Bira Yasası

Absorbans ve Floresan

Işık bir maddeye çarptığında ya emilir, iletilir ya da yansıtılır. Tipik olarak, bir madde, her biri moleküller veya atomlarla farklı şekilde etkileşime giren bir dizi dalga boyu ile etkileşime girer. Bir madde belirli bir dalga boyu aralığını emebilir, başka bir dalga boyu aralığını yansıtabilir ve diğer dalga boylarını iletebilir.

Bir molekül ışığı emdiğinde, enerji dört farklı şekilde kullanılır: (1) molekülün moleküler hızını değiştirmesine neden olan translasyon; (2) moleküller arasındaki mesafenin hızla değişmesine neden olan titreşim; (3) atomların bir moleküldeki bağlar etrafında dönmesine neden olan rotasyon; ve (4) elektronların daha yüksek enerji seviyelerine geçmesine neden olan elektron uyarımı.

Enerji Seviyeleri

1913'te Niels Bohr, elektronların durağan durumlar adı verilen sabit, dairesel yörüngelerde çekirdeğin etrafında hareket ettiği hidrojen atomu için bir model önerdi. Her yörünge veya durağan durumla ilişkili enerji, yalnızca sabit, ayrık enerjilerde bulunur. Sadece bir elektron başka bir yörüngeye hareket ettiğinde enerji emilir veya yayılır. Elektron hiçbir zaman ara durumlar arasında değildir. Bu değişiklik, yalnızca emilen veya yayılan enerji, iki enerji durumu arasındaki farka eşitse meydana gelir.

Bohr'un modelinde, n kuantum sayısı elektronun enerjisini temsil eder. Bir elektron mümkün olan en düşük enerji durumunu işgal ettiğinde, n = 1 olan temel durumu işgal ettiği söylenir. Bir elektron, enerjisi birinci ve ikinci durumlar arasındaki farka eşit olan bir fotonu emdiğinde, elektron uyarılır ve temel durumdan uyarılmış duruma geçer, burada n = 2. Fotonun enerjisi birinci ve üçüncü durumlar arasındaki farka eşitse, elektron üçüncü duruma geçer veya n = 3 vb.

Elektronlar kendiliğinden temel duruma veya başka herhangi bir düşük, uyarılmış duruma geri dönebilir. Bu olduğunda, uyarmadan elde edilen fazla enerji, yayılan bir foton şeklinde salınır. Fotonun enerjisi, iki enerji durumu arasındaki farka eşittir ve ışığın farklı dalga boylarına karşılık gelir.

Absorpsiyon ve Emisyon Spektrumları

Çoğu madde bir dalga boyunda maksimum miktarda ışığı emer veya yayarken, aynı zamanda bir dalga boyu aralığında ışığı emme veya yayma eğilimindedirler. Bu dalga boyu aralığına spektrum denir. Emilen ışığın enerjisi, bir absorpsiyon spektrumu kullanılarak ölçülür ve görselleştirilirken, yayılan ışığın enerjisi bir emisyon spektrumu kullanılarak ölçülür ve görselleştirilir.

Absorpsiyon ve emisyon spektrumları, ışığı bir numuneden geçiren ve ardından içinden geçen ışığın hem dalga boyunu hem de yoğunluğunu ölçen bir cihaz olan bir spektrofotometre kullanılarak ölçülür. Spektrofotometrenin içinde, gelen ışığı bileşen dalga boylarına ayıran bir kırınım ızgarası veya bir prizma bulunur. Farklı dalga boyları daha sonra numune boyunca iletilir ve yoğunluk, doğrusal bir yük bağlantılı cihaz (CCD) dedektörüne kaydedilir. CCD, piksel adı verilen ışığa duyarlı elemanlar oluşturan silikon bir yüzeye kazınmış entegre bir devredir. CCD, kırınıma uğrayan ışığı toplar ve sıralar ve bir soğurma dalga boyunda geri okur.

Bir numunenin absorbansını ölçerken, çözünen madde genellikle bir çözücü içinde çözülür ve küvet olarak bilinen bir kaba yerleştirilir. Daha sonra numune spektrofotometrenin içine yerleştirilir ve iletilen ışığın yoğunluğu, bir absorbans spektrumu elde etmek için ışığın dalga boyları ile birlikte ölçülür. Beklendiği gibi, iletilen ışığın yoğunluğu, spektrofotometrenin içinde örnek bulunmadığı duruma göre daha düşüktür.

Bunun nedeni, iletilen ışığın numune, küvet ve çözücü tarafından emilmesidir. Numuneleri ölçmeden önce, spektrofotometre bir 'boş' ile kalibre edilmelidir. Boş, yalnızca çözünen maddeyi çözmek için kullanılan çözücüyü içeren bir küvettir. Spektrofotometre, küvet ve çözücüden kaynaklanan toplam absorbans, numunenin ölçülen absorbansından çıkarılacak şekilde kalibre edilir. Bu, yalnızca ilgilenilen türe atfedilen emilimi kaydetmemizi sağlar.

Absorbans genellikle bir dalga boyunda, maksimum absorbans dalga boyunda ölçülür. Bununla birlikte, absorpsiyon, absorpsiyon spektrumunu elde etmek için bir dizi dalga boyunda da ölçülebilir. Bunun için numune, gelen ışığın bir dizi dalga boyuna maruz bırakılır ve absorpsiyon her dalga boyunda kaydedilir. Numune ışık yayarsa, gelen dalga boyunun maksimum absorbans dalga boyunda sabitlenmesi dışında, emisyon spektrumu benzer şekilde ölçülür. Cihaz daha sonra bir dizi dalga boyunda yayılan ışığın yoğunluğunu ölçer.

Beer-Lambert Yasası

Bir numunenin maksimum absorbans dalga boyunda absorbans yapması, numune hakkında bilgi verir, yani konsantrasyonu hakkında bilgi verir. Beer-Lambert Yasası, geçirgenliği numune konsantrasyonu ile ilişkilendiren bir denklemdir. İletilen ışığın geçirgenliği veya yoğunluğu, numuneden geçen orijinal ışığın (I) gelen ışığın yoğunluğuna (I₀) bölünmesiyle elde edilir.

Beer-Lambert Yasası, çözeltideki bir türün optik absorpsiyonunun, A'nın, geçirgenliğin negatif kütüğü ile ilişkili olduğunu belirtir.

Beer-Lambert Yasasının alternatif bir versiyonu, çözeltideki bir türün optik absorpsiyonunun, A'nın, dalga boyu, λ ve yol uzunluğu, l sabit tutulduğunda, o türün konsantrasyonu, c ile doğrusal olarak orantılı olduğunu belirtir.

Molar zayıflama katsayısı ε, bir türün belirli bir dalga boyunda ışığı ne kadar güçlü emdiğinin bir ölçüsüdür. Molar zayıflama katsayısı ne kadar büyükse, absorbans o kadar büyük olur. Yol uzunluğu, l, küvetin genişliği olan ışığın numune boyunca kat ettiği mesafedir. Standart küvetlerin yol uzunluğu 1 cm'dir.

Absorbans ve konsantrasyon arasındaki bu doğrusal ilişki, absorbansına dayalı olarak bilinmeyen bir numunenin konsantrasyonunu belirlemek için kullanılan güçlü bir araçtır. Bunu yapmak için, çözünen maddenin bilinen konsantrasyonlarının bir gradyanı kullanılarak standart bir eğri oluşturulur. En yüksek absorbans dalga boyundaki absorbans, λ_max, her konsantrasyon için ölçülür.

Konsantrasyona karşı absorbans çizilerek, Beer-Lambert denklemine karşılık gelen doğrusal bir ilişki gözlenir. Bu çizginin eğimi, yol uzunluğunun ve molar zayıflama katsayısının çarpımına eşittir. Bu hesaplanan doğrusal fonksiyon kullanılarak, bilinmeyen numunenin absorbansı biliniyorsa, konsantrasyon kolayca belirlenebilir.

Analiz edilen numune dengede bir reaksiyon ise, absorbans o ürüne veya reaktana özgü λ_maks olarak ölçülürse, bir ürünün veya reaktanın denge konsantrasyonunu belirlemek için Beer Yasası kullanılabilir. Konsantrasyon bilindikten sonra, kalan reaktanların ve ürünlerin denge konsantrasyonlarını belirleyebilir ve ardından denge sabiti K_eq'yi çözebilirsiniz.

Başvuru

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). Kimya ve Kimyasal Reaktivite. Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Öğrenme.
2. Silderberg, M.S. (2009). Kimya: Maddenin ve Değişimin Moleküler Doğası. Boston, MA: McGraw Tepesi, Boston.
3. Harris, D.C. (2015). Kantitatif Kimyasal Analiz. New York, NY: W.H. Freeman ve Şirketi.

Birçok kimyasal reaksiyon ileri ve geri olmak üzere iki yönde ilerler. Zamanla, ileri ve geri reaksiyonlar aynı oranda gerçekleşecek ve reaktanların ve ürünlerin konsantrasyonu artık değişmeyecektir. Bu kimyasal denge olarak bilinir.

Kimyasal dengede, her bir bileşenin konsantrasyonları, her biri stokiyometrik katsayılarının gücüne yükseltilen, ürün konsantrasyonlarının reaktan konsantrasyonlarına oranı olan denge sabiti K ile birbiriyle ilişkilidir.

Ancak denge konsantrasyonlarını nasıl belirlersiniz? Bir yöntem, ürünün bir numuneden geçmeden önce ve sonra emdiği bir dalga boyunun yoğunluğunu ölçer. Yoğunluk farkına absorbans denir ve numunedeki absorbe edici bileşiğin miktarına karşılık gelir.

Elektronların çoğunlukla temel durumu işgal ettiğini hatırlayabilirsiniz. Belli bir miktarda enerji emdiklerinde, daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılırlar. Bu enerji, belirli bir ışık dalga boyuna karşılık gelir. Bu dalga boyunu bulabilir ve bir ışık demetini numuneden geçiren ve bir veya daha fazla dalga boyunda yoğunluktaki değişimi ölçen bir spektrofotometre ile absorbasyonu ölçebilirsiniz.

Soğurma, gelen ışığın yoğunluğu üzerindeki zayıflatılmış ışığın yoğunluğunun negatif günlüğüne eşittir. Bilinen farklı ürün konsantrasyonlarına sahip birden fazla çözeltinin absorbans değerlerini çizerek, absorbans ve konsantrasyon arasında doğrusal bir ilişki gözlemliyoruz. Bu Beer Yasasının bir örneğidir.

Bira Yasası bu denklemle matematiksel olarak ifade edilir, burada A absorbans, epsilon molar zayıflama katsayısı, her bileşik için değişen bir sabit, l numune boyunca ışığın yol uzunluğu ve c bileşiğin konsantrasyonudur.

Belirli bir dalga boyunda ve yol uzunluğunda belirli bir bileşik için doğrusal fonksiyonu tanımlayarak, ürünün denge konsantrasyonunu belirlemek için dengedeki bir çözeltinin absorbans verilerini kullanabilirsiniz. Oradan, reaktanların denge konsantrasyonlarını hesaplayabilir ve denge sabitini çözebilirsiniz. Bu laboratuvarda, demir(III) izotiyosiyanat çözeltileri hazırlayacak ve çeşitli konsantrasyonlarda absorbansını belirlemek için bir spektrofotometre kullanacaksınız.