, bu yüzeyden e- koparır ve e-‘lar bir anotta toplanarak elektrik akımına çevrilir. Çalışılan dalga boyu aralığı için geçirgen olmalıdır. Örneğin, cam küvetler 350 nm’nin altındaki ışığı absorpladığından UV bölgede kuvars küvet kullanılır. Benzer şekilde NaCl kristalleri de infrared bölgesinde uygun hücre penceresi olarak kullanılır.

c. Fotoçoğaltıcı tüp: Tüpte foto duyarlı katoda karşı 9 tane dinod adı verilen ek elektrotlar vardır. Fotokatodun yüzeyine ışın düşünce elektron yayar. Dinod 1 katoda oranla 90 V daha pozitif tutularak elektronlar ona doğru hızlanır. Dinoda çarpan her bir elektron 3-5 elektron koparır. Kopan elektronlar dinod 1 den daha pozitif olan dinod 2 ye yönelirler. Burada tekrar yüzeye çarpan elektronlar yeni elektronlar oluştururlar. Bu işlem 9 dinodda tamamlandığında her bir foton için 106-107 elektron oluşur. Oluşan bütün elektronlar anotta toplanır ve oluşan akım ölçülür. 5. Kaydediciler (Sinyal İşlemciler ve Göstergeler): Sinyal işlemcisi, dedektörden gelen elektrik sinyalini yükselten elektronik bir düzenektir. Sinyali doğru akımdan alternatif akıma ya da alternatif akımdan doğru akıma çevirebilir. Sinyalde istenmeyen bileşenleri uzaklaştırabilir.

Cihaz tipleri: Tek ışık yollu spektrofotometrelerde aynı dalga boyunda çözücüye karşı ışık yolu kapatılarak, sıfır geçirgenlik ayarı ve ışık yolu açılarak %100 geçirgenlik ayarı yapılır. Aynı dalga boyunda analit içeren çözeltinin absorbansı ölçülür. Çift ışık yollu cihazlarda her dalga boyu için ayrı ayrı 0 ve 100 ayarları yapmak yerine, monokromatörden çıkan ışık eşit şiddette iki demete bölünerek birinin ölçülecek örneğe diğerinin çözücünün bulunduğu kaba gönderilmesiyle ölçüm süresi azaltılır. Böylece örnekteki geçirgenlik değeri sürekli olarak çözücününki ile karşılaştırılmış olur.

UV veya GB absorpsiyonu, genelde moleküllerdeki bağ elektronlarının uyarılmasından kaynaklandığı için UV-GB spektroskopisi bir moleküldeki fonksiyonel grupların tanımlanmasında ve aynı zamanda fonksiyonel grupları taşıyan bileşiklerin nicel tayininde kullanılır. Absorpsiyon Yapan Türler: Işığın absorpsiyonu iki kademede gerçekleşen bir prosestir: Absorpsiyon: M + hn  M* Bu uyarılmış türün (M*) yaşam süresi 10-9 – 10-8 s’dir. Durulma: M*  M + ısı (Bazı moleküller durulma esnasında ısı yerine ışın yayarlar.) a) s, p, ve n elektronlarını içeren absorplayıcı türler: Tüm organik bileşikler, elektromanyetik ışını absorplayabilirler. Çünkü hepsinin daha üst enerji düzeylerine uyarılacak değerlik elektronları vardır. Öte yandan bunların ışın absorpsiyonu vakum-UV bölgesinde olur. Daha uzun dalga boylu ışının absorpsiyonu, nispeten düşük uyarma enerjili değerlik elektronlarını taşıyan ve kromofor diye adlandırılan (bir organik moleküle renk kazandıran atom ve elektron grubu) sınırlı sayıda fonksiyonel grupla sınırlıdır.

Kromoforları içeren (moleküllerde, UV-GB ışının soğurulmasından sorumlu fonksiyonel gruplar) organik moleküllerin titreşim geçişlerinin elektronik geçişlerle çakışması sonucu çoğu kez geniş absorpsiyon bantları görülür. İki atomik orbital birleştiğinde, düşük enerjili bağ molekül orbitali ve yüksek enerjili karşı bağ molekül orbitali oluşur. Organik moleküllerde tek bağlarla ilgili molekül orbitalleri s ile gösterilir. Organik moleküllerde s-s, px-px veya s-px orbitallerinin katılmasıyla meydana gelirler. Organik moleküllerdeki çifte bağ, bir s orbitali ve bir p orbitali içerir (py-py veya pz-pz). Organik moleküllerde bağ yapmayan elektronlar ise n ile gösterilir. Formaldehit

Organik moleküllerde 4 tür elektronik geçiş vardır: - s  s * l < 185 nm (Vakum UV) - n  s * l = 150 – 250 nm (UV ve vakum UV) - n  p * ve p  p * l = 200 – 700 nm (En çok rastlanan geçiş türüdür)

n* geçişlerine ilişkin pikler, genellikle çözücünün artan polarlığıyla daha düşük dalga boylarına kayar (hipsokromik veya maviye kayma). Aksine * geçişleri için ise karşıt eğilim (bathokromik veya kırmızıya kayma) geçerlidir. -NH2, -OH ve –SH gibi gruplar; kendileri renkli olmamakla beraber, renkli maddelerde bulunmaları halinde maddenin absorpsiyonunu uzun dalga boyuna kaydırırlar ve absorpsiyon şiddetini de arttırırlar. Bu gruplara da oksokrom gruplar denir. b) d ve f elektronlarına ilişkin absorpsiyonlar: Çoğu geçiş metali iyonları, spektrumun UV veya GB sinde absorpsiyon gösterirler. Geçiş metallerinin spektral özellikleri, 3d ve 4d orbitallerinin çeşitli enerji seviyeleri arasındaki elektronik geçişlerden kaynaklanır. Lantanit ve aktinit serileri için absorpsiyon bandları, 4f ve 5f elektronlarının elektronik geçişlerinden kaynaklanır. İlk iki geçiş metalleri serisindeki 18 elementin iyon ve kompleksIeri görünür ışığı absorplama eğilimindedirler. Ancak, lantanit ve aktinit elementlerinin tersine, bunlarda absorpsiyon bantları genellikle geniştir ve kimyasal çevre faktörlerinden kuvvetle etkilenir. Örneğin, su ile kompleks yapan bakır(ll) iyonu soluk mavi rengine karşılık, amonyak ile kompleks yapan bakır (II) iyonu koyu mavi renktedir.

c) Yük-aktarma absorpsiyonu: Analitik amaçlar doğrultusunda yük-aktarım absorpsiyonu gösteren türler özel bir öneme sahiptir. Çünkü bunların molar absorptiviteleri çok yüksektir (Єmaks > 10000). Böylece bu kompleksler, absorplayan türlerin tanınmasında çok duyarlı yollar sağlarlar. Bir kompleksin yük aktarım absorpsiyonu olabilmesi için, bileşenlerinden birisinin elektron verici, diğerinin de elektron alıcı olması gerekir. Bu durumda ışın absorpsiyonu, elektron vericiden elektron alıcının orbitaline geçişine ilişkindir (internal oksidasyon-redüksiyon). Fe(SCN)2+ fotonu absorpladığında, SCN-’den bir elektron Fe3+’ya aktarılır. Böylece Fe2+ ve yüksüz SCN. radikalinden ibaret iki uyarılmış tür oluşur. Kısa bir süre sonra elektron tekrar başlangıç konumuna döner.

Absorpsiyon ölçümlerinin kalitatif analize uygulanması UV-GB absorpsiyon spektroskopisi kalitatif analizde sınırlı bir uygulamaya sahiptir. Çünkü; 1. lmax değeri genellikle çözücüden etkilenir. 2. Polar çözücüler spektrumdaki titreşimsel geçişleri etkiler ve piklerin genişlemesine sebep olurlar. 3. Çeşitli kromoforların absorpsiyon bantları birbiri ile örtüşebilir. Gaz halinde alınan spektrumlar kullanışlıdır. 1,2,4,5 tetrazin için UV-Vis spektrumları

Kantitatif Uygulamalar a) Standart çalışma eğrisi hazırlanması: A = εbc Eğim = tgα = εb α

b) Fotometrik titrasyonlar: Eğer titrasyon ürünü, titrant veya analit UV-GB’de absorbans veriyorsa, ekivalent noktanın tayini için fotometrik titrasyon yapılabilir. İndikatör kullanılmaz. Büretten belirli hacimde titrant eklendikten sonra örnek kabına bir miktar alınıp absorbans ölçülür. Tekrar titrasyon kabına aktarılarak yeniden titrant eklenir. Ölçülen absorbans değerleri eklenen titrant hacmine karşı grafiğe geçirilir. A + T  Ü

c) Karışımların analizi: Bir çözeltinin verilen bir dalga boyundaki toplam absorbansı, çözeltide var olan bileşenlerin bireysel absorbansları toplamına eşittir. A’ = ’MbCM + ’NbCN ’ dalga boyunda A”= ”MbCM + ”NbCN ” dalga boyunda

Buna göre numunedeki Cr ve Mn yüzde miktarlarını bulunuz. Çözüm: Örnek 1. Paslanmaz çelik içeren bir numune, krom ve mangan bakımından analiz edilmek isteniyor. 0,5770 gramlık numune asitte çözülerek krom (51,996 g/mol), dikromata (Cr2O72-) ve mangan (54,938 g/mol) ise permanganat (MnO4-) yükseltgeniyor. 1 litreye seyreltilen numuneden alınan örneklerin absorbansları ölçülüyor (b = 1 cm). Buna göre numunedeki Cr ve Mn yüzde miktarlarını bulunuz. Çözüm: A440 = Cr2O72-CCr2O72- + MnO4-CMnO4- = 369CCr2O72- + 95CMnO4- = 0,348 A545 = Cr2O72-CCr2O72- + MnO4-CMnO4- = 11CCr2O72- + 2350CMnO4- = 0,504 Dikkat! Her iki denklemde de b’nin 1 cm olarak alındığı açıkça görülmektedir. Bu iki bilinmeyenli denklemler çözülürse, CCr2O72-= 8,88x10-4 M ve CCr = 1,78x10-3 M olur. CMnO4- = CMn = 2,1x10-4 M olur. %Cr = %16 ve %Mn = %2 olur. l(nm) Atoplam e(Cr2O72-) e(MnO4-) 440 0,348 369 95 545 0,504 11 2350

Örnek 2. 2,83x10-4 M’lık KMnO4 çözeltisinin 520 nm dalga boyunda ve 0,982 cm’lik küvette absorbansı 0,510 olarak ölçülmüştür. a) KMnO4’ün molar absorptivitesi nedir? b) KMnO4’ün transmittansı nedir? Absorbansı Etkileyen Değişkenler Bir maddenin absorpsiyon spektrumunu etkileyen başlıca değişkenler çözücünün cinsi, çözelti pH'sı, sıcaklık, elektrolit derişimi ve bozucu maddelerin varlığıdır. Bu değişkenlerin etkileri bilinmelidir ve analiz koşulları öyle seçilmelidir ki, absorbans, bunların büyüklüklerindeki ufak ve kontrol edilmeyen değişmelerden ciddi olarak etkilenmesin.