ĆWICZENIE 6

PRAWO LAMBERTA – BEERA.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze zjawiskiem pochłaniania światła, poznanie działania spektrofotometru oraz nabycie umiejętności wykonania pomiaru z wykorzystaniem komputera i wyznaczenia współczynnika ekstynkcji oraz stężenia roztworu na podstawie prawa Lamberta-Beera.

ZALECANA LITERATURA: [4], [7], [8], [9], [12], [13], [15], [20], [21],[22]

ZAGADNIENIA:

1. Fale elektromagnetyczne (charakterystyka, podział na zakresy ze szczególnym uwzględnieniem widma światła widzialnego).

2. Widma absorpcyjne i emisyjne; mechanizm ich powstawania; widma liniowe, pasmowe i ciągłe.

3. Prawo Lamberta - Beera. Definicje: absorbancji (ekstynkcji) i transmitancji ( przepuszczalności)

4. Budowa i zasada działania spektrofotometru ( absorpcjometru, spekola); absorpcjometria – przykłady zastosowania.

5. Wpływ promieniowania widzialnego, podczerwonego i nadfioletowego na organizm.

6. Obliczanie stężeń roztworów, metoda rozcieńczeń.

7. Metoda najmniejszych kwadratów.

OPIS TEORETYCZNY:

Prawo Lamberta - Beera, absorbancja i transmitancja, widmo światła widzialnego, powstawanie widma absorpcyjnego i emisyjnego.

Prawo Lamberta-Beera

[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Prawo Lamberta-Beera (prawo Beera-Lamberta-Bouguera) - opisuje pochłaniane promieniowania elektromagnetycznego przy przechodzeniu przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek.

Prawo to głosi, że stopień atenuacji (uwzględniającej absorpcję oraz rozpraszanie) światła jest proporcjonalny do grubości warstwy i jej własności optycznych, np. w przypadku roztworów należy uwzględnić stężenie molowe czynnika powodującego pochłanianie. Ogólnie mówiąc, prawo to jest spełnione dla wiązki światła: a) monochromatycznej, b) skolimowanej, chociaż jest często używane także dla sytuacji wąskich przedziałów pasmowych, zwłaszcza jeżeli zależność spektralna atenuacji nie jest silna w tym paśmie. Rejestrowane natężenie I₀ jest również natężeniem światła monochromatycznego i skolimowanego. Wartość końcowa natężenia promieniowania I₁ jest mniejsza od I₀ o wartość natężenia promieniowania pochłoniętego (zaabsorbowanego). Prawo może być matematycznie sformułowane na kilka sposobów:

Absorpcja promienia światła przechodzącego przez kuwetę o na odcinku o długości l.

gdzie:

• A - absorbancja

• I₀ - natężenie światła padającego na ciało

• I₁ - natężenie światła po przejściu przez ciało

• l - droga jaką pokonuje światło w ciele.

• c - stężenie molowe substancji absorbującej w roztworze

• α - molowy współczynnik absorpcji zwany poprawnie absorbancją molową

• λ - długość fali pochłanianego światła

• k - molowy współczynnik ekstyncji

Prawo Lamberta-Beera jest wynikiem połączenia dwóch prostszych praw optyki, prawa Bouguera i prawa Beera. Historycznie jako pierwszy łączne prawo podał Pierre Bouguer w 1729 r. Było ono jednak podane w postaci opisowej i nie zostało dostrzeżone przez innych uczonych. Johann Heinrich Lambert podał w 1760 r. prostą zależność między absorbancją i grubością ciała pochłaniającego światło, natomiast August Beer podał w roku 1852 prostą zależność między absorbancją i stężeniem a następnie połączył swoje prawo z prawem Bouguera do obecnie znanej postaci prawa Lamberta-Beera. O ile jednak prawo Bouguera jest spełnione ściśle, o tyle prawo Lamberta-Beera ma charakter przybliżony, ponieważ molowy współczynnik pochłaniania może zmieniać się wraz ze zmianą stężenia roztworu^[1].

W ogólniejszym przypadku szerokich pasm (np. pochłaniania światła widzialnego przez roztwory) możemy zawsze zdefiniować transmisję T jako:

a następnie rozłożyć transmisję T na sumę eksponentów

i zredukować problem do układu kilku niezależnych równań Lamberta-Beera.

Absorbancja [edytuj]

 Osobny artykuł: gęstość optyczna.

Wielkość absorpcji światła można obliczyć na podstawie prawa Bouguera. Zgodnie z tym prawem, natężenie światła zmienia się wykładniczo wraz z grubością substancji. Aby ułatwić obliczanie wielkości absorpcji wprowadzono, w miejsce natężenia, wielkość addytywną – absorbancję zwaną również gęstością optyczną. Oznacza się ją symbolem ABS lub A.

Absorbancja jest miarą absorpcji promieniowania i wyraża się wzorem

gdzie

I_o – natężenie światła padającego,

I – natężenie światła po przejściu przez absorbujący ośrodek.

Absorbancję naturalną wyrażoną wzorem

nazywa się również ekstynkcją promieniowania elektromagnetycznego.

Transmitancja [edytuj]

Transmitancja wskazuje, jaka część promieniowania padającego została przepuszczona przez substancję. Wyraża się ona wzorem

Można ją również wyrażać w procentach

Absorbancja powiązana jest z transmitancją wzorem

Absorbancja, logarytm dziesiętny ilorazu natężenia monochromatycznej wiązki wchodzącej do ośrodka absorbującego i natężenia wiązki przepuszczonej przez ten ośrodek (Lamberta-Beera prawo).

absorbancja, A, współczynnik absorpcji (pochłaniania) światła, stosowany w spektrofotometrii do oznaczania stężenia substancji w roztworze; a. jest funkcją liczby cząsteczek absorbujących promieniowanie, znajdujących się na drodze promienia świetlnego, jest więc wprost proporcjonalna do stężenia roztworu; szybkość zmiany a. w reakcjach enzymatycznych jest proporcjonalna do aktywności enzymu wyrażonej w molach zużytego substratu (lub wytworzonego produktu) w jednostce czasu; dawniej: gęstość optyczna – OD; ekstynkcja –E (→ prawo Lamberta–Beera).

Rozkład (według długości fali) wiązki światła słonecznego na proste jednobarwne składniki odpowiadające poszczególnym długościom fali elektromagnetycznej; widmo ciągłe - wszystkie barwy tęczy od fioletu do czerwieni.

Widmo absorpcyjne – widmo, które powstaje podczas przechodzenia promieniowania elektromagnetycznego przez chłonny ośrodek absorbujący promieniowanie o określonych długościach. Można zarejestrować przy użyciu metod spektroskopii. Graficznie ma postać widma ciągłego z ciemnymi liniami (dla gazowych pierwiastków). Występowanie widma absorpcyjnego jest spowodowane pochłanianiem przez substancję fotonów tylko o określonych długościach fali – takich które mogą spowodować wzbudzenie atomu lub cząsteczki do stanu dopuszczanego przez prawa mechaniki kwantowej. Zmiany stanu wzbudzenia dotyczą zarówno elektronów jak i oscylacji i rotacji całych cząstek.

Obrazem widma absorpcyjnego związku chemicznego są pasma o strukturze liniowej lub ciągłej z silniej lub słabiej zaznaczonymi ekstremami.

Widmo emisyjne - widmo spektroskopowe, które jest obrazem promieniowania elektromagnetycznego, wysyłanego przez ciało.

Widmo emisyjne powstaje, gdy obdarzone ładunkiem elektrycznym elektrony, atomy, cząstki lub fragmenty cząsteczek tworzących dane ciało, będąc wzbudzonymi przechodzą ze stanu o wyższej do stanu o niższej energii. Przejściu temu towarzyszy emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego o energii równej różnicy energii poziomów, między którymi przeszła cząstka.

Widma emisyjne charakteryzują się:

• Dla gazów prostych atomów - widmo emisyjne przyjmuje często formę serii dobrze rozseparowanych częstotliwości, które spektrometry rejestrują w formie prążków. Układ tych prążków jednoznacznie wskazuje na obecność określonego pierwiastka w gazie i jest nazywany widmem atomowym. Umożliwia to m.in. ustalanie na podstawie widm emisyjnych składu pierwiastkowego odległych ciał niebieskich.

• Dla ciał stałych i cieczy - widmo emisyjne jest ciągłe.

• Dla gazów atomów o złożonej budowie dają widmo pasmowe czyli składające się z pasów.

Widmo absorpcyjne, widmo powstające przy przenikaniu promieniowania przez materię dla niego przezroczystą. W przypadku fal elektromagnetycznych atomy ośrodka pochłaniają rezonansowo promieniowanie o energii odpowiadającej swojej strukturze energetycznej i natychmiast potem spontanicznie emitują światło, przy czym emisja owa zachodzi izotropowo.

W kierunku rozchodzenia się padającej fali elektromagnetycznej w widmie absorpcyjnym obserwuje się bardzo silne zaniki natężenia dla energii właściwych danej substancji. Umożliwia to badanie składu chemicznego absorbenta.

Typ widmowy gwiazd - charakterystyka

Widmo emisyjne, widmo wybranego typu promieniowania wysyłanego przez dany obiekt. W przypadku fal elektromagnetycznych (od mikrofal po promieniowanie rentgenowskie i gamma) emitowanych przez pojedyncze atomy (lub jądra) widmo emisyjne ma linie widmowe o ściśle określonych energiach.

Jest to rezultatem istnienia skwantowanych poziomów energetycznych - emitowane promieniowanie może mieć tylko pewne dopuszczalne energie, równe różnicy energii dwóch stanów kwantowych układu (świecenie ciał). Powstające widmo, tzw. widmo liniowe, niesie informacje o składzie chemicznym, także izotopowym (w przypadku widma emisyjnego promieniowania gamma lub alfa), źródła, co jest wykorzystywane do wykonywania analiz jego składu chemicznego (i izotopowego).

Olbrzymia eksplozja promieniowania gamma

W pewnych obszarach widma emisyjnego, przy gęstej strukturze linii, obserwuje sie tzw. widma pasmowe - struktura pasm dostarcza informacji o budowie cząstek (np. widmo emisyjne podczerwone cząsteczek organicznnych). Przy zlaniu się poziomów energetycznych w szerokie pasma (jak w przypadku promieniowania cieplnego ciał stałych lub gazu w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem), obserwuje się widma ciągłe (np. widmo emisyjne światła żarówki lub Słońca).

Widmo emisyjne - po przejściu elektronu na niższy poziom atom wysyła porcję energii promieniowania elektromagnetycznego równą różnicy energii poziomów energetycznych- powstaje widmo emisyjne, które można zaobserwować w postaci kolorowych prążków charakterystycznych dla danego pierwiastka np. gazy skladające się z pojedyńczych atomów w stanie wzbudzonym emitują promieniowanie elektromagnetyczne w postaci widma liniowego, zwanego widmem atomowym, każda linia widma odpowiada przejściu elektronu między dwoma konkretnymi poziomani energetycznymi.