Закон о пиве

Абсорбция и флуоресценция

Когда свет попадает на вещество, оно либо поглощается, либо пропускается, либо отражается. Как правило, вещество взаимодействует с диапазоном длин волн света, каждая из которых взаимодействует с молекулами или атомами по-разному. Вещество может поглощать определенный диапазон длин волн, отражать другой диапазон длин волн и пропускать другие длины волн света.

Когда молекула поглощает свет, энергия используется четырьмя различными способами: (1) перемещение, которое заставляет молекулу изменять свою молекулярную скорость; (2) вибрация, которая приводит к быстрому изменению расстояния между молекулами; (3) вращение, которое заставляет атомы вращаться вокруг связей в молекуле; и (4) возбуждение электронов, которое заставляет электроны переходить на более высокие энергетические уровни.

Уровни энергии

В 1913 году Нильс Бор предложил модель атома водорода, в которой электроны движутся вокруг ядра по фиксированным круговым орбитам, называемым стационарными состояниями. Энергия, связанная с каждой орбитой, или стационарным состоянием, существует только при фиксированных, дискретных энергиях. Только когда электрон переходит на другую орбиту, энергия поглощается или испускается. Электрон никогда не находится между промежуточными состояниями. Это изменение происходит только в том случае, если поглощенная или излучаемая энергия равна разнице между двумя энергетическими состояниями.

В модели Бора квантовое число n представляет собой энергию электрона. Когда электрон занимает минимально возможное энергетическое состояние, говорят, что он занимает основное состояние, которое равно n = 1. Когда электрон поглощает фотон, энергия которого равна разности между первым и вторым состояниями, электрон возбуждается и переходит из основного состояния в возбужденное, где n = 2. Если энергия фотона равна разности между первым и третьим состояниями, электрон переходит в третье состояние, или n = 3, и т. д.

Электроны могут самопроизвольно возвращаться в основное состояние или в любое другое более низкое, возбужденное состояние. Когда это происходит, избыточная энергия, полученная от возбуждения, высвобождается в виде испускаемого фотона. Энергия фотона равна разнице между двумя энергетическими состояниями и соответствует разным длинам волн света.

Спектры поглощения и излучения

В то время как большинство веществ поглощают или излучают максимальное количество света на одной длине волны, они также имеют тенденцию поглощать или излучать свет в диапазоне длин волн. Этот диапазон длин волн называется спектром. Энергия поглощенного света количественно определяется и визуализируется с помощью спектра поглощения, в то время как энергия излучаемого света количественно измеряется и визуализируется с помощью спектра излучения.

Спектры поглощения и излучения измеряются с помощью спектрофотометра, который представляет собой устройство, пропускающее свет через образец, а затем измеряющее как длину волны, так и интенсивность света, проходящего через него. Внутри спектрофотометра находится либо дифракционная решетка, либо призма, которая разделяет входящий свет на составляющие его длины волн. Затем различные длины волн пропускаются через образец, а интенсивность регистрируется на детекторе устройства с линейной зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрица представляет собой интегральную схему, выгравированную на кремниевой поверхности, которая образует светочувствительные элементы, называемые пикселями. ПЗС-матрица собирает и сортирует дифрагированный свет и считывает его обратно на длине волны поглощения.

При измерении абсорбционной способности образца растворенное вещество обычно растворяют в растворителе и помещают в контейнер, известный как кювета. Затем образец помещают внутрь спектрофотометра, и измеряют интенсивность проходящего света вместе с длинами волн света для получения спектров поглощения. Как и ожидалось, интенсивность проходящего света ниже, чем при отсутствии образца внутри спектрофотометра.

Это связано с тем, что проходящий свет поглощается образцом, кюветой и растворителем. Перед измерением образцов спектрофотометр должен быть откалиброван с «заготовкой». Бланк — это кювета, которая содержит только растворитель, используемый для растворения растворенного вещества. Спектрофотометр откалиброван таким образом, что общая поглощающая способность, обусловленная кюветой и растворителем, вычитается из измеренной абсорбции образца. Это позволяет нам регистрировать поглощение, которое приписывается только интересующему нас виду.

Поглощение часто измеряется на одной длине волны, максимальной длине волны поглощения. Тем не менее, поглощение также может быть измерено в диапазоне длин волн для получения спектра поглощения. Для этого образец подвергается воздействию падающего света в диапазоне длин волн, и поглощение регистрируется на каждой длине волны. Если образец излучает свет, спектр излучения измеряется аналогичным образом, за исключением того, что длина падающей волны фиксируется на длине волны максимального поглощения. Затем прибор измеряет интенсивность излучаемого света в диапазоне длин волн.

Закон Бир-Ламберта

Поглощение образца на длине волны максимального поглощения дает информацию о образце, а именно о его концентрации. Закон Бера-Ламберта — это уравнение, которое связывает коэффициент пропускания с концентрацией образца. Коэффициент пропускания, или интенсивность проходящего света, представляет собой долю исходного света, проходящего через образец I, деленную на интенсивность падающего света I₀.

Закон Бера-Ламберта гласит, что оптическое поглощение А вещества в растворе связано с отрицательным логарифмом пропускания.

Альтернативная версия закона Бера-Ламберта гласит, что оптическое поглощение A вещества в растворе линейно пропорционально концентрации c этого вещества, когда длина волны λ и длина пути l остаются постоянными.

Молярный коэффициент затухания, ε, является мерой того, насколько сильно вещество поглощает свет на данной длине волны. Чем больше коэффициент затухания моляров, тем больше поглощение. Длина пути, l, — это расстояние, на которое свет проходит через образец, то есть ширина кюветы. Стандартные кюветы имеют длину пути 1 см.

Эта линейная зависимость между поглощением и концентрацией является мощным инструментом, который используется для определения концентрации неизвестного образца на основе его поглощения. Для этого строится стандартная кривая с использованием градиента известных концентраций растворенного вещества. Поглощение на пиковой длине волны поглощения, λ_max, измеряется для каждой концентрации.

При построении графика зависимости концентрации от поглощения наблюдается линейная зависимость, которая соответствует уравнению Бира-Ламберта. Наклон этой линии равен произведению длины пути на молярный коэффициент затухания. Используя эту рассчитанную линейную функцию, если известна поглощающая способность неизвестного образца, можно легко определить концентрацию.

Если анализируемый образец представляет собой реакцию в равновесии, закон Бира может быть использован для определения равновесной концентрации продукта или реагента, если поглощение измеряется при λ_max, специфичном для этого продукта или реагента. После того, как концентрация известна, можно определить равновесные концентрации остальных реагентов и продуктов, а затем рассчитать константу равновесия K_eq.

Ссылки

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). Химия: молекулярная природа материи и изменения. Бостон, Массачусетс: Макгроу Хилл, Бостон.
3. Harris, D.C. (2015). Количественный химический анализ. Нью-Йорк, Нью-Йорк: W.H. Freeman and Company.

Многие химические реакции протекают в двух направлениях: прямом и обратном. Со временем прямые и обратные реакции будут происходить с одинаковой скоростью, а концентрация реагентов и продуктов уже не будет меняться. Это известно как химическое равновесие.

При химическом равновесии концентрации каждого компонента связаны друг с другом константой равновесия K, которая представляет собой отношение концентраций продуктов к концентрациям реагентов, каждая из которых приводится в степень их стехиометрических коэффициентов.

Но как определить равновесные концентрации? Один из методов измеряет интенсивность длины волны света, которую продукт поглощает до и после прохождения через образец. Разница интенсивностей называется абсорбцией, и она соответствует количеству поглощающего соединения в образце.

Возможно, вы помните, что электроны в основном находятся в основном в основном состоянии. Когда они поглощают определенное количество энергии, они возбуждаются до более высокого энергетического уровня. Эта энергия соответствует определенной длине волны света. Вы можете найти эту длину волны и измерить поглощение с помощью спектрофотометра, который направляет луч света через образец и измеряет изменение интенсивности на одной или нескольких длинах волн.

Поглощение равно отрицательному логарифму интенсивности ослабленного света по отношению к интенсивности падающего света. Построив графики значений поглощения нескольких растворов с различными известными концентрациями продуктов, мы наблюдаем линейную зависимость между поглощением и концентрацией. Это пример закона Пива.

Закон Бира математически выражается следующим уравнением, где A — поглощение, эпсилон — молярный коэффициент затухания, константа, которая варьируется для каждого соединения, l — длина пути света через образец, а c — концентрация соединения.

Определив линейную функцию для данного соединения на определенной длине волны и длине пути, вы можете использовать данные об поглощении решения в равновесном состоянии для определения равновесной концентрации продукта. Исходя из этого, вы можете рассчитать равновесные концентрации реагентов и рассчитать константу равновесия. В этой лаборатории вы будете готовить растворы изотиоцианата железа (III) и использовать спектрофотометр для определения его поглощения в различных концентрациях.