ABSORPTIE: WAT IS HET, VOORBEELDEN EN OPGELOSTE OEFENINGEN - FYSIEK - 2024

De absorptie is de logaritme met een negatief teken van het quotiënt tussen de intensiteit van het optredende licht en de intensiteit van invallend licht op een monster van doorschijnende oplossing die is verlicht met monochromatisch licht. Dit quotiënt is de doorlaatbaarheid.

Het fysieke proces van licht dat door een monster gaat, wordt lichttransmissie genoemd en absorptie is er een maat voor. Daarom wordt de absorptie de minste logaritme van de doorlaatbaarheid en zijn dit belangrijke gegevens om de concentratie van een monster te bepalen dat in het algemeen is opgelost in een oplosmiddel zoals water, alcohol of een ander.

Figuur 1. Schema van het absorptieproces. Opgesteld door F. Zapata

Om de absorptie te meten, is een apparaat genaamd een elektrofotometer vereist, waarmee een stroom wordt gemeten die evenredig is met de lichtintensiteit die op het oppervlak valt.

Bij het berekenen van de doorlaatbaarheid wordt het intensiteitssignaal dat overeenkomt met alleen het oplosmiddel in het algemeen eerst gemeten en dit resultaat wordt geregistreerd als Io.

Vervolgens wordt het opgeloste monster onder dezelfde lichtomstandigheden in het oplosmiddel geplaatst. Het door de elektrofotometer gemeten signaal wordt aangeduid als I, waardoor de doorlaatbaarheid T kan worden berekend volgens de volgende formule:

T = I / I of

Het is een dimensieloze hoeveelheid. De extinctie A wordt dus uitgedrukt als:

A = - logboek (T) = - logboek (I / I o)

Molaire absorptie en absorptie

De moleculen waaruit een chemische stof bestaat, zijn in staat licht te absorberen, en een maat hiervoor is precies de absorptie. Het is het resultaat van de interactie tussen fotonen en moleculaire elektronen.

Daarom is het een grootte die zal afhangen van de dichtheid of concentratie van de moleculen waaruit het monster bestaat en ook van het optische pad of de afstand die door het licht wordt afgelegd.

De experimentele gegevens geven aan dat de absorptie A lineair evenredig is met de concentratie C en de afstand d afgelegd door het licht. Dus om het op basis van deze parameters te berekenen, kan de volgende formule worden opgesteld:

A = ε⋅C⋅d

In de bovenstaande formule is ε een evenredigheidsconstante die bekend staat als molair absorptievermogen.

Molaire absorptie hangt af van het type stof en van de golflengte waarop de absorptie wordt gemeten. Molaire absorptie is ook gevoelig voor monstertemperatuur en monster-pH.

Wet van Beer-Lambert

Deze relatie tussen absorptie, absorptievermogen, concentratie en afstand van de dikte van het pad dat het licht volgt binnen het monster staat bekend als de Beer-Lambert-wet.

Figuur 2. De wet van Beer-Lambert. Bron: F. Zapata,

Hier zijn enkele voorbeelden van hoe u het kunt gebruiken.

Voorbeelden

voorbeeld 1

Tijdens een experiment wordt een monster belicht met rood licht van een helium-neonlaser met een golflengte van 633 nm. Een elektrofotometer meet 30 mV wanneer laserlicht direct valt en 10 mV wanneer het door een monster gaat.

In dit geval is de doorlaatbaarheid:

T = I / Io = 10 mV / 30 mV = ⅓.

En de absorptie is:

A = - logboek (⅓) = logboek (3) = 0,48

Voorbeeld 2

Als dezelfde stof in een houder wordt geplaatst die half zo dik is als die van voorbeeld 1, vertel dan hoeveel de elektrofotometer zal markeren wanneer het licht van de helium-neonlaser door het monster wordt geleid.

Er moet rekening mee worden gehouden dat als de dikte met de helft afneemt, de absorptie die evenredig is met de optische dikte met de helft afneemt, dat wil zeggen A = 0,28. De doorlaatbaarheid T wordt gegeven door de volgende relatie:

T = 10-A = 10 ^ (- 0,28) = 0,53

De elektrofotometer geeft 0,53 * 30 mV = 15,74 mV aan.

Opgeloste oefeningen

Oefening 1

We willen het molaire absorptievermogen bepalen van een bepaalde gepatenteerde verbinding die in oplossing is. Om dit te doen, wordt de oplossing verlicht met licht van een 589 nm natriumlamp. Het monster wordt in een monsterhouder van 1,50 cm dik geplaatst.

Uitgangspunt is een oplossing met een concentratie van 4,00 × 10 ^ -4 mol per liter en de doorlaatbaarheid wordt gemeten, resulterend in 0,06. Bepaal met behulp van deze gegevens het molaire absorptievermogen van het monster.

Oplossing

Eerst wordt de absorptie bepaald, die wordt gedefinieerd als de minste logaritme met grondtal tien van de transmissie:

A = - logboek (T)

A = - logboek (0,06) = 1,22

Vervolgens wordt de wet van Lambert-Beer gebruikt die een verband legt tussen absorptie, molaire absorptie, concentratie en optische lengte:

A = ε⋅C⋅d

Oplossend voor molaire absorptie, wordt de volgende relatie verkregen:

ε = A / (C⋅d)

vervanging van de gegeven waarden die we hebben:

ε = 1,22 / (4,00 × 10 ^ -4 M⋅1,5 cm) = 2030 (M⋅cm) ^ - 1

Het bovenstaande resultaat is afgerond op drie significante cijfers.

Oefening 2

Om de precisie te verbeteren en de meetfout van het molaire absorptievermogen van het monster in oefening 1 te bepalen, wordt het monster achtereenvolgens verdund tot de helft van de concentratie en wordt telkens de doorlaatbaarheid gemeten.

Uitgaande van Co = 4 × 10 ^ -4 M met transmissie T = 0,06, wordt de volgende gegevensreeks verkregen voor de transmissie en de absorptie berekend op basis van de transmissie:

Co / 1–> 0,06–> 1,22

Co / 2–> 0,25–> 0,60

Co / 4–> 0,50–> 0,30

Co / 8–> 0,71–> 0,15

Co / 16–> 0,83–> 0,08

Co / 32–> 0,93–> 0,03

Co / 64–> 0,95–> 0,02

Co / 128–> 0,98–> 0,01

Co / 256–> 0,99–> 0,00

Voer met deze gegevens het volgende uit:

a) Een grafiek van absorptie als functie van concentratie.

b) Een lineaire aanpassing van de gegevens en vind de helling.

c) Bereken uit de verkregen helling het molaire absorptievermogen.

Oplossing

Figuur 3. Absorptie versus concentratie. Bron: F. Zapata.

De verkregen helling is het product van het molaire absorptievermogen door de optische afstand, dus door de helling te delen door de lengte 1,5 cm krijgen we het molaire absorptievermogen

ε = 3049 / 1,50 = 2033 (M⋅cm) ^ - 1

Oefening 3

Met de gegevens van oefening 2:

a) Bereken het absorptievermogen voor elk gegeven.

b) Bepaal een gemiddelde waarde voor het molaire absorptievermogen, de standaarddeviatie ervan en de statistische fout die bij het gemiddelde hoort.

Oplossing

Het molaire absorptievermogen wordt berekend voor elk van de geteste concentraties. Onthoud dat de lichtomstandigheden en de optische afstand onveranderlijk blijven.

De resultaten voor molaire absorptie zijn:

2033, 2007, 2007, 1983, 2158, 1681, 2376, 1872, 1862 in eenheden van 1 / (M * cm).

Uit deze resultaten kunnen we de gemiddelde waarde nemen:

<ε> = 1998 (M * cm) ^ - 1

Met een standaarddeviatie van: 184 (M * cm) ^ - 1

De gemiddelde fout is de standaarddeviatie gedeeld door de vierkantswortel van het aantal gegevens, dat wil zeggen:

Δ <ε> = 184/9 ^ 0,5 = 60 (M * cm) ^ - 1

Ten slotte wordt geconcludeerd dat de gepatenteerde stof een molair absorptievermogen heeft bij de frequentie 589 nm geproduceerd door een natriumlamp van:

<ε> = (2000 ± 60) (M * cm) ^ - 1

Referenties

1. Atkins, P. 1999. Physical Chemistry. Omega-edities. 460-462.
2. De gids. Doorlaatbaarheid en absorptie. Hersteld van: quimica.laguia2000.com
3. Milieutoxicologie. Transmissie, absorptie en de wet van Lambert. Hersteld van: repositorio.innovacionumh.es
4. Fysiek avontuur. Absorptie en doorlaatbaarheid. Hersteld van: rpfisica.blogspot.com
5. Spectofotometrie. Hersteld van: chem.libretexts.org
6. Milieutoxicologie. Transmissie, absorptie en de wet van Lambert. Hersteld van: repositorio.innovacionumh.es
7. Wikipedia. Absorptie Hersteld van: wikipedia.com
8. Wikipedia. Spectrofotometrie. Hersteld van: wikipedia.com