- Wat is doorlaatbaarheid?
- Absorptie van licht in een medium
- Moleculaire theorie van lichtabsorptie
- Factoren waarvan de transmissie afhangt
- Oefening opgelost
- Oefening 1
- Antwoord
- Referenties
De doorlaatoptiek is de verhouding tussen de opkomende lichtintensiteit en de lichtintensiteit die invalt op een monster van doorschijnende oplossing die is verlicht met monochromatisch licht.
Het fysieke proces waarbij licht door een monster wordt geleid, wordt lichttransmissie genoemd en transmissie is een maat voor lichttransmissie. Doorlaatbaarheid is een belangrijke waarde om de concentratie te bepalen van een monster dat doorgaans wordt opgelost in een oplosmiddel zoals onder andere water of alcohol.
Figuur 1. Montage voor transmissiemeting. Bron: F. Zapata.
Een elektrofotometer meet een stroom die evenredig is met de lichtintensiteit die op het oppervlak valt. Om de doorlaatbaarheid te berekenen, wordt in het algemeen eerst het intensiteitssignaal dat overeenkomt met het oplosmiddel alleen gemeten en dit resultaat wordt geregistreerd als Io.
Vervolgens wordt het opgeloste monster in het oplosmiddel onder dezelfde lichtomstandigheden geplaatst en wordt het door de elektrofotometer gemeten signaal aangeduid als I, waarna de doorlaatbaarheid wordt berekend volgens de volgende formule:
T = I / I of
Opgemerkt moet worden dat de doorlaatbaarheid een dimensieloze grootheid is, omdat het een maat is voor de lichtsterkte van een monster in relatie tot de intensiteit van de oplosmiddeloverdracht.
Wat is doorlaatbaarheid?
Absorptie van licht in een medium
Wanneer licht door een monster gaat, wordt een deel van de lichtenergie door de moleculen geabsorbeerd. Doorlaatbaarheid is de macroscopische maatstaf van een fenomeen dat optreedt op moleculair of atomair niveau.
Licht is een elektromagnetische golf, de energie die het draagt bevindt zich in het elektrische en magnetische veld van de golf. Deze oscillerende velden werken samen met de moleculen van een stof.
De energie die door de golf wordt gedragen, is afhankelijk van de frequentie. Monochromatisch licht heeft een enkele frequentie, terwijl wit licht een bereik of spectrum aan frequenties heeft.
Alle frequenties van een elektromagnetische golf reizen in een vacuüm met dezelfde snelheid van 300.000 km / s. Als we de lichtsnelheid in vacuüm met c aangeven, is de relatie tussen frequentie f en golflengte λ:
c = λ⋅f
Omdat c een constante is, correspondeert elke frequentie met zijn respectievelijke golflengte.
Om de transmissie van een stof te meten, worden de gebieden van het zichtbare elektromagnetische spectrum (380 nm tot 780 nm), het ultraviolette gebied (180 tot 380 nm) en het infrarode gebied (780 nm tot 5600 nm) gebruikt.
De voortplantingssnelheid van licht in een materieel medium is afhankelijk van de frequentie en is kleiner dan c. Dit verklaart de verstrooiing in een prisma waarmee de frequenties waaruit wit licht bestaat, kunnen worden gescheiden.
Moleculaire theorie van lichtabsorptie
Deze overgangen kunnen het best worden begrepen met een moleculair energiediagram in figuur 2:
Figuur 2. Moleculair energiediagram. Bron: F. Zapata.
In het diagram vertegenwoordigen de horizontale lijnen verschillende moleculaire energieniveaus. Lijn E0 is fundamenteel of lager energieniveau. Niveaus E1 en E2 zijn opgewekte niveaus van hogere energie. De E0-, E1-, E2-niveaus komen overeen met de elektronische toestanden van het molecuul.
De subniveaus 1, 2, 3, 4 binnen elk elektronisch niveau komen overeen met de verschillende vibratietoestanden die overeenkomen met elk elektronisch niveau. Elk van deze niveaus heeft fijnere onderverdelingen waarvan niet is aangetoond dat ze overeenkomen met de rotatietoestanden die bij elk trillingsniveau horen.
Het diagram toont verticale pijlen die de energie van fotonen in het infrarode, zichtbare en ultraviolette bereik weergeven. Zoals te zien is, hebben infraroodfotonen niet genoeg energie om elektronische overgangen te bevorderen, terwijl zichtbare en ultraviolette straling dat wel doen.
Wanneer de invallende fotonen van een monochromatische bundel in energie (of frequentie) samenvallen met het energieverschil tussen moleculaire energietoestanden, treedt absorptie van fotonen op.
Factoren waarvan de transmissie afhangt
Volgens wat in de vorige paragraaf is gezegd, is de doorlaatbaarheid dan afhankelijk van verschillende factoren, waaronder we kunnen noemen:
1- De frequentie waarmee het monster wordt verlicht.
2- Het type te analyseren moleculen.
3- De concentratie van de oplossing.
4- De lengte van het pad dat de lichtstraal aflegt.
De experimentele gegevens geven aan dat de doorlaatbaarheid T exponentieel afneemt met de concentratie C en met de lengte L van het optische pad:
T = 10 -a⋅C⋅L
In de bovenstaande uitdrukking is a een constante die afhangt van de frequentie en het type stof.
Oefening opgelost
Oefening 1
Een standaardmonster van een bepaalde stof heeft een concentratie van 150 micromol per liter (μM). Wanneer de doorlaatbaarheid wordt gemeten met licht van 525 nm, wordt een doorlaatbaarheid van 0,4 verkregen.
Een ander monster van dezelfde stof, maar met een onbekende concentratie, heeft een doorlaatbaarheid van 0,5, gemeten bij dezelfde frequentie en met dezelfde optische dikte.
Bereken de concentratie van het tweede monster.
Antwoord
De doorlaatbaarheid T neemt exponentieel af met de concentratie C:
T = 10 -b⋅L
Als de logaritme van de vorige gelijkheid wordt genomen, blijft het:
log T = -b⋅C
Door lid voor lid te delen, blijft de vorige gelijkheid toegepast op elk monster en het oplossen van de onbekende concentratie over:
C2 = C1⋅ (logboek T2 / logboek T1)
C2 = 150 μM⋅ (log 0,5 / log 0,4) = 150 μM⋅ (-0,3010 / -0,3979) = 113,5 μM
Referenties
- Atkins, P. 1999. Physical Chemistry. Omega-edities. 460-462.
- De gids. Doorlaatbaarheid en absorptie. Hersteld van: quimica.laguia2000.com
- Milieutoxicologie. Transmissie, absorptie en de wet van Lambert. Hersteld van: repositorio.innovacionumh.es
- Fysiek avontuur. Absorptie en doorlaatbaarheid. Hersteld van: rpfisica.blogspot.com
- Spectofotometrie. Hersteld van: chem.libretexts.org
- Milieutoxicologie. Transmissie, absorptie en de wet van Lambert. Hersteld van: repositorio.innovacionumh.es
- Wikipedia. Doorlaatbaarheid. Hersteld van: wikipedia.com
- Wikipedia. Spectrofotometrie. Hersteld van: wikipedia.com