D6. Wyznaczanie stężenia roztworów na podstawie ich widm absorpcji
ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ
1/3
Nr pary
Imię i nazwisko studenta
Wydział
grupa
data
Imię i nazwisko prowadzącego
Zaliczenie
D6.
Wyznaczanie stężenia roztworów na podstawie ich widm absorpcji
Celem ćwiczenia jest poznanie zjawiska absorpcji światła przez roztwory, pomiar widma
absorpcji przy pomocy spektrofotometru oraz wyliczenie stężeń badanych roztworów.
Promieniowanie elektromagnetyczne, padając na warstwę substancji o grubości d, ulega – w
pewnych zakresach długości fali – absorpcji, czyli pochłanianiu. Miarą zdolności absorpcyjnej, przy
określonej długości fali, jest współczynnik absorpcji a, zdefiniowany równaniem Lamberta:
d
a
o
e
I
I
, (1)
gdzie I
o
i I oznaczają natężenia promieniowania, odpowiednio, padającego na warstwę substancji i po
przejściu przez nią.
Równanie (1) możemy zlogarytmować (obliczyć logarytm naturalny lub dziesiętny) i wówczas
otrzymujemy:
d
a
I
I
o
ln
(2) lub
d
a
I
I
o
'
log
(3),
gdzie a’ jest tzw. współczynnikiem ekstynkcji.
Jeżeli substancja absorbująca znajduje się w roztworze, to można przyjąć, że współczynniki a i a’ są
proporcjonalne do stężenia roztworu c i wówczas z równań (2) i (3) otrzymujemy równanie
Lamberta-Beera, również w dwóch postaciach:
d
c
I
I
o
ln
(4) lub
d
c
I
I
o
log
(5),
gdzie
- oznacza molowy współczynnik absorpcji,
- nosi nazwę molowego współczynnika
ekstynkcji.
Wielkość:
E
I
I
o
log
nazywana jest absorbancją (dawniej ekstynkcją).
W praktyce mierzy się wartość absorbancji E, która jest równoważna wielkości zaabsorbowanego
promieniowania. Zależność absorbancji E od długości fali światła
padającego na roztwór nosi
nazwę widma absorpcji. Im większa ilość energii promieniowania zostanie zaabsorbowana, tym
bardziej wzrasta mierzona wartość absorbancji E. W miejscach największego pochłaniania
promieniowania powstaje tzw. maksimum absorpcyjne. Każda substancja ma swoje
charakterystyczne widmo absorpcji, w którym występują maksima absorpcyjne dla określonej
długości fali
lub inaczej, dla określonej częstotliwości f (gdyż f = c/
). Każde maksimum
absorpcyjne odpowiada przejściu cząsteczki z jakiegoś określonego poziomu energetycznego na
poziom wyższy.
Dla cząsteczki rozróżniamy następujące skwantowane poziomy energetyczne, pomiędzy którymi
mogą odbywać się przejścia:
elektronowe (podobnie jak w atomie, pomiędzy stanami elektronowymi),
oscylacyjne – wynikające z drgań atomów wokół ich położeń równowagi,
rotacyjne – związane z ruchem obrotowym cząsteczek lub ich fragmentów.
D6. Wyznaczanie stężenia roztworów na podstawie ich widm absorpcji
ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ
2/3
Odstępy energetyczne
E pomiędzy tymi poziomami są różne; największe - pomiędzy poziomami
elektronowymi, najmniejsze – między rotacyjnymi. Stąd przejścia energetyczne pomiędzy tymi
poziomami, a więc maksima absorpcyjne, obserwowane są dla różnych częstotliwości (
E = h
f),
a zatem i długości fal. I tak, widma elektronowe mają długości fal leżące w zakresie fal widzialnych
i nadfioletu, widma oscylacyjne – w podczerwieni, a widma rotacyjne – w zakresie mikrofal.
Na podstawie mierzonych wartości długości fal odpowiadających maksimom absorpcyjnym oraz
wartości absorbancji, można uzyskać wiele interesujących informacji o strukturze elektronowej
i dynamice cząsteczek, a także można identyfikować badany związek i obliczyć jego stężenie.
Wykonanie ćwiczenia
Przyrządy i materiały: spektrofotometr firmy Spekol, roztwory substancji barwnych o znanych
molarnych współczynnikach ekstynkcji.
1.
Napełniamy jedną z kuwet roztworem wodnym
badanego związku. Drugą kuwetę napełniamy wodą
destylowaną. Sprawdzamy czystość kuwet przed
pomiarem.
2. Wstawiamy obie kuwety do uchwytu kuwet (K) w
spektrofotometrze (z prawej strony kuwetę ze wzorcem).
3. Włączamy spektrofotometr do sieci po sprawdzeniu poprawności ustawienia przez osobę
prowadzącą.
4. Przesuwamy uchwyt tak, aby wewnątrz przystawki znalazła się kuweta z rozpuszczalnikiem
(woda destylowana).
5. Ustawiamy na bębnie (B) początkową długość fali
= 400 nm.
6. Przełącznik P ustawiamy w położeniu "O" i regulując pokrętłem R
o
doprowadzamy wskazówkę
przyrządu na 0% transmisji (czyli
absorbancji E).
7. Przesuwamy przełącznik P w położenie "I" (otwarta szczelina fotoogniwa).
8. Za pomocą potencjometru R
100
ustawiamy wskazówkę na 100% przepuszczalności
(0 absorbancji)
9. Przesuwamy uchwyt kuwet tak, aby w wiązce światła znalazła się kuweta z badaną substancją.
Odczytujemy wartość absorbancji E.
10. Ustawiamy przełącznik P w położenie "O" i zmieniamy długość fali o 10 nm (
= 410 nm).
11. Zgodnie z punktami 4-9 mierzymy absorbancję E roztworu barwnika dla kolejnej długości fali
(co 10 nm) aż do 700 nm.
12. Analogiczne pomiary wykonujemy dla roztworu drugiego barwnika.
Opracowanie wyników
1. Wykreślamy krzywe zależności absorbancji E od długości fali światła przechodzącego przez
roztwory, czyli widma absorpcji obu barwników (na jednym układzie współrzędnych).
2. Znając molowe współczynniki ekstynkcji
oraz grubość roztworu d (czyli grubość kuwety)
obliczamy stężenia badanych barwników ze wzoru otrzymanego z przekształcenia
równania (5), czyli:
d
E
c
(E jest wartością absorbancji w maksimum absorpcyjnym).
O
J
0
10 0
R
0
R
1 00
B
P
N
K
E
D6. Wyznaczanie stężenia roztworów na podstawie ich widm absorpcji
ˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉˉ
3/3
3. Względny błąd pomiaru stężenia obliczamy metodą logarytmiczną:
E
E
c
c
, a następnie
wyliczamy błąd bezwzględny:
E
E
c
c
.
Tabela
Długość fali
[nm]
Ekstynkcja E
Roztwór I
……………………..
(
nazwa)
Ekstynkcja E
Roztwór II
………………………..
(nazwa)
Stężenie
c [mol/dm
3
]
c
1
=
c
2
=