رشته شيمى

فصل سوم

طيف نورسنجي زيرقرمز

Infrared Spectrometry

مقدمه

محدوده طبيعي ß طول موج 75/0 الي 3000 ميكرون  ( 13000 الي 33 Cm^-1 )

مفيدترين بخش ßطول موج 5/2 الي 15 ميكرون ( 4000 الي 667 Cm^-1 )

ß بخش زيرقرمز Infrared) )

ناحيه IR

IR    دور ß 10 الي 667 ß Cm^-1گسترة انرژي ارتعاشي كم

IR   معمولي ß667 الي 4000ß Cm^-1ارتعاشات مولكولي تركيبات آلي

IR     نزديك ß4000 الي 13000 Cm^-1ß ارتعاشات با انرژي زياد

دستگاهوري :

منابع تابش

ß داراي انرژي و شدت كم ß معمولاً فيلمان ساخته شده از مواد خنثايي كه در حدود 1500 الي 2000 درجه كلوين گرم مي‌شوند ß داراي منحني‌هاي مشخصه جسم سياه هستند.

منابع نور رايج

         ß تابشگر نرنست

                        ßگلوبار

                        ß پيچه نيكروم

                        ß ليزرهاي تنظيم پذير

جايگاه نمونه و نمونه‌گذاري

مشكل اصلي در تهيه سلها

ßتقريباً همه مواد پرتو زير قرمز را جذب مي‌كنند ßفقط مواد با خصلت يوني زياد در ناحيه زير قرمز ارتعاشي ندارند

ß غالباً از هاليدهاي قليايي بويژه پتاسیم كلرايد يا پتاسيم بروميد و سديم كلرايد يا سديم بروميد استفاده مي‌شود

ßمشكل نم‌گير بودن زياد و كدر شدن در مجاورت آب

برخي سلولها و محدوده كاربرد آنها در زير قرمز

روش‌هاي موجود براي طيف‌گيري نمونه‌هاي جامد

         ß 1 ـ مُل 

         ß 2 ـ قرص

1 ـ روش مُل

ß 2 تا 10 ميلي‌گرم از نمونه پودر شده با عامل مُل كننده ( موادي كه محدوده وسيعي از فركانس‌هاي زير قرمز را از خود عبور مي‌دهند مثل هيدروكربن نفتي سنگين نوجال) ساييد مي‌شود ßمُل حاصل بايد يكنواخت باشد ß آن را روي يك صفحه نازك از هاليد قليايي پخش كرده ß بين دو صفحه هاليد قليايي قرار مي‌دهند ß انجام طيف‌گيري

2 ـ روش قرص

ß رايج‌ترين تهيه قرص KBr

   حدود 1 ميلي گرم از نمونه ß در هاون كوبيده تا نرم و يكنواخت شود ßدر دستگاه پرس در فشار حدود 10 تن براي 30 ثانيه قرار داده مي‌شود ßقرار دادن در جايگاه نمونه ß طيف‌گيري

KBrدر زير قرمز ارتعاشي ندارد ßدر IR جذب نداشته ß مزاحمتي در طيف‌گيري ندارد

تكفام‌ساز

عبارتست از ßيك سيستم شكاف متغير ورودي و خروجي ، يك يا چند وسيله پاشنده و چند آينه براي تاباندن و متمركز كردن تابش.

تكفام‌سازها در IR

ßمنشورها

                        ßشبكه‌ها ß مزايا اتلاف انرژي كم    ßتفكيك بهتر

                                                ß خطي بودن پاشندگي

                                    ßمقاومت در برابر آب

آشكارسازها

ß در IR شدت كم و انرژي كم

انواع آشكارسازها در IR

ß 1 ـ آشكارسازهاي فوتونيßمبتني بر اثر فوتوهدايتي برخي از نيمه هاديها

ß 2 ـ آشكارسازهاي حرارتي ßترموكوپلها ، ترميستورها يا بلومترها و پنوماتيك

تجزيه كيفي :

مهمترين كاربرد طيف نورسنجي زير قرمز عمدتاً شناسايي گروههاي عاملي در تركيبات آلي و معدني است. يك طيف زير قرمز به چهار قسمت تقسيم مي‌شود :

1 ـ قسمت اول در محدوده cm^-12700 ـ 3700 قرار دارد و در آن پيكهاي ارتعاشي مربوط به پيوندهاي O – H ، N – H ، C – H ، موجود است. بنابراين ، جذب الكلها و آمينها در اين محدوده قابل رؤيت است. پيك اسيدها پهنتر از آمينها است. از پيكهاي معروف در اين محدوده ، پيك C – H آلیفاتيك در cm^-12850 ـ 3000 است. C – H تركيبات استيلني در cm^-13300 و C – H آلدئيدي در cm^-12710 ـ 2745 مشاهده مي‌شوند.

2 ـ قسمت دوم در محدوده cm^-11850 ـ 2700 قرار دارد كه ارتعاشات پيوندهاي سه گانه را نشان مي‌دهد.

جذب نيتريلها  در cm^-12225 ـ 2250 و استيلنيها  در cm^-12190 ـ 2260 از گروههاي مهم در اين قسمت هستند. پيكهاي مربوط به ارتعاشات پيوندهاي – S – H ، - P – H ،  Si – H -  به علت سنگيني اتمهاي گوگرد ، فسفر و سيليسيوم به ترتيب در cm^-12550 ـ 2600 ؛ cm^-12350 ـ 2440 و cm^-12090 ـ 2260 ظاهر مي‌شوند.

3 ـ قسمت سوم در محدوده cm^-11550 ـ 1950 مهمترين قسمت در طيق زير قرمز است.

از جذبهاي مشخص در اين ناحيه پيك گروه عاملي كربونيل  در حدود cm^-11700 مربوط به تركيباتي مانند آلدئيدها ، كتونها ، اسيدها ، آميدها ، اسيد هاليدها ، استرها ، انيدريدها و غيره است. پيوندهاي              و            نيز در اين محدوده جذب دارند.

4 ـ قسمت چهارم كه به ناحيه اثر انگشت معروف است در محدوده cm^-1700 ـ 1500 قرار دارد.

علاوه بر ارتعاشات پيوندهاي ساده C – C كه در اين قسمت ظاهر مي‌شوند ، گروههاي عاملي مانند
- C – O – C ( اترها و استرها ) در حدود cm^-11200 و C – Clدر محدودة cm^-1700 ـ 800 پيك جذبي دارند.

تجزيه كمّي :

IR بيشتر براي تجزيه كيفي كاربرد دارد و تجزيه كمّي در

 درجه اهميت بعدي قرار دارد و بر اساس قانون بير لامبرت صورت مي‌گيرد.

استفاده از پيك مناسب در تجزية كمي ، با اندازه‌گيري مقادير T0 و Ttبراي محاسبه جذب از رابطه               و            استفاده مي‌شود.

درجه‌بندي دستگاه :

هر چند وقت يكبار بايد دستگاه توسط يك فيلم نازك و

شفاف از جنسي مثل پلي استايرن درجه‌بندي شود.

طيف زير قرمز پلي استايرن ؛ (3027)1 ، (2851)2 ، (1944)3 ، (1802)4 ، (1601)5 ، (1495)6 ، (1181)7، (1154)8 ، (1028)9 ، (907)10 ، اعداد داخل پرانتز اعداد موج بر حسب cm-1 هستند.

فصل چهارم

كروماتوگرافي مايع

Liquid Chromatography (LC)

مقدمه :

         ـ يكي از مهم‌ترين مراحل تجزيه‌هاي شيميايي جداسازي آناليت از مزاحم‌ها مي‌باشد كه يكي از مهم‌ترين ابزار براي اين عمل كروماتوگرافي مي‌باشد.

         ـ در تمام روش‌هاي كروماتوگرافي اجزاي يك مخلوط توسط جرياني از فاز متحرك از داخل فاز ساكن عبور داده مي‌شود و جداسازيها بر اساس اختلاف در سرعت مهاجرت اجزاي مختلف نمونه انجام مي‌شود.

كروماتوگرافي :

  مايع ßفاز متحرك مايع كروماتوگرافي مايع ـ جامد ßفاز ساكن جامد

نوع تعادل :جذب سطحي

            كروماتوگرافي مايع ـ مايع ßفاز ساكن مايع   

                                                  نوع تعادل : تقسيم جسم بين دو مايع انتزاج‌ناپذير

            كروماتوگرافي فاز مايع پيوند داده شده

            كروماتوگرافي ژل ـ تراوا

             كروماتوگرافي مايع با كارايي بالا (HPLC)

   گازي ß فاز متحرك گاز ß گاز ـ جامد

                                    ßكروماتوگرافي مسطح         

كروماتوگرافي فاز مايع پيونده داده شده ßفاز ساكن

    گونه‌هاي آلي پيوند شده به سطح جامد ßنوع تعادل تقسيمي ـ جذب سطحي

كروماتوگرافي ژل تراوا ßفاز ساكن ژل سخت به صورت مايع در لابلاي جامد پليمري ßنوع تعادل ß اندازه مولكولها

كروماتوگرافي مايع با كارايي بالا ßفاز ساكن ذرات نسبتاً كوچك ß بيشترين كارايي در ستون

كارماتوگرافي مسطح ß فاز ساكن يك صفحه مسطح يا يك لايه نازك متصل به يك صفحه مسطح

          لايه نازك  كاغذي

الكتروفورز ß از انواع روش‌هاي كاروماتوگرافي نيست ß ولي مشابهت زيادي دارد

      جداسازي تركيبات باردار در الكتروفورز با استفاده از نيروي الكتروموتوري در سراسر يك فاز ساكن انجام مي‌شود. ذرات باردار با سرعتي  كه به نسبت بار به جرم آنها بستگي دارد به طرف الكترود مخالف مهاجرت مي‌كنند.

فهرستي از كاربردهاي روش‌هاي جداسازي

مفاهيم مهم در كروماتوگرافي :

كروماتوگرام ßنمودار پاسخ آشكارساز بر حسب زمان يا حجم فاز متحرك

با استفاده از كروماتوگرام ßتجزيه كيفي و كمي

تعداد منحني‌هاي موجود در كروماتوگرام ßتعداد اجزاء تشكيل دهنده مخلوط

يك كروماتوگرام مربوط به يك مخلوط سه جزئي ،

 كليه مفاهيم مهم در آن نشان داده شده است.

(F) سرعت جزيان فاز متحرك ß حجم فاز متحرك

 خارج شده از ستون بر زمان سپري شده (ميلي‌ليتر بر دقيقه)

(t_R) زمان بازداري ßزمان لازم براي عبور يك جزء از درون فاز ساكن (دقيقه)

(V_R) حجم بازداري ßحجم فاز متحرك مورد نياز براي خارج كردن يك جزء از ستون (ميلي‌متر)

                                    VR = Ft_R

(t'_R) زمان بازداري تنظيم شده

ßاختلاف بين زمان بازداري يك جزء از مخلوط و زمان لازم براي عبور فاز متحرك از فاز ساكن      (t₀)

(V'_R) حجم بازداري تنظيم شده

ßاختلاف حجم بازداري يك جزء مخلوط و حجم لازم براي عبور فاز متحرك از فاز ساكن (V₀)

            t'_R = t_R – t₀

V'_R = V_R – V₀         

بازداري نسبي

ßعبارتست از نسبت زمان يا حجم بازداري تنظيم شده يك جزء مخلوط به زمان يا حجم بازداري تنظيم شده يك تركيب مرجع

كارايي ستون كروماتوگرافي

ß تعداد صفحات فرضي (N) كه در يك ستون وجود دارد.

ارتفاع معادل يك صفحه فرضي (H)

ß طول ستون تقسيم بر تعداد صفحات فرضي

نسبت بازداري

قدرت تفكيك ß معياري از جداسازي دو پيك مجاور

آشكارسازها :

فهرستي از آشكارسازهاي رايج در دستگاه‌هاي كروماتوگرافي

آزمايش 4 ـ 1 ـ تعيين استيل ساليسيليك اسيد ،

                      كافئين و فناستين در قرص مسكن

                      به روش كروماتوگرافي لايه نازك (TLC)

مقدمه :

         يكي از كاربردهاي عمده TLC بدليل سادگي دستگاه و سرعت زياد در تجزيه كيفي در پزشكي ، زيست‌شناسي ، شيمي و داروسازي مي‌باشد.

آزمايش 4 ـ 2 ـ كروماتوگرافي مبادلة يون ،

                       تفكيك يونهاي Co⁺² ، Fe⁺³ و Ni⁺²

مقدمه :

مقدار زيادي از تركيبات معدني و آلي رفتار مبادلة يون از خود نشان مي‌دهند اما چون در آزمايشگاههاي تحقيقاتي يكنواختي اهميت دارد مبادله‌كننده‌هاي سنتزي كه به زرينهاي مبادله كننده يون معروف‌اند توسعه يافته‌اند.

زمينه پليمري در تهيه رزينهاي مبادله كننده يون ß

يك پليمر مشبك به نام پلي استايرن دي‌وينيل بنزن ßحاصل از پلي استايرن خطي

براي تهيه يك رزين مبادله كننده كاتيوني ، ماده پليمري مذكور سولفونه مي‌شود تا گروه SO₃H روي حلقه‌هاي آروماتيك متصل شود.

تعداد پيوندهاي عرضي ودر نتيجه تخلخل اين ماده به مقداردي وينيل بنزن بستگي دارد و عموماً بين 2 تا 12 درصد است. فناوري بسپارش سبب شده است كه اين ماده بصورت دانه‌هايي با قطرهاي مختلف در دسترس باشد.

كروماتوگرافي مبادله يون

            فاز ساكن ß رزين مبادله كننده يون

ßدر اين آزمايش داراي پلي استايرن دي‌وينيل    

                            بنزن كه با گروههاي پلي تري ميتل آلومنيوم كلريد فعال شده

          فاز متحرك ßمايع

آزمايش 4 ـ 3 ـ تعيين مقدار آنتراسن ، بنزن

                      و نفتالن در يك مخلوط با HPLC

مزاياي HPLC

         ßحساسيت روش

         ßسازگاري سريع براي اندازه‌گيريهاي كمي صحيح

         ßشايستگي براي جداسازي گونه‌هاي غير فرار يا ناپايدار در مقابل گرما

         ß كاربرد گسترده در علوم و صنعت

مثالهايي از تركيباتي كه به روش HPLC مورد تجزيه قرار مي‌گيرند :

آمينو اسيدها ، پروتئينها ، نوكلئيك اسيدها ، هيدروكربنها ، كربوهيدارتها ، داروها ، ترپنوئيدها ، حشره‌كشها ، آنتي بيوتيكها ، استروئيدها ، گونه‌هاي آلي فلزي و ...

فصل پنجم

كروماتوگرافي گازي

Gas Chromatography (GC)

مقدمه :

كروماتوگرافي گازي ß غالباً براي مواد آلي فرّار

گاز حامل يا فاز متحرك ßيك گاز بي اثر مثل هليم ، نيتروژن ، آرگون و دي‌اكسيد كربن

فاز ساكن ßيك جسم جامد جاذب و يا لايه نازكي از يك مايع غير فرّار كه به ديوارة داخلي ستون يا به صورت پوششي روي سطح گلوله‌هاي شيشه‌اي يا فلزي قرار داده شده است.

         فاز ساكن ß جاذب جامد ßكروماتوگرافي گازي

         ßمايع غير فرّار ßكروماتوگرافي گاز ـ مايع

اساس كار

جداسازي اجزا يك مخلوط

ß متناسب با ميزان توزيع اجزاء تشكيل 

                                     دهنده مخلوط بين فاز متحرك گازي و 

                                     فاز ساكن جامد يا مايع

كروماتوگرافي گازي براي جداسازي و شناسايي اجزاء تشكيل دهنده يك مخلوط و تجزيه كمي آنها كاربرد دارد.

تجزيه كيفي

ßمقايسه زمان بازداري اجزاء

                   نمونه مجهول با تركيبات استاندارد معلوم در شرايط يكسان

عوامل مؤثر بر زمان بازداري

         ß دماي ستون

                                    ß نوع گاز حامل

                                    ß سرعت و جريان گاز حامل

                                    ßساختار ماده پر شده درون ستون

                                    ßطول ستون

                                    ß فشارهاي دروني و خروجي گازحامل

تجريه كمّي :

بر اساس محاسبه سطح زير منحني يا ارتفاع منحني ثبت شده در آشكار ساز مي‌باشد.

سطح زير منحني متناسب با غلظت آن جزء

امروزه استفاده از ابزارهايي بسيار دقيق انتگرال‌گير كه به طور خودكار سطح زير منحني را در كروماتوگرافها با سرعت و دقت بسيار زياد تعيين مي‌كنند.

دستگاهوري :

      اجزاء تشكيل دهنده :

         1 ـ منبع گازي حامل

         2 ـ سيستم تنظيم كننده مقدار گاز

         3 ـ محل تزريق نمونه

         4 ـ ستون كروماتوگرافي

         5 ـ كوره و سيستم تنظيم درجه حرارت محل تزريق و آشكارساز

         6 ـ آشكارساز

         7 ـ سيستم شناساگر

منبع گاز حامل

ß يك كپسول گاز با فشار زياد

 ( معمولاً نيتروژن ، با خلوص 999/99 درصد همچنين هليم و آرگون و CO₂)

محل تزريق نمونه

ßنمونه بايد سريع و يك‌جا تزريق شود.

دماي محل تزريق

ßحدود C ْ25 بالاتر از دماي ستون

ستونها :                   ـ پرشده  

         ـ مويين

نوع ستون در كروماتوگرافي بسيار مهم است و انتخاب ستون با توجه به نوع نمونه بايد بدقت انتخاب شود.

يكي ديگر از عوامل مهم در كروماتوگرافي گازي ß انتخاب دماي ستون ، آشكارساز و محل تزريق

كروماتوگرافي :

         ßدما ثابت

         ß برنامه‌ريزي دمايي ß معمولاً نمونه‌هايي كه متشكل از اجزاء با نقطه جوش‌هاي متفاوت هستند.

يك برنامه دمايي نمونه‌اي در كروماتوگرافي گازي.

 دماي ستون ابتدا C ْ 100 بوده و مدت 10 دقيقه

 در اين دما مانده است ، سپس با سرعت 10 درجه

بر هر دقيقه افزايش يافته تا به دماي C ْ200 رسيده است.

 سپس ده دقيقه در دماي Cْ200 مانده است و شروع به كاهش كرده است.

                       زمان به دقيقه ، 1 ) چراغ عمل روشن است. 2 ) چراغ آماده نبودن روشن است.

                                          3 ) چراغ آماده بودن روشن است.

اثر درجه حرارت برنامه‌ريزي شده روي كيفيت جداسازي. ( الف ) شرايط همدما ( C ْ 80 ) ، ( ب ) تتغيير دما از C ْ75 تا C ْ120 با سرعت C ْ 8 بر دقيقه.

آشكارسازها :

         ß يونش شعله‌اي ßرايج‌ترين

         ßهدايت حرارتي

         ßنورسنج شعله‌اي

         ßالكترون‌گير

الكترون‌گير ßمطالعه و بررسي تركيبات هالوژندار و فسفردار و سموم و آفات نباتي

آشكارساز يونش شعله‌اي :

آشكارساز نورسنج شعله‌اي

در اين آشكارسازوآشكارسازقبلي شعله‌اي وجود دارد و خروجي از ستون درون شعله با گاز هيدروژن مي‌سوزد و به مولكول‌هاي باردار تبديل مي‌شوند

آشكارساز هدايت حرارتي :

آشكارساز الكترون‌گير :

تئوري كروماتوگرافي گازي

‌

         تئوري صفحات فرضي ( مارتين و سينج 1952 )

نحوه محاسبه تعداد صفحات فرضي در يك كروماتوگرام OB = t_R، AC = t_Wو درنتيجه

تئوري سرعت :

ßوان ديمتر ß در يك ستون با طول ثابت مي‌توان سرعت فاز متحرك را طوري تنظيم كرد كه ارتفاع معادل صفحات فرضي يا H كوچكترين مقدارممكن و در نتيجه بيشترين تعداد را داشته باشد.

رابطه وان ديمتر

V ß سرعت خطي فاز متحرك

C , B , A ßثابتهايي كه بيان كننده پديده‌هاي گوناگون در ستون

ß A نفوذ تلاطمي ß با سرعت رابطه ندارد و بيان كننده بي‌نظمي در ستون است ßبراي به حداقل رساندن A بايد در پر كردن ستون دقت شود. هر چه دانه‌ها منظم‌تر و كوچك‌تر ßA كمتر ßH كمتر

ß B ضريب نفوذ مولكولي ßبا استفاده از گاز حامل با وزن مولكولي كمتر مي‌توان مقدار آن را كاهش داد.

ß C به ضريب تقسيم جسم بين فاز ساكن و متحرك مربوط است.

تأثير عوامل مؤثر در ارتفاع معادل صفحات فرضي ( V₀سرعت بهينه فاز متحرك است ).

رابطه وان ديمتر با جزئيات دقيق‌تر :

ßميزان بي نظمي ستون

d_pß قطر متوسط دانه‌هاي جاذب درون ستون

ßفاكتور اصلاحي پيچ و خم بين دانه‌ها

D_gß ضريب نفوذ مولكولها در فاز گازي

D_Lß ضريب نفوذ مولكولها در فاز مايع

V ßسرعت فاز متحرك

kßضريت توزيع جسم مورد نظر

d_fß ضخامت متوسط لايه‌اي از فاز ساكن