חוק הבירה

ספיגה ופלואורסצנטיות

כאשר אור פוגע בחומר, הוא נספג, מועבר או מוחזר. בדרך כלל, חומר מקיים אינטראקציה עם טווח של אורכי גל של אור, כאשר כל אחד מהם מתקשר עם המולקולות או האטומים באופן שונה. חומר עשוי לבלוע טווח מסוים של אורכי גל, להחזיר טווח אחר של אורכי גל, ולהעביר את אורכי הגל האחרים של האור.

כאשר מולקולה בולעת אור, האנרגיה משמשת בארבע דרכים שונות: (1) תרגום, הגורם למולקולה לשנות את מהירותה המולקולרית; (2) רטט, הגורם למרחק בין המולקולות להשתנות במהירות; (3) סיבוב, הגורם לאטומים להסתובב סביב הקשרים במולקולה; ו-(4) התרגשות אלקטרונים, הגורמת לאלקטרונים לעבור לרמות אנרגיה גבוהות יותר.

רמות אנרגיה

בשנת 1913 הציע נילס בוהר מודל לאטום המימן שבו אלקטרונים נעים סביב הגרעין במסלולים קבועים ומעגליים, הנקראים מצבים נייחים. האנרגיה המשויכת לכל מסלול, או מצב נייח, קיימת רק באנרגיות קבועות ובדידות. רק כאשר אלקטרון נע למסלול אחר נספגת או נפלטת אנרגיה. האלקטרון לעולם אינו נמצא בין מצבים. שינוי זה מתרחש רק אם האנרגיה הנבלעת או הנפלטת שווה להפרש בין שני מצבי האנרגיה.

במודל של בוהר, המספר הקוונטי n מייצג את האנרגיה של האלקטרון. כאשר אלקטרון תופס את מצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי, הוא אמור לתפוס את מצב הקרקע, שהוא n = 1. כאשר אלקטרון בולע פוטון, שהאנרגיה שלו שווה להפרש בין המצב הראשון והשני, האלקטרון נעשה נרגש ועובר ממצב הקרקע למצב המעורר, כאשר n = 2. אם האנרגיה של הפוטון שווה להפרש בין המצב הראשון למצב השלישי, האלקטרון עובר למצב השלישי, או n = 3, וכן הלאה.

אלקטרונים יכולים לחזור באופן ספונטני למצב הקרקע או לכל מצב נמוך ומעורר אחר. כאשר זה קורה, האנרגיה העודפת שהושגה מעירור משתחררת בצורה של פוטון שנפלט. האנרגיה של הפוטון שווה להפרש בין שני מצבי האנרגיה ומתאימה לאורכי גל שונים של אור.

ספקטרום בליעה ופליטה

בעוד שרוב החומרים בולעים או פולטים את כמות האור המרבית באורך גל אחד, הם גם נוטים לבלוע או לפלוט אור בטווח של אורכי גל. טווח זה של אורכי גל נקרא ספקטרום. האנרגיה של האור הנבלע מכומתת ומדמיינת באמצעות ספקטרום בליעה, בעוד האנרגיה של האור הנפלט מכומתת ומומחישה באמצעות ספקטרום פליטה.

ספקטרום בליעה ופליטה נמדד באמצעות ספקטרופוטומטר, שהוא מכשיר המעביר אור דרך דגימה ולאחר מכן מודד הן את אורך הגל והן את עוצמת האור העובר דרכה. בתוך הספקטרופוטומטר נמצא סורג עקיפה או מנסרה, המפרידה את האור הנכנס לאורכי הגל המרכיבים אותו. אורכי הגל השונים מועברים לאחר מכן דרך הדגימה, והעוצמה נרשמת בגלאי מכשיר צימוד מטען ליניארי (CCD). CCD הוא מעגל משולב החרוט על משטח סיליקון היוצר אלמנטים רגישים לאור הנקראים פיקסלים. ה-CCD אוסף וממיין את האור המפוזר וקורא אותו בחזרה באורך גל בליעה.

בעת מדידת ספיגת דגימה, המומס מומס בדרך כלל בממס ומונח במיכל המכונה קובטה. לאחר מכן, הדגימה ממוקמת בתוך הספקטרופוטומטר, ועוצמת האור המשודר נמדדת יחד עם אורכי הגל של האור כדי לקבל ספקטרום בליעה. כצפוי, עוצמת האור המשודר נמוכה יותר מאשר כאשר אין דגימה בתוך הספקטרופוטומטר.

הסיבה לכך היא שהאור המועבר נבלע על ידי הדגימה, הקובט והממס. לפני מדידת הדגימות, יש לכייל את הספקטרופוטומטר עם 'ריק'. ריק הוא קובטה המכילה רק את הממס המשמש להמסת המומס. הספקטרופוטומטר מכויל כך שהספיגה הכוללת של הקובטה והממס מופחתת מהספיגה הנמדדת של הדגימה. זה מאפשר לנו לרשום את הספיגה המיוחסת רק למינים המעניינים.

הבליעה נמדדת לרוב באורך גל אחד, אורך גל הבליעה המרבי. עם זאת, ניתן למדוד את הבליעה גם בטווח של אורכי גל כדי לרכוש את ספקטרום הבליעה. לשם כך, הדגימה נחשפת לטווח אורכי גל של אור אירוע, והבליעה נרשמת בכל אורך גל. אם הדגימה פולטת אור, ספקטרום הפליטה נמדד באופן דומה, אלא שאורך גל האירוע קבוע באורך הגל של בליעה מרבית. לאחר מכן המכשיר מודד את עוצמת האור הנפלט על פני טווח של אורכי גל.

חוק באר-למברט

בליעת דגימה באורך גל של בליעה מקסימלית מספקת מידע על הדגימה, כלומר על ריכוזה. חוק באר-למברט הוא משוואה המתייחסת בין העברה לריכוז דגימה. ההעברה, או עוצמת האור המשודר, היא שבריר האור המקורי העובר דרך הדגימה, I, חלקי עוצמת אור האירוע, I₀.

חוק באר-למברט קובע כי הבליעה האופטית, A, של מין בתמיסה קשורה ליומן השלילי של ההעברה.

גרסה חלופית של חוק באר-למברט קובעת כי הבליעה האופטית, A, של מין בתמיסה פרופורציונלית באופן ליניארי לריכוז, c, של אותו מין כאשר אורך הגל, λ ואורך המסלול, l, מוחזקים קבועים.

מקדם ההנחתה המולרי, ε, הוא מדד לעוצמת בליעת האור באורך גל נתון. ככל שמקדם ההנחתה המולרי גדול יותר, כך הספיגה גדולה יותר. אורך המסלול, l, הוא המרחק שהאור עובר דרך הדגימה, שהוא רוחב הקובט. לקוביטות סטנדרטיות יש אורך מסלול של 1 ס"מ.

קשר ליניארי זה בין ספיגה לריכוז הוא כלי רב עוצמה המשמש לקביעת ריכוז של דגימה לא ידועה בהתבסס על ספיגתה. כדי לעשות זאת, עקומה סטנדרטית נוצרת באמצעות שיפוע של ריכוזים ידועים של המומס. הבליעה בשיא אורך גל הבליעה, λ_max, נמדדת עבור כל ריכוז.

על ידי התוויית ריכוז לעומת ספיגה, נצפה קשר ליניארי המתאים למשוואת באר-למברט. שיפוע קו זה שווה למכפלה של אורך המסלול ומקדם ההנחתה המולרי. באמצעות פונקציה ליניארית מחושבת זו, אם הספיגה של המדגם הלא ידוע ידועה, ניתן לקבוע בקלות את הריכוז.

אם הדגימה המנותחת היא תגובה בשיווי משקל, ניתן להשתמש בחוק באר כדי לקבוע את ריכוז שיווי המשקל של מוצר או מגיב אם הספיגה נמדדת ב λ_{מקסימום} ספציפי לאותו מוצר או מגיב. ברגע שהריכוז ידוע, ניתן לקבוע את ריכוזי שיווי המשקל של המגיבים והתוצרים הנותרים ולאחר מכן לפתור עבור קבוע שיווי המשקל K_eq.

הפניות

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). כימיה ותגובתיות כימית. בלמונט, קליפורניה: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). כימיה: הטבע המולקולרי של חומר ושינוי. בוסטון, מסצ'וסטס: מקגרו היל, בוסטון.
3. Harris, D.C. (2015). אנליזה כימית כמותית. ניו יורק, ניו יורק: W.H. Freeman and Company.

תגובות כימיות רבות מתקדמות בשני כיוונים, קדימה ואחורה. עם הזמן, התגובות קדימה ואחורה יתרחשו באותו קצב, וריכוז המגיבים והתוצרים כבר לא ישתנה. זה ידוע בשם שיווי משקל כימי.

בשיווי משקל כימי, הריכוזים של כל רכיב קשורים זה לזה על ידי קבוע שיווי המשקל, K, שהוא היחס בין ריכוזי התוצרים לריכוזי המגיבים, שכל אחד מהם מועלה לעוצמת המקדמים הסטויכיומטריים שלו.

אבל איך קובעים ריכוזי שיווי משקל? שיטה אחת מודדת את עוצמת אורך הגל של האור שהמוצר סופג לפני ואחרי שהוא עובר דרך דגימה. הפרש העוצמה נקרא ספיגה, והוא תואם את כמות התרכובת הסופגת בדגימה.

אתם אולי זוכרים שאלקטרונים תופסים בעיקר את מצב הקרקע. כאשר הם סופגים כמות מסוימת של אנרגיה, הם מתרגשים לרמת אנרגיה גבוהה יותר. האנרגיה הזו מתאימה לאורך גל מסוים של אור. אתה יכול למצוא את אורך הגל הזה ולמדוד את הספיגה באמצעות ספקטרופוטומטר, המכוון קרן אור דרך הדגימה ומודד את השינוי בעוצמה באורך גל אחד או יותר.

הספיגה שווה ללוג השלילי של עוצמת האור המוחלש על פני עוצמת האור הפוגע. על ידי שרטוט ערכי הספיגה של תמיסות מרובות עם ריכוזי מוצרים ידועים שונים, אנו צופים בקשר ליניארי בין ספיגה לריכוז. זו דוגמה לחוק באר.

חוק באר מתבטא מתמטית על ידי משוואה זו, כאשר A הוא הספיגה, אפסילון הוא מקדם ההנחתה המולרי, קבוע המשתנה עבור כל תרכובת, l הוא אורך הנתיב של האור דרך הדגימה, ו-c הוא ריכוז התרכובת.

על ידי זיהוי הפונקציה הליניארית עבור תרכובת נתונה באורך גל ואורך נתיב ספציפיים, אתה יכול להשתמש בנתוני הספיגה של תמיסה בשיווי משקל כדי לקבוע את ריכוז שיווי המשקל של המוצר. משם, אתה יכול לחשב את ריכוזי שיווי המשקל של המגיבים ולפתור את קבוע שיווי המשקל. במעבדה זו תכינו תמיסות של ברזל (III) איזותיוציאנט ותשתמשו בספקטרופוטומטר כדי לקבוע את ספיגתו בריכוזים שונים.