Prawo piwa

Absorbancja i fluorescencja

Kiedy światło pada na substancję, jest albo pochłaniane, przepuszczane, albo odbijane. Zazwyczaj substancja oddziałuje z zakresem długości fal światła, z których każda oddziałuje inaczej z cząsteczkami lub atomami. Substancja może absorbować określony zakres długości fal, odbijać inny zakres długości fal i transmitować inne długości fal światła.

Kiedy cząsteczka pochłania światło, energia jest wykorzystywana na cztery różne sposoby: (1) translacja, która powoduje, że cząsteczka zmienia swoją prędkość cząsteczkową; (2) wibracje, które powodują gwałtowną zmianę odległości między cząsteczkami; (3) rotacja, która powoduje, że atomy obracają się wokół wiązań w cząsteczce; oraz (4) wzbudzenie elektronów, które powoduje przejście elektronów na wyższe poziomy energetyczne.

Poziomy energii

W 1913 roku Niels Bohr zaproponował model atomu wodoru, w którym elektrony poruszają się wokół jądra po stałych, kołowych orbitach, zwanych stanami stacjonarnymi. Energia związana z każdą orbitą lub stanem stacjonarnym istnieje tylko przy stałych, dyskretnych energiach. Tylko wtedy, gdy elektron przemieszcza się na inną orbitę, energia jest pochłaniana lub emitowana. Elektron nigdy nie znajduje się w stanach pośrednich. Zmiana ta występuje tylko wtedy, gdy pochłonięta lub wyemitowana energia jest równa różnicy między dwoma stanami energetycznymi.

W modelu Bohra liczba kwantowa n reprezentuje energię elektronu. Kiedy elektron znajduje się w najniższym możliwym stanie energetycznym, mówi się, że zajmuje stan podstawowy, który wynosi n = 1. Kiedy elektron absorbuje foton, którego energia jest równa różnicy między stanem pierwszym a drugim, elektron zostaje wzbudzony i przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, gdzie n = 2. Jeśli energia fotonu jest równa różnicy między pierwszym a trzecim stanem, elektron przechodzi do stanu trzeciego, czyli n = 3 i tak dalej.

Elektrony mogą spontanicznie powrócić do stanu podstawowego lub dowolnego innego niższego, wzbudzonego stanu. Kiedy tak się dzieje, nadmiar energii, który został uzyskany w wyniku wzbudzenia, jest uwalniany w postaci wyemitowanego fotonu. Energia fotonu jest równa różnicy między dwoma stanami energetycznymi i odpowiada różnym długościom fal światła.

Widma absorpcyjne i emisyjne

Podczas gdy większość substancji pochłania lub emituje maksymalną ilość światła na jednej długości fali, mają one również tendencję do pochłaniania lub emitowania światła o różnych długościach fal. Ten zakres długości fal nazywa się widmem. Energia pochłoniętego światła jest określana ilościowo i wizualizowana za pomocą widma absorpcyjnego, podczas gdy energia emitowanego światła jest określana ilościowo i wizualizowana za pomocą widma emisyjnego.

Widma absorpcyjne i emisyjne są mierzone za pomocą spektrofotometru, który jest urządzeniem, które przepuszcza światło przez próbkę, a następnie mierzy zarówno długość fali, jak i intensywność światła, które przez nią przechodzi. Wewnątrz spektrofotometru znajduje się albo siatka dyfrakcyjna, albo pryzmat, który rozdziela wpadające światło na długości fal składowych. Różne długości fal są następnie przesyłane przez próbkę, a intensywność jest rejestrowana w detektorze liniowego urządzenia sprzężonego z ładunkiem (CCD). CCD to układ scalony wytrawiony na powierzchni krzemu, który tworzy światłoczułe elementy zwane pikselami. Matryca CCD zbiera i sortuje światło dyfrakcyjne i odczytuje je z powrotem na długości fali absorpcyjnej.

Podczas pomiaru absorbancji próbki substancja rozpuszczona jest zwykle rozpuszczana w rozpuszczalniku i umieszczana w pojemniku zwanym kuwetą. Następnie próbkę umieszcza się w spektrofotometrze, a natężenie przepuszczanego światła mierzy się wraz z długościami fal światła w celu uzyskania widm absorbancji. Zgodnie z oczekiwaniami natężenie przepuszczanego światła jest mniejsze niż w przypadku, gdy wewnątrz spektrofotometru nie ma próbki.

Dzieje się tak, ponieważ przepuszczane światło jest pochłaniane przez próbkę, kuwetę i rozpuszczalnik. Przed pomiarem próbek spektrofotometr musi zostać skalibrowany za pomocą "ślepej próby". Ślepa próba to kuweta, która zawiera tylko rozpuszczalnik używany do rozpuszczenia substancji rozpuszczonej. Spektrofotometr jest kalibrowany w taki sposób, że całkowita absorbancja spowodowana przez kuwetę i rozpuszczalnik jest odejmowana od zmierzonej absorbancji próbki. Dzięki temu możemy zarejestrować absorbancję, która jest przypisywana tylko do gatunku będącego przedmiotem zainteresowania.

Absorbancja jest często mierzona przy jednej długości fali, maksymalnej długości fali absorbancji. Jednak absorpcję można również zmierzyć w zakresie długości fal, aby uzyskać widmo absorpcyjne. W tym celu próbka jest wystawiana na działanie zakresu długości fal padającego światła, a absorpcja jest rejestrowana na każdej długości fali. Jeśli próbka emituje światło, widmo emisyjne mierzy się podobnie, z wyjątkiem tego, że długość fali padającej jest ustalona na długości fali o maksymalnej absorbancji. Następnie instrument mierzy intensywność emitowanego światła w zakresie długości fal.

Prawo Beera-Lamberta

Absorbancja próbki przy długości fali maksymalnej absorbancji dostarcza informacji o próbce, a mianowicie o jej stężeniu. Prawo Beera-Lamberta to równanie, które wiąże transmitancję ze stężeniem próbki. Przepuszczalność lub intensywność światła przechodzącego to ułamek światła pierwotnego, który przechodzi przez próbkę, I, podzielony przez natężenie padającego światła, I₀.

Prawo Beera-Lamberta mówi, że absorbancja optyczna A gatunku w roztworze jest związana z ujemnym logarytmem transmitancji.

Alternatywna wersja prawa Beera-Lamberta mówi, że absorbancja optyczna A gatunku w roztworze jest liniowo proporcjonalna do stężenia c tego gatunku, gdy długość fali λ i długość drogi l są utrzymywane na stałym poziomie.

Molowy współczynnik tłumienia ε jest miarą tego, jak silnie gatunek pochłania światło o danej długości fali. Im większy molowy współczynnik tłumienia, tym większa absorbancja. Długość ścieżki, l, to odległość, jaką światło pokonuje przez próbkę, czyli szerokość kuwety. Standardowe kuwety mają długość ścieżki 1 cm.

Ta liniowa zależność między absorbancją a stężeniem jest potężnym narzędziem, które służy do określania stężenia nieznanej próbki na podstawie jej absorbancji. W tym celu generowana jest krzywa standardowa przy użyciu gradientu znanych stężeń substancji rozpuszczonej. Absorbancja przy szczytowej długości fali absorbancji, λ_max, jest mierzona dla każdego stężenia.

Wykreślając stężenie w funkcji absorbancji, obserwuje się zależność liniową, która odpowiada równaniu Beera-Lamberta. Nachylenie tej linii jest równe iloczynowi długości drogi i molowego współczynnika tłumienia. Korzystając z tej obliczonej funkcji liniowej, jeśli znana jest absorbancja nieznanej próbki, można łatwo określić stężenie.

Jeśli analizowana próbka jest reakcją w stanie równowagi, prawo Beera można wykorzystać do określenia stężenia równowagowego produktu lub reagenta, jeśli absorbancja jest mierzona przy_{λ max} specyficznym dla tego produktu lub reagenta. Gdy stężenie jest znane, można określić stężenia równowagowe pozostałych reagentów i produktów, a następnie rozwiązać stałą równowagi_{K eq}.

Odwołania

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemia i reaktywność chemiczna. Belmont, Kalifornia: Brooks/Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Chemia: molekularna natura materii i zmiana. Boston, Massachusetts: McGraw Hill, Boston.
3. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.

Wiele reakcji chemicznych przebiega w dwóch kierunkach, do przodu i do tyłu. Z biegiem czasu reakcje do przodu i do tyłu będą zachodzić w tym samym tempie, a stężenie reagentów i produktów nie będzie się już zmieniać. Jest to tak zwana równowaga chemiczna.

W równowadze chemicznej stężenia każdego składnika są powiązane ze sobą stałą równowagi K, która jest stosunkiem stężeń produktu do stężeń reagentów, z których każdy jest podniesiony do potęgi ich współczynników stechiometrycznych.

Ale jak określić stężenia równowagi? Jedna z metod mierzy intensywność długości fali światła, którą produkt pochłania przed i po przejściu przez próbkę. Różnica intensywności nazywana jest absorbancją i odpowiada ilości związku absorbującego w próbce.

Być może pamiętasz, że elektrony w większości zajmują stan podstawowy. Kiedy pochłaniają pewną ilość energii, są wzbudzone do wyższego poziomu energii. Energia ta odpowiada określonej długości fali światła. Możesz znaleźć tę długość fali i zmierzyć absorbancję za pomocą spektrofotometru, który kieruje wiązkę światła przez próbkę i mierzy zmianę intensywności na jednej lub więcej długościach fali.

Absorpcja jest równa ujemnemu logarytmowi natężenia światła tłumionego w stosunku do natężenia światła padającego. Wykreślając wartości absorbancji wielu roztworów o różnych znanych stężeniach produktu, obserwujemy liniową zależność między absorbancją a stężeniem. Jest to przykład prawa Piwa.

Prawo Beera jest wyrażone matematycznie za pomocą tego równania, gdzie A to absorbancja, epsilon to molowy współczynnik tłumienia, stała zmienna dla każdego związku, l to długość drogi światła przez próbkę, a c to stężenie związku.

Identyfikując funkcję liniową dla danego związku przy określonej długości fali i długości ścieżki, można wykorzystać dane absorbancji roztworu w stanie równowagi do określenia stężenia równowagowego produktu. Stamtąd możesz obliczyć stężenia równowagowe reagentów i rozwiązać stałą równowagi. W tym laboratorium przygotujesz roztwory izotiocyjanianu żelaza(III) i użyjesz spektrofotometru do określenia jego absorbancji przy różnych stężeniach.