التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية للأصباغ

الامتصاص

عندما يتفاعل الضوء مع مادة ما ، يتم امتصاص جزء من الضوء بينما ينعكس الباقي أو ينتقل من خلاله. المواد التي نعتبرها ذات لون تعكس الضوء في النطاق المرئي. يعتمد لون المادة التي يمكننا رؤيتها على الطول الموجي للضوء المنعكس. مادة نراها على أنها زرقاء تعكس الضوء في النطاق الأزرق (430-480 نانومتر) من الطيف المرئي. وفقا لعجلة الألوان ، تمتص نفس المادة الضوء المكمل للضوء المنعكس. لذلك ، فإن المادة الزرقاء تمتص الضوء في المنطقة البرتقالية (590 - 630 نانومتر) من الطيف المرئي. لا تمتص جميع المركبات في المنطقة المرئية ، ونتيجة لذلك ، تظهر عديمة اللون للعين البشرية.

يتم تعريف الضوء من خلال طاقته ، E ، وطوله الموجي ، λ. هنا h هو ثابت بلانك، و c هي سرعة الضوء.

يتناسب الطول الموجي للضوء عكسيا مع طاقته. لذلك ، فإن ضوء الطاقة الأعلى له طول موجي أقصر.

الأصباغ

تختلف الأصباغ الملونة المختلفة في الطول الموجي للضوء الذي تمتصه. معظم الأصباغ عبارة عن مركبات مترافقة ذات روابط مزدوجة ومفردة بالتناوب وعادة ما تمتص الضوء في المنطقة المرئية.

يمكن أن يكون الجزء المترافق من جزيء الصبغة قصيرا جدا ، مما يعني أن هناك درجة منخفضة من الاقتران وعدد قليل من الروابط المزدوجة والمفردة المتناوبة ، أو طويلة ، مما يعني أن هناك درجة عالية من الاقتران مع العديد من الروابط المزدوجة والمفردة بالتناوب. لا يجب أن تكون هذه الروابط المزدوجة المتناوبة بالضرورة بين كربونين فقط. يمكن أن تشمل هذه الروابط المترافقة مجموعات الكربونيل والروابط المزدوجة بين الكربون والأكسجين. تحدد درجة الاقتران الطول الموجي للضوء الذي يمتصه المركب. على سبيل المثال ، تمتص المركبات ذات الدرجة العالية من الاقتران طولا موجيا أطول من المركبات ذات درجة الاقتران الأقل.

استنادا إلى النظرية المدارية الجزيئية ، تحتل الإلكترونات غير المتمركزة المدارات الجزيئية. أعلى مدار جزيئي مشغول ، أو HOMO ، هو أعلى مدار طاقة مع إلكترون. المدار الجزيئي الأدنى غير المأهول ، أو LUMO ، هو أقل مدار طاقة بدون إلكترون. عادة ما تحتوي الجزيئات ذات الاقتران القليل أو المعدوم على فجوة كبيرة في الطاقة بين HOMO و LUMO. ومع ذلك ، فإن الجزيئات المترافقة لها فجوة طاقة أصغر بين HOMO و LUMO.

لإثارة الإلكترون من مستوى طاقة أقل إلى مستوى طاقة أعلى ، أو من HOMO إلى LUMO ، يجب أن يمتص الجزيء الضوء بطاقة تساوي فجوة الطاقة بين المدارين. لهذا السبب ، تتطلب الجزيئات ذات الفجوة الكبيرة في الطاقة ضوءا عالي الطاقة ، مثل ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، لإثارة الإلكترون. ومع ذلك ، تحتوي الأصباغ على فجوة طاقة أصغر وتتطلب ضوءا أقل طاقة ، مثل الضوء المرئي ، لإثارة الإلكترون.

لهذا السبب ، تتطلب الجزيئات ذات الفجوة الكبيرة في الطاقة ضوءا عالي الطاقة ، مثل ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، لإثارة الإلكترون. ومع ذلك ، تحتوي الأصباغ على فجوة طاقة أصغر وتتطلب ضوءا أقل طاقة ، مثل الضوء المرئي ، لإثارة الإلكترون.

تذكر أن طاقة الضوء تتناسب عكسيا مع الطول الموجي. لذلك ، فإن الضوء عالي الطاقة له أطوال موجية أقصر من ضوء الطاقة المنخفض الذي له أطوال موجية أطول.

مقياس الطيف الضوئي

من الناحية التجريبية ، يتم قياس امتصاص الضوء باستخدام مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis). تستخدم هذه الأداة مصدر ضوء يتم تحويله بواسطة أحادي اللون إلى أطوال موجية محددة من الضوء تمر عبر عينة إلى كاشف في الطرف الآخر. يجب أن تكون العينات في سائل ، لذلك يلزم وجود مذيب إذا كان المركب العضوي صلبا. يتم الاحتفاظ بهذا المحلول في حامل عينة يعرف باسم الكوفيت. اعتمادا على العينة ، قد تكون الكوفيت مصنوعة من كريستال الكوارتز أو الزجاج أو البلاستيك ، ولها طول مسار معين. طول المسار هذا هو المسافة التي يجب أن يقطعها الضوء عبر العينة. نظرا لأن المذيب سوف يمتص الضوء أيضا ، يلزم وجود عينة فارغة من المذيب وحده. لذلك ، عندما تلتقط الأداة طيف الامتصاص لمركب العينة ، يمكنها طرح طيف الخلفية للمذيب لعرض الامتصاص الناجم عن العينة فقط. النفاذية ، T ، هي جزء من الضوء الأصلي الذي يمر عبر العينة.

هنا ، P₀ هو الإشعاع ، أو الطاقة في الثانية لكل وحدة مساحة ، لشعاع الضوء قبل ضرب العينة. P هو إشعاع شعاع الضوء الذي يضرب الكاشف. عادة ما يكون P أقل من P ₀ ، حيث تمتص العينة بعض الضوء.

يعرف الامتصاص ، A ، بأنه السجل السلبي للنفاذية.

يتراوح الامتصاص بين 0 (بدون امتصاص) و 2 (امتصاص 99٪). عندما لا يتم امتصاص الضوء ، فإن P₀ يساوي P ، والنفاذية تساوي واحدا. وبالتالي ، فإن الامتصاص يساوي صفرا. إذا تم امتصاص 90٪ من الضوء ، إرسال 10٪ و T يساوي 0.1. ينتج عن هذا امتصاص يساوي 1. إذا تم امتصاص 99٪ من الضوء ، نقل 1٪ (T = 0.01) ، ويكون الامتصاص مساويا ل 2.

الطيف الذي تم الحصول عليه هو مخطط للامتصاص مقابل الطول الموجي. بالنسبة لمقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية ، يتراوح هذا النطاق بين 200 و 800 نانومتر.

قانون بير لامبرت

يرتبط نفاذية وامتصاص مركب معين بتركيز المركب في المحلول. تم وصف هذه العلاقة من قبل قانون Beer-Lambert.

امتصاص العينة يساوي ناتج تركيز المركب وطول المسار ومعامل التوهين المولاري. هذا المعامل فريد لكل مركب وسيختلف حسب الطول الموجي. ومع ذلك ، إذا ظل الطول الموجي ثابتا ، فسيكون معامل التوهين المولي هو نفسه بغض النظر عن التغيرات في التركيز. الطول الموجي الذي يتوافق مع أعلى امتصاص للعينة ، والمعروف باسم λ _max ، سيكون له أيضا أكبر معامل توهين مولاري.

المراجع

1. سيلبربيرج ، MS (2012). الكيمياء: الطبيعة الجزيئية للمادة والتغيير. بوسطن ، ماساتشوستس: ماكجرو هيل.
2. هاريس ، العاصمة (2015). التحليل الكيميائي الكمي. نيويورك ، نيويورك: دبليو إتش فريمان وشركاه.