Boyaların UV-Vis Spektroskopisi

Emicilik

Işık bir madde ile etkileşime girdiğinde, ışığın bir kısmı emilirken, geri kalanı ya yansıtılır ya da onun aracılığıyla iletilir. Bir renge sahip olarak algıladığımız maddeler, görünür aralıktaki ışığı yansıtır. Görebildiğimiz maddenin rengi, hangi dalga boyundaki ışığın yansıtıldığına bağlıdır. Mavi olarak algıladığımız bir madde, görünür spektrumun mavi aralığındaki (430 – 480 nm) ışığı yansıtır. Renk çarkına göre, aynı madde yansıyan ışığı tamamlayan ışığı emer. Böylece mavi madde, görünür spektrumun turuncu bölgesindeki (590 – 630 nm) ışığı emer. Tüm bileşikler görünür bölgede emilmez ve sonuç olarak insan gözüne renksiz görünürler.

Işık, enerjisi E ve dalga boyu λ ile tanımlanır. Burada, h Planck sabiti ve c ışık hızıdır.

Işığın dalga boyu, enerjisi ile ters orantılıdır. Bu nedenle, daha yüksek enerjili ışığın dalga boyu daha kısadır.

Boya

Farklı renkteki boyalar, emdikleri ışığın dalga boyuna göre değişir. Boyaların çoğu, alternatif çift ve tek bağlara sahip konjuge bileşiklerdir ve tipik olarak görünür bölgedeki ışığı emer.

Boya molekülünün konjuge kısmı çok kısa olabilir, yani düşük derecede bir konjugasyon derecesi ve az sayıda alternatif çift ve tek bağ vardır veya uzun, yani birçok alternatif çift ve tek bağ ile yüksek derecede konjugasyon vardır. Bu alternatif çift bağların sadece iki karbon arasında olması gerekmez. Bu konjuge bağlar, karbonil gruplarını ve karbon ile oksijen arasındaki çift bağları içerebilir. Konjugasyon derecesi, bileşiğin emdiği ışığın dalga boyunu belirler. Örneğin, yüksek derecede konjugasyona sahip bileşikler, daha düşük konjugasyon derecesine sahip bileşiklerden daha uzun bir dalga boyunu emer.

Moleküler orbital teorisine dayanarak, delokalize elektronlar moleküler orbitalleri işgal eder. En yüksek işgal edilen moleküler orbital veya HOMO, bir elektron ile en yüksek enerjili orbitaldir. En düşük boş moleküler orbital veya LUMO, elektronu olmayan en düşük enerjili orbitaldir. Konjugasyonu çok az olan veya hiç olmayan moleküller tipik olarak HOMO ve LUMO arasında büyük bir enerji boşluğuna sahiptir. Bununla birlikte, konjuge moleküller, HOMO ve LUMO arasında daha küçük bir enerji boşluğuna sahiptir.

Bir elektronu daha düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine veya HOMO'dan LUMO'ya uyarmak için, molekülün iki orbital arasındaki enerji boşluğuna eşit enerjiyle ışığı emmesi gerekir. Bu nedenle, büyük bir enerji boşluğuna sahip moleküller, bir elektronu uyarmak için UV ışığı gibi daha yüksek enerjili ışığa ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, boyalar daha küçük bir enerji boşluğuna sahiptir ve bir elektronu uyarmak için görünür ışık gibi daha düşük enerjili ışığa ihtiyaç duyar.

Bu nedenle, büyük bir enerji boşluğuna sahip moleküller, bir elektronu uyarmak için UV ışığı gibi daha yüksek enerjili ışığa ihtiyaç duyar. Bununla birlikte, boyalar daha küçük bir enerji boşluğuna sahiptir ve bir elektronu uyarmak için görünür ışık gibi daha düşük enerjili ışığa ihtiyaç duyar.

Işık enerjisinin dalga boyu ile ters orantılı olduğunu hatırlayın. Bu nedenle, daha yüksek enerjili ışık, daha uzun dalga boylarına sahip düşük enerjili ışıktan daha kısa dalga boylarına sahiptir.

Spektrofotometre

Deneysel olarak, ışık absorbansı bir UV-Görünür (UV-Vis) spektrofotometre kullanılarak ölçülür. Bu cihaz, bir monokromatör tarafından bir numuneden geçecek ve diğer uçtaki bir dedektöre geçecek belirli dalga boylarındaki ışığa dönüştürülen bir ışık kaynağı kullanır. Numuneler sıvı içinde olmalıdır, bu nedenle organik bileşik katı ise bir çözücü gereklidir. Bu çözelti, küvet olarak bilinen bir numune tutucuda tutulur. Numuneye bağlı olarak, küvet kuvars kristali, cam veya plastikten yapılabilir ve belirli bir yol uzunluğuna sahip olabilir. Bu yol uzunluğu, ışığın numune boyunca kat etmesi gereken mesafedir. Çözücü aynı zamanda ışığı da emeceğinden, tek başına çözücüden boş bir numune gereklidir. Bu nedenle, cihaz numune bileşiğinin absorbans spektrumunu yakaladığında, yalnızca numunenin neden olduğu absorbansı göstermek için çözücünün arka plan spektrumunu çıkarabilir. Geçirgenlik, T, numuneden geçen orijinal ışığın fraksiyonudur.

Burada, P₀, numuneye çarpmadan önce ışık huzmesinin ışınımı veya birim alan başına saniye başına düşen enerjidir. P, dedektöre çarpan ışık huzmesinin ışınımıdır. Işığın bir kısmı numune tarafından emildiği için P tipik olarak P_0'dan daha düşüktür.

Absorbans, A, geçirgenliğin negatif kütüğü olarak tanımlanır.

Işık bir maddeye ulaştığında, bir kısmı onun tarafından emilirken, geri kalanı ya yansıtılır ya da onun aracılığıyla iletilir. Maddenin rengi, algıladığımız şekliyle, hangi dalga boylarını yansıtma olasılığının en yüksek olduğuna bağlıdır. Örneğin, mavi olarak gördüğümüz bir kumaş parçası, mavi ışığı güçlü bir şekilde yansıtan ve turuncu ve kırmızı ışığı güçlü bir şekilde emen bir boya içerir.

Boyalar tipik olarak konjuge bileşiklerdir, yani alternatif çift ve tek bağlara sahiptirler. Elektronlar konjuge sistem içinde serbestçe hareket edebilir. Farklı renkteki boyalar, emdikleri ışığın dalga boylarında değişiklik göstermelidir. Birkaç örneğe baktığımızda emilen dalga boyunun konjugasyon miktarı ile arttığını görürüz.

Peki, dalga boyu konjugasyon derecesi ile nasıl ilişkilidir? Moleküler enerji seviyelerini ele alalım. Delokalize elektronları işgal eden moleküler orbitaller veya MO'lar olarak düşünebiliriz. Bir molekül, bir elektronu daha yüksek enerjili bir moleküler orbitale uyarmak için gereken tam enerjiye sahip ışığı emer. En olası geçiş, HOMO adı verilen en yüksek dolu moleküler orbitalden en düşük boş moleküler orbitale veya LUMO'ya geçiştir. Bu nedenle, en çok emilen dalga boyunun HOMO - LUMO enerji boşluğu ile eşleşmesini bekliyoruz.

Konjugasyonu çok az olan veya hiç olmayan moleküller tipik olarak büyük bir HOMO - LUMO boşluğuna sahiptir. UV ışığını emerler ve tüm görünür ışığı yansıtırlar, böylece beyaz veya renksiz görünürler. Konjuge bağlar, özellikle yüksek enerjilerde enerji seviyelerini düşürerek molekülleri stabilize eder. Konjugasyon derecesi ne kadar yüksek olursa, HOMO - LUMO boşluğu o kadar küçük ve emilen dalga boyu o kadar büyük olur. Metaller ve ikameler de boşluğu etkiler.

Bir örneğe bakalım. Retinol küçük bir konjuge sisteme sahipken, klorofil a nitrojen ve magnezyum içeren büyük bir sisteme sahiptir. Retinol 325 nm'de emerken, klorofil a hem 430 hem de 662 nm'de emer. Beklendiği gibi, retinolün enerji açığı daha büyüktür.

Bir UV ve görünür ışık veya UV-Vis spektrofotometresi kullanarak absorpsiyonu inceleyebiliriz. Bir spektrofotometre, bir ışık kaynağı, numunenin aldığı dalga boylarını kontrol etmenin bir yolu ve bir ışık dedektöründen oluşur. Numune tipik olarak şeffaf bir çözeltidir. Absorbans, belirli bir dalga boyunda ölçülebilir veya bir dalga boyu aralığında ölçülebilir, çünkü bileşikler genellikle birden fazla dalga boyunda absorbe eder. Ek olarak, moleküller farklı yönelimlerde ve titreşim durumlarında olduğu için her geçiş için bir dizi dalga boyu görüyoruz.

Ölçüm sırasında ışık ya emilir, herhangi bir moleküle temas etmeden geçer ya da bir çözücü veya bileşik molekülden seker. Geriye doğru yansıyan az miktarda ışığı görmezden geliyoruz. Bazen, bir molekül tarafından emilebilen ışık, bunun yerine ondan yansır. Bir maddenin belirli bir dalga boyunu benzersiz bir molar zayıflama katsayısı ile ne kadar iyi ilettiğini açıklıyoruz. Absorbans konsantrasyonla değişirken, molar zayıflama katsayısı değişmez.

Ölçümden sonra spektrofotometre, alınan ve orijinal ışığı geçirgenlik adı verilen bir oranda karşılaştırır. Absorbans, geçirgenliğin negatif baz 10 logaritmasıdır. Spektrofotometre çözücünün absorbansına sahipse, sadece bileşiği göstermek için onu çıkarır. Sonuçlar genellikle dalga boyuna karşı absorbans olarak görüntülenir. Bileşiğin en çok emdiği dalga boyuna lambda max denir. Her dalga boyu için molar zayıflama katsayısını hesaplarsak, lambda maks.

Molar zayıflama katsayısı, absorbans, numune konsantrasyonu ve ışığın numune boyunca kat ettiği mesafe olan yol uzunluğu, Beer-Lambert yasası ile ilişkilidir. Herhangi üç değişkeni biliyorsak, dördüncüsünü hesaplayabiliriz.

Bu laboratuvarda, bir UV-Vis spektrofotometresi kullanarak floresein, beta karoten ve indigo boyanın absorpsiyon özelliklerini analiz edeceksiniz. Daha sonra bir β-karoten kalibrasyon eğrisi oluşturmak için Beer-Lambert yasasını kullanacak ve ardından β-karoten çözeltisinin konsantrasyonunu belirleyeceksiniz.