قانون البيرة

الامتصاص والفلورة

عندما يصطدم الضوء بمادة ما ، يتم امتصاصه أو نقله أو انعكاسه. عادة ما تتفاعل المادة مع مجموعة من الأطوال الموجية للضوء ، يتفاعل كل منها مع الجزيئات أو الذرات بشكل مختلف. قد تمتص المادة نطاقا معينا من الأطوال الموجية ، وتعكس نطاقا آخر من الأطوال الموجية ، وتنقل الأطوال الموجية الأخرى للضوء.

عندما يمتص الجزيء الضوء ، يتم استخدام الطاقة بأربع طرق مختلفة: (1) الترجمة ، مما يجعل الجزيء يغير سرعته الجزيئية. (2) الاهتزاز ، مما يؤدي إلى تغيير المسافة بين الجزيئات بسرعة ؛ (3) الدوران ، مما يتسبب في دوران الذرات حول الروابط في الجزيء ؛ و (4) إثارة الإلكترون ، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى.

مستويات الطاقة

في عام 1913 ، اقترح نيلز بور نموذجا لذرة الهيدروجين حيث تنتقل الإلكترونات حول النواة في مدارات دائرية ثابتة ، تسمى الحالات الثابتة. الطاقة المرتبطة بكل مدار ، أو حالة ثابتة ، موجودة فقط في طاقات ثابتة ومنفصلة. فقط عندما ينتقل الإلكترون إلى مدار آخر يتم امتصاص الطاقة أو انبعثتها. الإلكترون ليس أبدا بين الحالات. يحدث هذا التغيير فقط إذا كانت الطاقة الممتصة أو المنبعثة تساوي الفرق بين حالتي الطاقة.

في نموذج بور ، يمثل الرقم الكمي n طاقة الإلكترون. عندما يشغل الإلكترون أدنى حالة طاقة ممكنة ، يقال إنه يشغل الحالة الأرضية ، وهي n = 1. عندما يمتص الإلكترون فوتونا ، تساوي طاقته الفرق بين الحالتين الأولى والثانية ، يصبح الإلكترون متحمسا وينتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة ، حيث n = 2. إذا كانت طاقة الفوتون تساوي الفرق بين الحالتين الأولى والثالثة ، فإن الإلكترون ينتقل إلى الحالة الثالثة ، أو n = 3 ، وهكذا.

يمكن أن تعود الإلكترونات تلقائيا إلى الحالة الأرضية أو أي حالة أخرى أقل متحتاجة. عندما يحدث هذا ، يتم إطلاق الطاقة الزائدة المكتسبة من الإثارة على شكل فوتون منبعث. طاقة الفوتون تساوي الفرق بين حالتي الطاقة وتتوافق مع أطوال موجية مختلفة من الضوء.

أطياف الامتصاص والانبعاث

في حين أن معظم المواد تمتص أو تنبعث منها أقصى قدر من الضوء بطول موجي واحد ، فإنها تميل أيضا إلى امتصاص أو إصدار الضوء في نطاق من الأطوال الموجية. يسمى هذا النطاق من الأطوال الموجية الطيف. يتم قياس طاقة الضوء الممتص وتصورها باستخدام طيف الامتصاص ، بينما يتم قياس طاقة الضوء المنبعث وتصورها باستخدام طيف الانبعاث.

يتم قياس أطياف الامتصاص والانبعاث باستخدام مقياس الطيف الضوئي ، وهو جهاز ينقل الضوء عبر عينة ثم يقيس الطول الموجي وشدة الضوء الذي يمر عبرها. يوجد داخل مقياس الطيف الضوئي إما شبكة حيود أو منشور يفصل الضوء الوارد إلى الأطوال الموجية المكونة له. ثم يتم نقل الأطوال الموجية المختلفة عبر العينة ، ويتم تسجيل الكثافة على كاشف جهاز مقترن بالشحن الخطي (CCD). CCD عبارة عن دائرة متكاملة محفورة على سطح من السيليكون يشكل عناصر حساسة للضوء تسمى وحدات البكسل. يقوم CCD بجمع وفرز الضوء المنحرف وقراءته مرة أخرى بطول موجي امتصاص.

عند قياس امتصاص العينة ، عادة ما يتم إذابة المذاب في مذيب ووضعه في وعاء يعرف باسم الكوفيت. بعد ذلك ، يتم وضع العينة داخل مقياس الطيف الضوئي ، ويتم قياس شدة الضوء المرسل جنبا إلى جنب مع الأطوال الموجية للضوء للحصول على أطياف امتصاص. كما هو متوقع ، تكون شدة الضوء المرسل أقل مما كانت عليه في حالة عدم وجود عينة داخل مقياس الطيف الضوئي.

وذلك لأن الضوء المنقول تمتصه العينة والكفيت والمذيب. قبل قياس العينات ، يجب معايرة مقياس الطيف الضوئي باستخدام "فارغ". الفراغ هو كوفيت يحتوي فقط على المذيب المستخدم لإذابة المذاب. تتم معايرة مقياس الطيف الضوئي بحيث يتم طرح الامتصاص الكلي الناتج عن الكوفيت والمذيب من الامتصاص المقاس للعينة. هذا يسمح لنا بتسجيل الامتصاص الذي يعزى فقط إلى الأنواع ذات الأهمية.

غالبا ما يتم قياس الامتصاص بطول موجي واحد ، وهو أقصى طول موجي للامتصاص. ومع ذلك ، يمكن أيضا قياس الامتصاص في نطاق من الأطوال الموجية للحصول على طيف الامتصاص. لهذا ، تتعرض العينة لمجموعة من الأطوال الموجية للضوء الساقط ، ويتم تسجيل الامتصاص عند كل طول موجي. إذا انبعثت العينة من الضوء ، يتم قياس طيف الانبعاث بالمثل ، باستثناء أن الطول الموجي الساقط ثابت عند الطول الموجي للامتصاص الأقصى. ثم تقيس الأداة شدة الضوء المنبعث على نطاق من الأطوال الموجية.

قانون بير لامبرت

يوفر امتصاص العينة عند الطول الموجي للامتصاص الأقصى معلومات حول العينة ، أي تركيزها. قانون بير لامبرت هو معادلة تربط النفاذية بتركيز العينة. نفاذية أو شدة الضوء المرسل هي جزء الضوء الأصلي الذي يمر عبر العينة I مقسوما على شدة الضوء الساقط I ₀.

ينص قانون بير لامبرت على أن الامتصاص البصري ، A ، للنوع في المحلول يرتبط بالسجل السلبي للنفاذية.

تنص نسخة بديلة من قانون بير لامبرت على أن الامتصاص البصري ، A ، للنوع في المحلول يتناسب خطيا مع تركيز ، c ، لهذا النوع عندما يكون الطول الموجي ، λ ، وطول المسار ، l ، ثابتا.

معامل التوهين المولي ، ε ، هو مقياس لمدى قوة امتصاص الأنواع للضوء عند طول موجي معين. كلما زاد معامل التوهين المولي ، زاد الامتصاص. طول المسير، l، هو المسافة التي يقطعها الضوء عبر العينة، وهي عرض الكوفيت. يبلغ طول مسار الكوفيت القياسي 1 سم.

هذه العلاقة الخطية بين الامتصاص والتركيز هي أداة قوية تستخدم لتحديد تركيز عينة غير معروفة بناء على امتصاصها. للقيام بذلك ، يتم إنشاء منحنى قياسي باستخدام تدرج التركيزات المعروفة للمذاب. يتم قياس الامتصاص عند ذروة الطول الموجي للامتصاص ، λ_{كحد أقصى} ، لكل تركيز.

من خلال رسم التركيز مقابل الامتصاص ، لوحظت علاقة خطية تتوافق مع معادلة بير لامبرت. ميل هذا الخط يساوي ناتج طول المسار ومعامل التوهين المولاري. باستخدام هذه الوظيفة الخطية المحسوبة ، إذا كان امتصاص العينة غير المعروفة معروفا ، فيمكن بسهولة تحديد التركيز.

إذا كانت العينة التي يتم تحليلها تفاعلا عند التوازن ، فيمكن استخدام قانون بير لتحديد تركيز التوازن لمنتج أو مادة متفاعلة إذا تم قياس الامتصاص عند λ_{كحد أقصى} خاص بهذا المنتج أو المادة المتفاعلة. بمجرد معرفة التركيز ، يمكنك تحديد تركيزات التوازن للمواد المتفاعلة والمنتجات المتبقية ثم حل ثابت التوازن K_eq.

مراجع

1. Kotz ، JC ، Treichel Jr ، P.M. ، Townsend ، JR (2012). الكيمياء والتفاعل الكيميائي. بلمونت ، كاليفورنيا: بروكس / كول ، Cengage Learning.
2. Silderberg ، MS (2009). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير. بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل ، بوسطن.
3. هاريس، العاصمة (2015). التحليل الكيميائي الكمي. نيويورك ، نيويورك: دبليو إتش فريمان وشركاه.

تتقدم العديد من التفاعلات الكيميائية في اتجاهين ، إلى الأمام والخلف. بمرور الوقت ، ستحدث التفاعلات الأمامية والعكسية بنفس المعدل ، ولن يتغير تركيز المواد المتفاعلة والنواتج. يعرف هذا باسم التوازن الكيميائي.

عند التوازن الكيميائي ، ترتبط تركيزات كل مكون ببعضها البعض بثابت التوازن ، K ، وهو نسبة تركيزات المنتج إلى تركيزات المادة المتفاعلة ، كل منها مرتفع إلى قوة معاملاتها المتكافئة.

ولكن كيف تحدد تركيزات التوازن؟ تقيس إحدى الطرق شدة الطول الموجي للضوء الذي يمتصه المنتج قبل وبعد مروره عبر العينة. يسمى فرق الشدة بالامتصاص ، وهو يتوافق مع كمية المركب الماص في العينة.

قد تتذكر أن الإلكترونات تشغل في الغالب الحالة الأرضية. عندما يمتصون كمية معينة من الطاقة ، يكونون متحمسين لمستوى طاقة أعلى. تتوافق هذه الطاقة مع طول موجي معين من الضوء. يمكنك العثور على هذا الطول الموجي وقياس الامتصاص باستخدام مقياس الطيف الضوئي ، الذي يوجه شعاعا من الضوء عبر العينة ويقيس التغير في الشدة عند طول موجي واحد أو أكثر.

الامتصاص يساوي السجل السالب لشدة الضوء المخفف على شدة الضوء الساقط. من خلال رسم قيم الامتصاص لمحاليل متعددة بتركيزات مختلفة من المنتجات المعروفة ، نلاحظ وجود علاقة خطية بين الامتصاص والتركيز. هذا مثال على قانون بير.

يتم التعبير عن قانون بير رياضيا بهذه المعادلة ، حيث A هو الامتصاص ، والإبسيلون هو معامل التوهين المولي ، وهو ثابت يختلف لكل مركب ، و l هو طول مسار الضوء عبر العينة ، و c هو تركيز المركب.

من خلال تحديد الدالة الخطية لمركب معين بطول موجي وطول مسار محددين ، يمكنك استخدام بيانات الامتصاص لمحلول عند التوازن لتحديد تركيز توازن المنتج. من هناك ، يمكنك حساب تركيزات الاتزان للمواد المتفاعلة وحل ثابت التوازن. في هذا المختبر ، ستقوم بإعداد محاليل من الحديد (III) isothiocyanate واستخدام مقياس الطيف الضوئي لتحديد امتصاصه بتركيزات مختلفة.