Światło –widzialna część promieniowania elektromagnetycznego, czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego np. w określeniu światłocień. Precyzyjne ustalenie zakresu długości fal elektromagnetycznych nie jest tutaj możliwe, gdyż wzrok każdego człowieka charakteryzuje się nieco inną wrażliwością, stąd za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm.

W nauce używa się pojęcia promieniowanie optyczne, gdyż nie tylko światło widzialne, ale i sąsiednie zakresy, czyli ultrafiolet i podczerwień: wiele substancji barwiących płowieje nie tylko od kontaktu ze światłem widzialnym, ale i bliskim ultrafioletem pochodzącym ze Słońca; rozszczepiając, za pomocą pryzmatu, światło emitowane przez rozgrzane ciała, można zaobserwować wzrost temperatury przesuwając termometr wzdłuż uzyskanych barw widmowych, wzrost ten jest mierzalny także dalej, w niewidocznej części widma, która jest również załamywana przez ten pryzmat; wiele zwierząt ma zakresy widzenia światła wykraczające poza zakres widzenia ludzkiego oka. Przyjmuje się, że promieniowanie optyczne obejmuje zakres fal elektromagnetycznych o długości od 10 nm do 1 mm, podzielony na trzy zakresy – podczerwień, światło widzialne oraz ultrafiolet.

Współczesna optyka, zgodnie z dualizmem korpuskularno-falowym, postrzega światło jednocześnie jako falę elektromagnetyczną oraz jako strumień cząstek nazywanych fotonami.

Światło porusza się w próżni zawsze z taką samą prędkością zwaną prędkością światła. Jej wartość oznaczana jako c jest jedną z podstawowych stałych fizycznych i wynosi 299 792 458 m/s. Prędkość światła w innych ośrodkach jest mniejsza i zależy od współczynnika załamania danego ośrodka.

Prędkość światła w próżni oznacza się literą c: c=300 000 km/s Fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła.

Światło jako fala elektromagnetyczna rozchodzi się w postaci "porcji" (kwantów), zwanych fotonami. Fotony to cząstki elementarne, tak samo jak elektrony czy protony. Fotony zawsze się poruszają i to zawsze z prędkością światła. Każdy foton ma jakąś energię, ale nie jest to energia kinetyczna tylko energia elektromagnetyczna.

Załamanie światła. Jeżeli promień światła przechodzi z jednego ośrodka do drugiego to na ich garnicy zmienia kierunek - to zjawisko jest załamaniem światła. Załamanie dotyczy również innych fal. Zalamanie zachodzi np: w pryzmatach i soczewkach. Załamanie zachodzi pod warunkiem, że prędkość światła w dwóch ośrodkach jest różna, gdy ośrodki mają różne współczynniki załamania światła. Współczynnik załamania światła, n, informuje nas o tym jak silnie dany ośrodek załamuje światło. Współczynnik ten jest bezwymiarowy, czyli nie ma jednostek. Przyjęto, że współczynnik ten dla próżni wynosi n=1,00000. W innych ośrodkach współczynnik załamania światła jest większy od jedności. Im n jest większe tym załamanie światła większe.

Kilka przykładów:

woda n=1,33,

szkło n=1,4-1,7 w zależności od rodzaju szkła,

diament n=2,4 posiada wyjątkowo duży współczynnik załamania światła dlatego też tak efektownie błyszczy.

Współczynnik załamania światła dla powietrza wynosi około 1,0003 jest tylko nieznacznie większy niż w próżni. Światło załamuje się w stronę ośrodka gęstszego optycznie. W pewnych warunkach może zachodzić zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego. Zjawisko to zachodzi, kiedy światło chce wyjść z wody albo ze szkła do powietrza ( z ośrodka gęstszego optycznie do rzadszego optycznie). Jeśli chce wyjść w miarę prostopadle to na granicy tych ośrodków nastąpi jego załamanie. Jeśli jednak chce wyjść zbyt płasko, to zamiast wyjść odbije się od granicy dwóch ośrodków jak od lustra (zachodzi całkowite wewnętrzne odbicie). Gdy patrzymy na powierzchnię wody spod wody, to wydaje się ona falującą lustrzaną taflą.

Światło barwne.

Fale świetlne wywołują różne wrażenia barwne. Zakres fal widzialnych to 400-800 nm.

światło fioletowe to najkrótsze fale - około 400 nm,

światło czerwone to fale najdłuzsze - około 700-800 nm

oko ludzkie jest najbardziej wrażliwe na fale żółtozielone w zakresie 500-550 nm.

nadfiolet<400 nm światło widzialne 800 nm>podczerwień

W pryzmacie światło białe można rozczepić na kolory tęczy.

Kolory barw tęczy. fiolet niebieski zielony żółty pomarańczowy czerwony Światło fioletowe załamuje się silniej niż czerwone. Pryzmaty w szkole kojarzą się najczęściej z rozczepieniem światła, jednak stosuje się je również w przyrządach optycznych w związku z ich właściwościami całkowitego wewnętrznego odbicia i znacznie lepiej w tej roli spisują się niż zwierciadła.

Dyspersja w optyce – zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej. Jednym ze skutków dyspersji jest to, że wiązki światła o różnych barwach, padające na granicę ośrodków pod kątem różnym od zera, załamują się pod różnymi kątami. Efekt ten można zaobserwować, gdy światło białe pada na pryzmat i ulega rozszczepieniu na barwy tęczy.

Współczynnik załamania światła wynika z prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku. W optyce za dyspersję uznaje się też zależność prędkości rozchodzenia się światła od innych czynników np. w falowodzie określa się dyspersję modową, w której prędkość ruchu modu wzdłuż falowodu zależy od jego drogi w falowodzie.

Zależność współczynnika załamania światła od długości fali światła nazywana jest współczynnikiem dyspersji i jest parametrem określającym własności minerałów. Minerały o dużej dyspersji odpowiednio oszlifowane mienią się różnymi barwami w wyniku rozszczepiania światła białego.

Dyspersja w optyce jest szczególnym przypadkiem ogólniejszego zjawiska dyspersji fali, które oznacza zależność prędkości fazowej fali od jej częstości, a tym samym i długości. W ośrodku niedyspersyjnym, gdzie ta zależność nie występuje, prędkość fazowa fali jest jednakowa dla wszystkich długości fal i jest równa prędkości grupowej. Przykładem niedyspersyjnego rozchodzenia się światła jest rozchodzenie się fali elektromagnetycznej w próżni. Dla niemalże każdego materiału rozchodzenie się światła jest dyspersyjne. Dla fali elektromagnetycznej rozchodzącej się w jonosferze i wielu innych ośrodkach iloczyn prędkości fazowej i grupowej jest stały i wynosi

Prędkość grupowa jest mniejsza lub równa prędkości światła w próżni, a prędkość fazowa jest równa lub większa od prędkości światła.

Ogólniej, tak zwana relacja dyspersji może być zapisana w postaci , gdzie jest wektorem falowym. Szczegółowa zależność określa własności fali.

Miara dyspersji

Miarą dyspersji dla danej długości fali jest pochodna współczynnika załamania po długości fali lub po liczbie falowej

Aby liczbowo określić wielkość dyspersji w całym zakresie światła widzialnego, definiuje się dyspersję średnią, czyli

gdzie

n_F – współczynnik załamania dla światła niebieskiego (linia Fraunhofera F – 486,1 nm)

n_C – współczynnik załamania dla światła czerwonego (linia Fraunhofera C – 656,3 nm)

Dyspersją względną (zdolnością rozszczepiającą) nazywa się stosunek dyspersji średniej do refrakcji żółtej linii sodu D (589,6 nm)

Barwa – wrażenie psychiczne wywoływane w mózgu ludzi i zwierząt, gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła. Główny wpływ na to wrażenie ma skład widmowy promieniowania świetlnego, w drugiej kolejności ilość energii świetlnej, jednak niebagatelny udział w odbiorze danej barwy ma również obecność innych barw w polu widzenia obserwatora, oraz jego cechy osobnicze, jak zdrowie, samopoczucie, nastrój, a nawet doświadczenie i wiedza w posługiwaniu się zmysłem wzroku.

W szerszym znaczeniu barwa jest całościowym pojęciem dotyczącym odbioru opisywanych wrażeń, w węższym zaś jest jakościowym określeniem odbieranego światła zwanym walorem barwy (czyli porównaniem do najbliższej wrażeniowo barwy prostej), a wtórują temu pojęcia jasności barwy (czyli udziału ilości światła pochodzącego z danej barwy w stosunku do ogółu bieżących warunków oświetleniowych), oraz nasycenia barwy (czyli udziału achromatyczności w danej barwie).

Chromofor – atom, jon, cząsteczka lub inne indywiduum chemiczne, w obrębie którego zachodzą przejścia elektronowe odpowiadające za pasmo widmowe. Pierwotnie termin ten dotyczył grup funkcyjnych cząsteczki decydujących o jej barwie. Gdy cząsteczka absorbuje światło widzialne o niektórych długościach fali, a odbija lub przepuszcza światło o innej długości fali, wtedy ma ona barwę. Chromofor to region cząsteczki, w którym energia potrzebna na przeniesienie elektronu pomiędzy orbitalami jest w zakresie światła widzialnego. Światło, które pada na chromofor, jest absorbowane co powoduje przeniesienie elektronów z ich stanu podstawowego na stan wzbudzony. Na przykład w cząsteczkach biologicznych odpowiedzialnych za absorpcję czy detekcję światła, chromoforami są najczęściej ich motywy strukturalne. Po absorpcji fali świetlnej mogą one wywołać zmiany konformacyjne całej cząsteczki. Ogólnie chromoforami zazwyczaj są jedne z dwóch układów:

układy sprzężone wiązań (orbitali) π,

związki kompleksowe metali.

W układach sprzężonych, poziomy energetyczne pomiędzy którymi mogą przeskakiwać elektrony są rozszczepione (a co za tym idzie różnice energetyczne między nimi są mniejsze), poprzez nałożenie się na siebie sprzężonych orbitali π, obecnych w seriach układów pojedyncze wiązanie-podwójne wiązanie, występujących na przykład w związkach aromatycznych. Związkami z takim typem chromoforu jest na przykład barwnik obecny w siatkówce – retinal, barwniki do tkanin oparte na związkach azowych, likopen, karoten czy antocyjany.

Chromofory będące skompleksowanymi metalami, zawdzięczają swoje właściwości rozszczepieniu orbitali d przy wiązaniu metalu przejściowego do ligandów. Chromofory tego typu występują w chlorofilu, hemoglobinie, hemocyjaninie czy kolorowych minerałach, takich jak malachit lub ametyst.

Chromoforami w związkach biologicznych (np. hemoglobinie, czy bilirubinie) są często pierścienie pirolowe. Mogą one albo wiązać metal (atom żelaza w hemoglobinie lub magnezu w chlorofilu), tworząc z czterech podjednostek pirolu rodzaj otaczającego go wieńca, ale działają jako chromofor też bez związanego metalu: jako otwarty łańcuch – fitochrom, fikobilina, bilirubina, pirole w formie pierścienia bez metalu – porfiryna. W takim wypadku działają na zasadzie sprzężenia wiązań π.

Auksochromy – grupy funkcyjne, których zadaniem jest wprowadzenie do cząsteczki barwnika powodującego przesunięcie pasm absorpcyjnego chromoforu oraz zmianie jego natężenia, co powoduje zmianę barwy barwnika.

Absorpcja (łac. absorbere = wchłaniać) – termin z zakresu chemii fizycznej oznaczający proces wnikania jednej substancji (cząsteczek, atomów lub jonów) do innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą (gazu, cieczy, ciała stałego itp.). Absorpcji nie należy mylić z adsorpcją, która jest zjawiskiem powierzchniowym. Absorpcja, adsorpcja i wymiana jonowa są wspólnie nazywane procesami sorpcji.

Mechanizm absorpcji polega na podziale absorbowanego składnika pomiędzy dwie fazy (ośrodki) objętościowe. Stan równowagi w podziale składnika między fazy opisuje prawo podziału Nernsta, a w szczególnym przypadku dla układu gaz/ciecz – prawo Henry'ego.

Absorpcja jest pochłanianiem całą objętością absorbentu, którym najczęściej jest ciecz (rzadko ciało stałe, np. gazowy wodór pochłaniany przez pallad) absorbująca gazy lub inne ciecze. Metodą absorpcji można np. oczyszczać gazy, selektywnie absorbując niepożądane składniki (np. tlenki siarki pochłaniane w roztworze wodorotlenku wapnia). Absorpcja jest związana z reakcjami chemicznymi pomiędzy absorbatem i absorbentem.

Absorpcję prowadzi się w absorberach, zazwyczaj w niskich temperaturach. Przyspiesza to cały proces dzięki obniżeniu prężności par pochłanianego składnika nad cieczą.

Absorpcja jest jedną z podstawowych technik wykorzystywanych w czasie analiz stopnia zanieczyszczenia powietrza lub odlotowych gazów przemysłowych. Zawarte w gazach zanieczyszczenia są pochłaniane w roztworach sorpcyjnych o składzie dostosowanym do chemicznych właściwości oznaczanych związków chemicznych (często po absorpcji zachodzą reakcje chemiczne). Stosowane są zestawy płuczek laboratoryjnych, zwykle barbotażowych (drobne pęcherzyki gazu przepływające przez warstwę cieczy)[2], umożliwiające zatrzymanie całej ilości oznaczanego związku zawartej w określonej objętości gazu, przepuszczanego przez płuczkę/płuczki.

Prawo podziału Nernsta albo krótko prawo podziału określa sposób, w jaki dowolna substancja chemiczna ulega podziałowi pomiędzy dwie oddzielone od siebie, ale pozostające w kontakcie fazy objętościowe (ośrodki). Układy, w których może zaistnieć równowaga podziałowa (rodzaj równowagi dynamicznej), to np. gazy lub pary rozdzielone membraną półprzepuszczalną, gaz i ciecz oraz dwie ciecze niemieszające się lub oddzielone membraną.

Prawo podziału Nernsta wyraża się wzorem:

gdzie: - stała podziału substancji X pomiędzy fazy "1" i "2" (zwana też współczynnikiem podziału), - stężenie substancji X w fazie "i"

Należy podkreślić, że równanie określa równowagowe stężenia w obu fazach, natomiast ilości substancji w obu fazach zależą od objętości (stosunku objętości) obu faz.

W powyższym wzorze stężenie (do wyrażenia stężenia często używa się symbolu ) można składnika obecnego w fazie gazowej zastąpić ciśnieniem wg wzoru wynikającego z równania Clapeyrona (równania stanu gazu idealnego):

oraz

W praktycznych zastosowaniach przyjęło się, że dla podziału substancji w układzie gaz/ciecz oraz ciecz/ciecz w liczniku równania umieszcza się stężenie (lub ciśnienie) składnika w górnej fazie (gaz lub ciecz o niższej gęstości). Jeżeli układ składa się z cieczy organicznej i wody, wówczas najczęściej faza organiczna ("o") jest fazą górną, a faza wodna ("w") jest fazą dolną i prawo podziału możemy zapisać jako:

- w układzie ciecz organiczna/woda:

Jeżeli mamy do czynienia z równowagą podziału X pomiędzy fazę gazową "g" oraz fazę ciekłą "l" możemy w najprostszy sposób opisać ją równaniem:

- w układzie gaz/ciecz:

Należy zwrócić uwagę na fakt, że to ostatnie wyrażenie jest matematycznie identyczne z prawem Henry'ego dotyczącym absorpcji – mechanizmem absorpcji jest podział pomiędzy dwie fazy objętościowe.

Współczynniki podziału (stałe podziału) substancji pomiędzy dwie niemieszające się ciecze można często oszacować wykorzystując dane nt. rozpuszczalności tej substancji w obu cieczach.

Należy podkreślić, że prawo podziału Nernsta dotyczy identycznych form substancji X w obu fazach. Jeżeli cząsteczki podlegające podziałowi ulegają takim procesom jak asocjacja (zależy nieliniowo od stężenia) czy dysocjacja (zależy od pH, zależy nieliniowo od stężenia), prawo podziału będzie nadal słuszne dla identycznych form tej substancji w obu fazach, ale nie dla całkowitego jej stężenia.

Przykładem układu, w którym prawo Nernsta nie będzie w prosty sposób zachowane, może być np. podział kwasu benzoesowego czy salicylowego (aromatyczne kwasy karboksylowe) pomiędzy rozpuszczalniki o różnej polarności, fazę wodną i fazę organiczną. W wodzie – rozpuszczalniku polarnym – kwasy ulegają dysocjacji, w roztworze obecne są obojętne cząsteczki i aniony. W słabo polarnym rozpuszczalniku organicznym (np. benzen lub toluen), w którym nie zachodzi dysocjacja elektrolityczna, budowa cząsteczek kwasów karboksylowych powoduje, że mają one tendencję do dimeryzacji na skutek tworzenia wiązania wodorowego. Jeżeli jesteśmy w stanie obliczyć skład roztworu wodnego (musimy znać stałą dysocjacji) oraz skład roztworu organicznego (musimy określić stałą równowagi procesu asocjacji), wówczas możemy wykorzystać

Absorpcja – w optyce proces pochłaniania energii fali elektromagnetycznej przez substancję. Natężenie światła wiązki przechodzącej przez substancję ulega zmniejszeniu nie tylko w wyniku absorpcji, lecz również na skutek rozpraszania światła. O ile jednak promieniowanie rozproszone opuszcza ciało, to część zaabsorbowana zanika powodując wzrost energii wewnętrznej tego ciała.

Mechanizm absorpcji. W procesie absorpcji światło zachowuje się jak strumień cząstek elementarnych i może być pochłaniane tylko w określonych porcjach, których wielkość zależy od częstotliwości światła ν

gdzie h – stała Plancka.

Kwant światła, czyli foton niosący tę określoną porcję energii może oddziaływać z elektronem walencyjnym w atomie substancji ośrodka. Jeżeli energia fotonu równa jest różnicy energii pomiędzy dowolnym stanem wzbudzonym elektronu a stanem podstawowym, wówczas foton zostanie pochłonięty (następuje absorpcja fotonu). Gdy energia fotonu jest inna, wówczas albo przechodzi on przez substancję bez przeszkód, albo jest rozpraszany. Na skutek absorpcji fotonu atom przechodzi w stan wzbudzenia o wyższej energii. Wzbudzone atomy powracają do stanu podstawowego emitując foton o takiej samej lub mniejszej energii. Zmniejszenie energii emitowanego fotonu w porównaniu z energią fotonu absorbowanego nosi nazwę luminescencji. Układ poziomów energetycznych elektronów w atomach, czas życia stanów wzbudzonych i sam proces absorpcji wynika z praw mechaniki kwantowej.

Absorpcja w gazach atomowych. W zimnych gazach atomowych poziomy energetyczne charakteryzujące stany wzbudzenia leżą stosunkowo daleko od siebie. Dlatego substancje te mogą absorbować tylko niektóre fotony o ściśle określonych energiach (i częstotliwościach). Jeżeli widmo światła padającego jest widmem ciągłym, powoduje to powstawanie w tym widmie ciemnych linii. Po raz pierwszy zjawisko absorpcji zostało zaobserwowane w widmie słonecznym przez Fraunhofera a jego prawidłową interpretację podał Bunsen i Kirchhoff.

Możliwa jest również absorpcja przez wzbudzony atom (absorpcja ze stanów wzbudzonych).

Absorpcja w gazach cząsteczkowych. W przypadku cząsteczek układ poziomów energetycznych elektronów jest dużo bardziej złożony, ponieważ oprócz poziomów związanych z konfiguracją elektronów dochodzą jeszcze poziomy oscylacyjne – związane z drganiami atomów wewnątrz cząsteczki i poziomy rotacyjne – związane z obrotami całej cząsteczki. Poziomy energetyczne leżą tak blisko siebie, że zlewają się w całe pasma o różnej szerokości.

Wykorzystanie zjawiska absorpcji. W wyniku absorpcji światła przechodzącego przez substancje (np. gaz) z widma światła padającego zostają usunięte fotony o określonej częstotliwości. Na tej podstawie można stwierdzić, przez jakie substancje przechodziło światło

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

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 współczynnik proporcjonalności może zmieniać się wraz ze zmianą stężenia roztworu[1]. Odchylenia wynikać mogą również z naruszenia równowagi termodynamicznej substancji lub zmiany stosunku liczby elektronów w stanie podstawowym do ogólnej liczby elektronów.

W ogólnym przypadku prawo to głosi, że absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia c i grubości warstwy l roztworu, przez który przechodzi promieniowanie:

gdzie:

• – absorbancja

• – stała proporcjonalności (współczynnik pochłaniania promieniowania, często nazywany współczynnikiem absorpcji)

• – stężenie substancji w roztworze

• – grubość warstwy absorbującej (droga jaką pokonuje promieniowanie przechodząc przez roztwór)

W przypadku gdy stężenie substancji c wyrażone jest:

• jako stężenie molowe w mol/dm³, wówczas stałą proporcjonalności k wyrazimy symbolem ε, który jest określany molowym współczynnikiem absorpcji. ε przyjmie wówczas wymiar dm³·mol^-1·cm^-1, a prawo Lamberta-Beera będzie miało postać:

• stężeniem masowym w g·dm^-3, to stałą proporcjonalności k opiszemy symbolem α i który zdefiniujemy jako współczynnik absorpcji właściwej (często spotykanymi nazwami są również współczynnik masowy absorpcji właściwej oraz masowy współczynnik absorpcji) mający wymiar dm³·g^-1·cm^-1. Prawo Lamberta-Beera opiszemy wówczas zależnością:

Odstępstwa od prawa Lamberta-Beera

Prawo Lamberta-Beera jest spełnione dla wiązki promieniowania monochromatycznego, skolimowanego. Gdy warunki te nie są spełnione obserwujemy odstępstwa od tego prawa. Odstępstwa mogą mieć charakter zarówno chemiczny jak i fizyczny. Odstępstwa chemiczne zachodzą gdy cząsteczki substancji lub rozpuszczalnika bezpośrednio ze sobą oddziaływują w wyniku na przykład solwatacji lub dysocjacji. Do najważniejszych odstępstw fizycznych należy zaliczyć niemonochromatyczność przechodzącego promieniowania.

Nefelometria – metoda analizy stężenia roztworu na podstawie pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesinę, wykorzystująca efekt Tyndalla.

Wiązka światła przechodząc przez roztwór koloidalny pod określonym kątem względem wiązki padającej, staje się widoczna w postaci stożka Tyndalla. Na tej podstawie oznacza się stężenie tej zawiesiny lub rozmiary tworzących ją cząstek.

Nefelometrię wykorzystuje się w medycynie. Jest jedną z metod analizy instrumentalnej. Do pomiaru używa się nefelometru.

Nefelometr – przyrząd optyczny służący do pomiaru natężenia światła rozproszonego przez zawiesiny w cieczach lub gazach. Umożliwia oznaczenie stężenia zawiesiny w roztworze oraz rozmiarów i masy jej cząstek. Używany jest także do badania atmosfery. Głównymi elementami przyrządu są źródło światła i fotodetektor ustawione w stosunku do siebie pod pewnym kątem różnym od 180° (najczęściej 90°).

Przyrząd jest wykorzystywany w nefelometrii. Do badania mętności wody w naturalnych zbiornikach wykorzystuje się krążek Secchiego.

Układ koloidalny (koloid, układ koloidowy, roztwór koloidalny) – niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Polaryzacja – właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób. W poprzecznej fali niespolaryzowanej oscylacje rozchodzącego się zaburzenia zachodzą z jednakową amplitudą we wszystkich kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. Fala niespolaryzowana może być traktowana jako złożenie bardzo wielu fal spolaryzowanych w różny sposób.

Polaryzacja występuje tylko dla takich rodzajów fal i takich warunków, w których oscylacje mogą odbywać się w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali. W innych przypadkach rozważanie zjawiska polaryzacji nie ma sensu - dotyczy to na przykład drgań rozchodzących się na powierzchni membrany i na granicach ośrodków o różnej gęstości (między innymi fale morskie). Fale dźwiękowe w gazach (również w powietrzu) nie podlegają zjawisku polaryzacji, gdyż są falami podłużnymi.

Polarymetr jest to przyrząd optyczny służący do określania skręcalności substancji aktywnych optycznie, czyli takich substancji, których cząsteczki skręcają płaszczyznę polaryzacji światła. Po odpowiednim wyskalowaniu może służyć bezpośrednio do pomiaru stężenia roztworów tych substancji. Polarymetr służy też do określania składu mieszanin enancjomerów.

Polarymetr jest zbudowany z dwóch polaryzatorów np. pryzmatów Nicola (nikoli). Pierwszy z nikoli nosi nazwę polaryzatora a drugi analizatora. Pomiędzy polaryzatorami znajduje się standaryzowana kuweta, w której umieszcza się badaną substancję.

Polarymetr półcieniowy - rodzaj polarymetru umożliwiający precyzyjny pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji światła. W zwykłym polarymetrze kąt, pod którym następuje wygaszenie światła, oceniany jest subiektywnie, jako ten kąt ustawienia polaryzatora, przy którym obraz jest najciemniejszy. W polaryzatorze półcieniowym porównywane są różne obszary obrazu. Kąt odczytuje się, gdy zanika granica między obszarami.

W półcieniowym polaryzatorze Laurenta na części analizatora umieszczona jest półfalówka, która dodatkowo skręca płaszczyznę polaryzacji światła spolaryzowanego przez polaryzator. W efekcie, za analizatorem obserwator widzi obraz pokazany na rys. 2, gdzie niebieski wektor wskazuje kierunek polaryzacji światła przechodzącego przez polaryzator, a czerwony wektor światła, które przeszło przez płytkę półfalową. Oba te wektory dotyczą światła, którego płaszczyznę polaryzacji skręciła substancja aktywna optycznie w kuwecie. Żółtym kolorem został zilustrowany kierunek ustawienia analizatora. Z rysunku widać, że najprecyzyjniej można ustawić pozycję polaryzatora w sytuacji końcowej. Jako położenie odniesienia mogłaby służyć też pozycja druga, gdy połówki są tak samo jasne, ale jak wynika z prawa Webera-Fechnera, trudno jest ocenić małą zmianę jasności przy dużej jasności całego obrazu.

Używane są również inne typy polarymetrów półcieniowych, np. polarymetr Lippicha, w którym zamiast płytki półfalowej użyty jest pryzmat Nicola.

Aktywność optyczna, skręcalność optyczna, lub czynność optyczna – właściwość niektórych związków chemicznych polegająca na zdolności skręcania płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego. Skręcalność optyczna jest rodzajem dwójłomności, powiązanym zjawiskiem związanym z absorpcją światła jest dichroizm kołowy.

Warunkiem koniecznym występowania aktywności optycznej cząsteczek jest ich chiralność, czyli istnienie w formie dwóch nienakładalnych enancjomerów. Nie wszystkie cząsteczki chiralne wykazują jednak aktywność optyczną. Aby ją wykazywać w zauważalnym stopniu, chiralne cząsteczki muszą posiadać silnie spolaryzowane wiązania chemiczne blisko centrum chiralności lub posiadać przy tym centrum znacząco różne podstawniki.

Skręcalność optyczna jest funkcją długości fali światła (zjawisko to określa się jako dyspersję skręcalności optycznej). Znane są cząsteczki, które dla jednej długości fali skręcają światło w lewo, a dla innej w prawo, a jeszcze dla innej długości w ogóle nie skręcają. Określona konfiguracja przestrzenna cząsteczek nie przekłada się więc bezpośrednio na określoną aktywność optyczną. Z budowy przestrzennej cząsteczki nie da się z całkowitą pewnością bezpośrednio wywnioskować, w którą stronę będzie ona skręcać światło.

Chromatografia (gr. χρῶμα (chrōma) = barwa + γράφω (graphō) = piszę) to technika analityczna lub preparatywna służąca do rozdzielania lub badania składu mieszanin związków chemicznych.

W każdej technice chromatograficznej najpierw rozdziela się badaną mieszaninę, a następnie przeprowadza się detekcję poszczególnych składników. Rozdział substancji następuje w wyniku przepuszczenia roztworu badanej mieszaniny przez specjalnie spreparowaną fazę rozdzielczą (złoże), zwaną też fazą stacjonarną. Fazą rozdzielczą są substancje wykazujące zdolności sorpcyjne lub zdolne do innych oddziaływań na substancje przepływające. Podczas przepływu eluentu (fazy ruchomej) przez fazę rozdzielczą następuje proces wymywania zaadsorbowanych (lub związanych) substancji. Intensywność tego procesu jest różna dla poszczególnych składników mieszaniny. Jedne składniki są więc zatrzymywane w fazie dłużej, a inne krócej, dzięki czemu może następować ich separacja. Czas przebywania danego składnika w kolumnie określany jest mianem czasu retencji.

Klasyfikacja metod chromatograficznych

W zależności od rodzaju eluentu

chromatografia cieczowa - w której eluentem jest ciekły rozpuszczalnik lub mieszanina rozpuszczalników

chromatografia gazowa - w której eluentem jest gaz (zwykle hel, argon lub wodór, czasem azot).

chromatografia nadkrytyczna - w której eluentem jest gaz w stanie nadkrytycznym.

W zależności od rodzaju fazy stacjonarnej i sposobu jej przygotowania

Chromatografia planarna

chromatografia cienkowarstwowa TLC (ang. thin layer chromatography) - w której fazę rozdzielczą stanowi cienka warstwa fazy stałej naniesiona na sztywną płytkę. Na tak spreparowaną płytkę nanosi się próbkę roztworu, po czym na skutek działania sił kapilarnych, grawitacji lub pola elektrycznego następuje przepływ i rozdział mieszaniny;

chromatografia bibułowa - w której fazę rozdzielczą stanowi pasek lub arkusz bibuły filtracyjnej lub specjalnego typu bibuły chromatograficznej;

chromatografia kolumnowa - w której faza rozdzielcza jest umieszczona w specjalnej kolumnie, przez którą przepuszcza się następnie roztwór badanej mieszaniny. Przepływ roztworu przez kolumnę można wymuszać grawitacyjnie lub stosując różnicę ciśnień na wlocie i wylocie kolumny;

chromatografia powinowactwa - w której odpowiednio spreparowana faza rozdzielcza jest zdolna do oddziaływań chemicznych o zmiennym powinowactwie wobec rozdzielanych substancji;

chromatografia jonowymienna - w której substancje oddziałują ze złożem za pomocą oddziaływań jonowych.

W zależności od parametrów procesu:

HPLC (ang. high performance/pressure liquid chromatography) wysokosprawna/wysokociśnieniowa chromatografia cieczowa - odmiana cieczowej chromatografii kolumnowej z użyciem eluentu pod wysokim ciśnieniem;

FPLC (ang. fast protein/performance liquid chromatography) szybka, białkowa/szybkosprawna chromatografia cieczowa - odmiana HPLC działająca na niższych ciśnieniach, stosująca prócz złóż sorpcyjnych, także zwykłe złoża typu sit molekularnych, służąca głównie do rozdziału białek i polipeptydów. Opatentowana i wyłączna nazwa dla firmy Pharmacia;

UPLC (ang. ultra performance liquid chromatography) ultrasprawna chromatografia cieczowa - odmiana cieczowej chromatografii kolumnowej. Działa na wyższych ciśnieniach i mniejszych przepływach, a kolumny mają mniejsze ziarno (1,7 - 1,8 μm). Pozwala uzyskiwać krótsze czasy retencji i wyższe rozdzielczości. Opatentowana i wyłączna nazwa dla firmy Waters.

GPC (ang. Gel Permeation Chromatography) chromatografia żelowa - odmiana kolumnowej chromatografii cieczowej. Polega na rozdziale składników mieszaniny na żelu lub sitach molekularnych w zależności od rozmiarów cząsteczek. Stosowana m.in. do określania średnich mas cząsteczkowych polimerów.

Chromatografia cieczowa, LC (ang. Liquid Chromatography) − stosowana w chemii metoda preparatywna, a także analityczna. W chromatograii tej eluentem jest ciecz (zwykle jakiś rozpuszczalnik). Istotą każdej chromatografii cieczowej jest rozdział analizowanej mieszaniny na poszczególne związki chemiczne poprzez przepuszczanie roztworu tej mieszaniny przez stałe lub żelowe złoża, podobnie jak w procesie sączenia. Na skutek oddziaływań międzycząsteczkowych między związkami tworzącymi mieszaninę i złożem, jedne z nich przechodzą przez złoże szybciej, a inne wolniej.

Istnieje bardzo wiele rodzajów chromatografii cieczowej, które można podzielić na trzy ogólne rodzaje:

chromatografia cienkowarstwowa - w której złoże (zwykle żel krzemionkowy) jest nałożone na płytkę szklaną lub plastikową w postaci cienkiej, sprasowanej formy. Rozdział następuje poprzez powolne wnikanie roztworu w złoże

chromatografia kolumnowa - w które złoże umieszcza się w kolumnie, po czym przez kolumnę przepuszcza się roztwór analizowanej mieszaniny - jej szczególnym przypadkiem jest HPLC

elektroforeza - która w zasadzie jest formą chromatografii cienkowarstwowej, w której jednak najpierw nasącza się złoże mieszaniną, a rozdział następuje na skutek działania pola elektrycznego

Chromatografia gazowa (ang. Gas chromatography, GC) - technika analityczna chromatograficzna, w której fazą ruchomą jest gaz (najczęściej hel, argon, coraz rzadziej wodór), a fazą stacjonarną adsorbent lub absorbent, pokrywający nośnik (wypełnienie kolumny lub jej ścianki). Technika GC umożliwia ustalenie procentowego składu mieszanin związków chemicznych, w których występuje ich nawet kilkaset. Stosując klasyczną detekcję (np. z użyciem katarometrów) można dokonać orientacyjnej identyfikacji składników mieszaniny na podstawie ich czasów retencji. Niemal jednoznaczną identyfikację umożliwia użycie spektrometru mas jako detektora (Gas chromatography - mass spectrometry, GC-MS).

Chromatografia gazowa jest najczęściej stosowaną metodą do szybkiej analizy złożonych mieszanin związków chemicznych oraz oceny czystości tych związków, zarówno w przemyśle jak i w rozmaitych laboratoriach. Chromatografię gazową stosuje się m.in. w:

przemyśle petrochemicznym - np. do oceny składu chemicznego produkowanej benzyny;

ochronie środowiska - do oceny stopnia zanieczyszczenia gleby, powietrza i wody;

kryminalistyce - np. do analizy źródła pochodzenia narkotyków na podstawie składu zawartych w nich zanieczyszczeń;

kontroli antydopingowej - gdzie GC-MS jest podstawową metodą wykrywania niedozwolonych substancji w krwi, pocie, moczu i ekstrakcie z włosów sportowców;

w przemyśle spożywczym - do badania składu surowców i produktów żywnościowych oraz do wykrywania zafałszowań żywności.

Zaletą chromatografii gazowej jest możliwość użycia bardzo niewielkiej ilości analizowanej substancji - od 0,01 µl do maksymalnie 100 µl.

Oprócz zastosowań typowo analitycznych (takich jak analiza mieszanin związków dających się odparować), chromatografię gazową można stosować także do badań fizykochemicznych powierzchni ciał stałych. W takich zastosowaniach technikę tą można spotkać pod nazwą Odwróconej (lub Inwersyjnej) Chromatografii Gazowej

Chromatografia gazowa, jak każda metoda chromatograficzna, opiera się na zjawisku występowania oddziaływań międzycząsteczkowych między związkami chemicznymi będącymi składnikami analizowanej mieszaniny i wypełnieniem kolumn. W przypadku chromatografii gazowej, analizowana mieszanina jest najpierw przeprowadzana w fazę gazową w odparowywaczu stanowiącym kluczowy element układu nastrzykowego. Gdy analizowana próbka jest gazem - można ją podać na kolumnę z pominięciem odparowywacza. Następnie próbka jest porywana przez gaz nośny (zwykle hel lub wodór) i przechodzi przez długą kolumnę, gdzie następuje rozdział mieszaniny na poszczególne związki chemiczne. Na wyjściu znajduje się detektor, za pomocą którego wykrywa się i mierzy stężenie kolejnych składników mieszaniny w gazie nośnym. Czas przejścia danego związku chemicznego przez całą kolumnę jest nazywany czasem retencji. Na czas retencji bardzo silny wpływ mają warunki przeprowadzania analizy, takie jak temperatura oraz szybkość przepływu gazu nośnego, wymuszanego przez ciśnienie podawane na szczyt kolumny.

Czas retencji w danych warunkach jest wartością specyficzną dla każdego składnika analizowanej mieszaniny. Pozwala to na bardzo przybliżoną identyfikację składnika, poprzez porównanie ze znaną, czystą substancją. Identyfikację otrzymaną w ten sposób należy traktować bardzo ostrożnie, gdyż może się zdarzyć, że istnieje także inna substancja o takim samym czasie retencji. Pewniejszy wynik można uzyskać poddając próbkę analizie z użyciem kilku różnych kolumn (o różnych właściwościach fazy stacjonarnej). Najpewniejszy wynik uzyskuje się łącząc chromatografię gazową z innymi technikami analitycznymi, najczęściej ze spektrometrią mas (GC-MS).

Składniki próbki analizowane metodą chromatografii gazowej muszą być lotne i trwałe w temperaturze analizy. Najczęściej są to rozmaite mieszaniny gazów i roztwory zawierające lotne związki chemiczne. W szczególnym przypadku analizowane związki mogą być zawarte w trudno lotnej matrycy, stosuje się wówczas technikę dozowania headspace.

Konstrukcja chromatografu gazowego

Chromatograf gazowy składa się z następujących podstawowych elementów: układ dozowania próbki (np. nastrzykowy); termostatowany piec; kolumna chromatograficzna; detektor; rejestrator.

Eluent - czynnik wymywający. W chemicznej technice analitycznej zwanej chromatografią jest to płyn (gaz lub ciecz), który pełni funkcję czynnika przenoszącego analizowaną mieszaninę przez złoże, na którym następuje jej rozdział na poszczególne związki. Eluentami są zwykle związki chemiczne o niskiej masie cząsteczkowej, które nie reagują ze złożem i przechodzą przez to złoże przy jak najmniejszych oporach przepływu. Na wynik analiz chromatograficznych bardzo duży wpływ ma czystość eluentów. Niektóre z technik chromatograficznych (elektroforeza, HPLC) wymagają też odgazowywania eluentów. W chromatografii gazowej eluentem jest gaz techniczny o jak najmniejszej masie cząsteczkowej - zwykle wodór lub współcześnie częściej hel.

W chromatografii cieczowej eluentem jest rozpuszczalnik lub ich mieszanina. Do najczęściej stosowanych eluentów ciekłych zalicza się: aceton, acetonitryl, chlorek metylenu, chloroform, etanol, metanol, THF, toluen, woda W TLC i chromatografii bibułowej eluent określa się mianem układu rozwijającego.

Eluat – roztwór zawierający substancje wymyte, np. pobierany z generatora izotopów roztwór zawierający pożądany izotop pochodny; eluatami nazywa się również frakcje odbierane z chromatografów (np. gazowych), zawierające kolejno wymywane z kolumn związki chemiczne – składniki rozdzielanych mieszanin.

Elucja – proces wymywania za pomocą fazy ruchomej substancji adsorpcjowanej wcześniej na fazie stałej. Faza ruchoma stosowana do elucji (może to być jedna lub mieszanina kilku substancji) nosi nazwę eluentu, a faza wypływająca z fazy stałej to eluat. W chromatografii gazowej elucję przeprowadza się za pomocą gazu nośnego, a w chromatografii cieczowej za pomocą rozpuszczalników ciekłych. Zastosowanie odpowiednich warunków elucji jest podstawą powodzenia procesu chromatografii.

W technikach biologii molekularnej elucję wykorzystuje się do odzyskiwania białek i kwasów nukleinowych lub ich fragmentów (np. oligopeptydów i oligonukleotydów) z żeli preparatywnych po rozdziale elektroforetycznym. Fragmenty żeli zawierające pożądane substancje wycina się i po rozdrobnieniu poddaje ekstrakcji za pomocą odpowiedniego roztworu buforowego. Efektywniejszą metodą jest elektroelucja, gdzie wypływanie substancji z wyciętego fragmentu żelu wymuszane jest przepływem prądu elektrycznego.

Czas retencji - wielkość występująca we wszystkich technikach chromatograficznych, równa ilości czasu potrzebnego do przejścia przez całą długość fazy rozdzielczej określonego składnika analizowanej mieszaniny. Rozdział i analiza mieszanin w metodach chromatograficznych wynika z faktu, że każdy związek chemiczny wykazuje zazwyczaj inne powinowactwo chemiczne lub inny stopień oddziaływań fizycznych z fazą rozdzielczą. Czym to powinowactwo jest silniejsze tym dłuższy jest czas retencji.

Rodzaje czasów retencji

• czas retencji całkowity (niepoprawiony) substancji chemicznej, t_r - jest to czas od wprowadzenia mieszaniny do rozdziału, do pojawienia się na chromatogramie maksimum piku, odpowiadającego tej substancji

• czas retencji martwy (zerowy), t_m - jest to czas retencji substancji obojętnej względem fazy rozdzielczej, czyli takiej, która nie oddziałuje chemicznie z tą fazą i dyfunduje przez nią bez żadnych przeszkód; w konsekwencji substancja ta pojawia się w eluacie jako pierwsza

• czas retencji zredukowany substancji chemicznej, t_r' - jest to różnica między całkowitym czasem retencji substancji a martwym czasem retencji, t_r' = t_r - t_m.

Czasy retencji zależą głównie

• od charakteru substancji chromatografowanej i fazy stacjonarnej (stąd od współczynnika podziału K w chromatografii podziałowej lub współczynnika adsorpcji K_A w chromatografii adsorpcyjnej),

• od drogi jaką musi przebyć analizowana substancja i szybkości przepływu eluenta, przy czym oczywiście czas retencji jest tym dłuższy im dłuższą drogę ma do pokonania analizowana substancja i im mniejsza szybkość przepływu fazy ruchomej,

• od temperatury,

• od objętości fazy stacjonarnej.

prąd

Atomy pierwiastków tworzących wiązania metaliczne charakteryzują się tym, że ich zewnętrzne elektrony walencyjne są przyciągane przez Jądro znacznie słabiej Niż u atomów pierwiastków niemetalicznych. Przy kondensacji par metali elektrony walencyjne tracą wieź z oddzielnymi atomami i stają się wspólne dla całego kryształu wiążąc ze sobą rdzenie atomowe.

Uwspólnienie elektronów walencyjnych jest nowym typem wiązania chemicznego wywołującego występowanie wielu cech charakterystycznych dla metali, przede wszystkim ich dobrego przewodnictwa elektrycznego i cieplnego. Podobieństwo między wiązaniem atomowym a metalicznym polega na tym, że w obu typach wiązań występuje uwspólnienie elektronów.

Wiązanie atomowe łączy z sobą jedynie najbliższe Atomy a uwspólnione elektrony tworzące te wiązania są zlokalizowane w pobliżu tych atomów natomiast w przypadku wiązania metalicznego mamy do czynienia z delokalizacją tych elektronów. Z tego powodu większość kryształów atomowych charakteryzuje się dużą kruchością, a kryształów metalicznych dużą plastycznością.

Elektronowa Teoria ciała stałego zajmuje się opisem zachowania się w krysztale rdzeni atomowych tworzących Sieć przestrzenną oraz elektronów walencyjnych uczestniczących w tworzeniu się wiązań chemicznych pomiędzy tymi rdzeniami. Najsłabiej związane elektrony walencyjne mogą już pod działaniem niezbyt dużych sił wyzwolić ze strefy oddziaływania danego rdzenia i wędrować po krysztale. Takie elektrony odpowiedzialne są za wiele specyficznych właściwości ciał stałych. . np. Przewodnictwo elektryczne.

Przewodnictwo elektryczne w ciałach stałych polega na ruchu nośników ładunków elektrycznych, np. elektronów; Wartość przewodnictwa zależy, więc od Liczby tych nośników w ciałach stałych. Pod tym względem ciała stałe dzielą się na 3 grupy: przewodniki (metale), Półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. Przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperaturach bliskich 0°K Staje się ono bardzo duże (nadprzewodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielektryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich Półprzewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektrycznego.

Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w metalach Liczba swobodnych elektronów jest bardzo duża ; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa Teoria metali. W powstała ogólniejsza, kwantowo-mechaniczna Teoria, tzw. Teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektrycznego ciał stałych.. W swobodnych atomach elektrony powłoki atomowej znajdują się w określonych stanach (poziomach) energetycznych opisywanych liczbami kwantowymi; stany te oddzielone są strefami energii wzbronionej.

Zgodnie z Pauliego zasadą wykluczenia poszczególny stan mogą zajmować 2 elektrony o przeciwnie skierowanych spinach. Każdy Elektron powłoki może być przeniesiony ze swego stanu podstawowego do stanu wyższej energii stanu wzbudzonego (jeżeli Stan ten jest nie obsadzony), np. w wyniku pochłonięcia kwantu energii. Ponieważ Sieć składa się z identycznych, rozmieszczonych w sposób periodyczny atomów, zakłada się, że nierozróżnalność atomów rozciąga się na elektrony ich powłok. Wszystkie elektrony należą więc do całego kryształu, traktowanego jako jedna wielka cząsteczka. Oznacza to, że każdy dozwolony poziom energetyczny swobodnego atomu musi być teraz zastąpiony przez pasmo b. bliskich siebie dozwolonych poziomów energetycznych, gdyż elektrony dostarczone do wspólnoty przez poszczególne Atomy nie mogą obsadzać tego samego stanu kwantowego. W krysztale zawierającym N atomów istnieje więc tyleż stanów w każdym dozwolonym paśmie energii.

Pasmo obsadzone przez elektrony walencyjne nosi nazwę pasma podstawowego lub walencyjnego, najbliższe dozwolone pasmo puste odpowiednik stanów wzbudzonych w atomach swobodnych- nazywa się pasmem przewodnictwa. W temp. 0°K elektrony obsadzają parami najniższe stany energii w paśmie; jeżeli Atomy mają po jednym elektronie walencyjnym (np. Atomy metali alkalicznych), to pasmo podstawowe jest tylko w połowie wypełnione. Obecność nie obsadzonych stanów w tym paśmie umożliwia Ruch elektronów wewnątrz pasma, a więc decyduje o przewodnictwie elektrycznym Liczba elektronów przewodzących Prąd elektr. (tzw. elektronów przewodnictwa) jest tego samego rzędu co Liczba atomów w sieci krystalicznej (tzn.1022 na cm3) .

Z nierozróżnialności elektronów w paśmie dozwolonej energii wynika, że się nie zmieni Stan energetyczny kryształu, jeśli 2 elektrony zamienią swoje miejsca i stany; Stan wzbudzenia energetycznego w dowolnym węźle sieci krystalicznej może się zatem przenosić na wszystkie równoważne węzły sieci; w ten sposób interpretuje się rozchodzenie się wzbudzeń optycznych i elektronów w krysztale. Gdy pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa zachodzą na siebie, tzn., gdy nie oddziela ich Strefa energii wzbronionej, ciał stałych. jest przewodnikiem (np. metale).

Elektrolit – termin, który ma dwa różne znaczenia.

1. Roztwór zdysocjowanych substancji jonowych, bądź też ciekła forma stopionej substancji jonowej. W roztworze pojawiają się swobodne jony, na skutek czego może ona np. przewodzić prąd elektryczny.

2. Z technicznego punktu widzenia, nazywa się też każde medium, zdolne do jonowego przewodzenia prądu elektrycznego – czyli zdolne do przekazywania jonowo ładunku między elektrodami. Zgodnie z tą definicją elektrolitem jest sam roztwór przewodzący prąd elektryczny.

Elektrolity w pierwszym znaczeniu są zawsze również elektrolitami w drugim znaczeniu, natomiast elektrolity w drugim znaczeniu nie zawsze są nimi w pierwszym.

Elektrolity w drugim znaczeniu dzieli się często na ciekłe (płynne) i suche (stałe).

Przykładami elektrolitów w pierwszym znaczeniu są np. wodne roztwory soli, kwasów i zasad, oraz stopy tych związków. Elektrolity te dzieli się na mocne i słabe, w zależności od ich stopnia dysocjacji:

• elektrolity mocne, całkowicie zdysocjowane na jony: wodorotlenki litowców i berylowców; wyłączając wodorotlenek berylu oraz magnezu, kwasy, np. HCl, HI, HBr, H₂SO₄, HNO₃, HClO₄, oraz większość nieorganicznych soli rozpuszczalnych w wodzie (do wyjątków należą np. sole rtęci – Hg(CN)₂, Hg₂Cl₂ – w których wiązanie metalu z anionem" jest w dużym stopniu kowalencyjne) – takie sole tworzą kryształy jonowe.

• elektrolity słabe: tylko częściowo zdysocjowane na jony – np. H₂S, H₂SO₃, HNO₂, CH₃COOH.

Ponadto wyróżnia się elektrolity binarne, które dysocjują na kationy i aniony w takiej samej ilości.

Przykładami elektrolitów w drugim znaczeniu, które nie są elektrolitami w pierwszym znaczeniu są np.:

• porowate gąbki lub materiały ceramiczne nasączone roztworami soli, kwasów i zasad.

• usieciowane polimery posiadające kanały jonowe, czyli puste obszary, przez które mogą wędrować swobodne jony.

• substancje krystaliczne, w których istnieją kanały jonowe, lub które są zdolne do absorbowania i uwalniania jonów okludowanych w sieci krystalicznej.

Wiązanie jonowe (inaczej elektrowalencyjne, heteropolarne lub biegunowe) – rodzaj wiązania chemicznego, którego istotą jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach.

Wiązanie to powstaje najczęściej między metalem a niemetalem. Różnica elektroujemności w skali Paulinga jest większa lub równa 1,7. Największy udział tego rodzaju wiązania można zaobserwować w związkach litowców z fluorowcami. Teoretycznie najsilniejszym wiązaniem jonowym charakteryzuje się fluorek fransu – FrF, gdyż posiada największą różnicę elektroujemności.

Związki, w których ono występuje, są zdolne do dysocjacji elektrolitycznej, tzn. do rozpadu na wolne jony. Stopy i roztwory związków chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe są elektrolitami, tzn. są zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego.

W kryształach substancji jonowych, nośniki ładunku (jony) są "więźniami" sieci krystalicznej. W stopionych lub rozpuszczonych kryształach jony są z niej uwolnione i są zdolne przewodzić prąd elektryczny. Trzeba pamiętać, że pojedyncze cząsteczki jonowe występują tylko w stanie gazowym.

Przewodnictwo elektryczne – zjawisko skierowanego przenoszenia ładunków elektrycznych przez dodatnie lub ujemne nośniki (np. elektrony, jony) zachodzące w ośrodku materialnym pod wpływem przyłożonego zewnętrznego pola elektrycznego.

Zależnie od rodzaju ładunków stanowiących prąd elektryczny wyróżnia się następujące mechanizmy (rodzaje) przewodnictwa elektrycznego:

elektronowe - nośnikami ładunku są elektrony.

dziurowe - nośnikami ładunku są elektrony poruszające się w paśmie walencyjnym (podstawowym) - stosuje się opis przewodnictwa za pomocą poruszającej się "dziury" o ładunku dodatnim.

jonowe - nośnikami ładunku są jony.

mieszane - nośnikami ładunku są zarówno elektrony, jak i jony.

Konduktywność (przewodnictwo właściwe, przewodność elektryczna właściwa) to wielkość fizyczna charakteryzująca przewodnictwo elektryczne materiału. Konduktywność wiąże gęstość prądu elektrycznego w materiale z natężeniem pola elektrycznego powodującego przepływ tego prądu

,

gdzie:

- gęstość prądu elektrycznego,

- natężenie pola elektrycznego.

Półogniwo to struktura zawierająca przewodzącą elektrodę oraz otaczający ją przewodzący elektrolit oddzielony przez naturalnie występującą podwójną warstwę Helmholtza. Reakcja chemiczna wewnątrz tej warstwy chwilowo pompuje ładunek elektryczny pomiędzy elektrodą a elektrolitem, w wyniku czego powstaje napięcie elektryczne pomiędzy nimi. Typowa reakcja anody wiąże atom metalu w elektrodzie i rozpuszcza się on i jest transportowany jako jon dodatni pomiędzy podwójną warstwą, powodując, że elektrolit potrzebuje dodatniego ładunku elektrycznego, podczas gdy anoda ujemnego ładunku. Rosnące napięcie elektryczne tworzy silne pole wewnątrz podwójnej warstwy i potencjał rośnie do momentu gdy pole zatrzyma reakcję pompowania ładunków. Ta samoograniczająca się operacja występuje niemal cały czas w izolowanym półogniwie. W praktycznych zastosowaniach dwa różne półogniwa są właściwie połączone ze sobą i tworzą ogniwo galwaniczne.

Zwykłe półogniwo, używane w elektrochemii, zawiera elektrodę metalową w 1-molowym (1 mol/dm³) roztworze wodnym soli metalu, przy temperaturze 298 K (25 °C)^[1]. Serie elektrochemiczne, które składają się ze zwykłych potencjałów elektrodowych i są ściśle związane z seriami reaktywnymi, generowanymi przez pomiar różnicy potencjałów pomiędzy półogniwem metalowym w obwodzie ze zwykłym półogniwem wodorowym, połączonymi za pomocą klucza elektrolitycznego.

Standardowe półogniwo wodorowe

2H⁺(aq) + 2e⁻ → H₂(g)

Półogniwa ogniwa Daniella:

Oryginalne równanie

Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu

Półogniwo z (anodą) cynku

Zn → Zn²⁺ + 2e⁻

Półogniwo z (katodą) miedzi

Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu

Klucz elektrolityczny – rodzaj półprzepuszczalnej przegrody lub naczynia z elektrolitem spełniający rolę łącznika dwóch półogniw w ogniwie galwanicznym. Klucz elektrolityczny zapewnia przepływ prądu elektrycznego między półogniwami i jednocześnie uniemożliwia mieszanie się elektrolitów wchodzących w skład półogniw.

Klucz elektrolityczny w znacznym stopniu eliminuje niepożądany w pomiarze siły elektromotorycznej SEM efekt „potencjału dyfuzyjnego”. Klucze elektrolityczne stanowią też część wielu akumulatorów elektrycznych.

Dla celów pomiarowych stosuje się w laboratoriach klucze w postaci szklanej rurki wygiętej w kształcie litery U, wypełnionej roztworem elektrolitu, z przegrodami porowatymi na końcach. W akumulatorach klucze elektrolityczne występują w najróżniejszych postaciach. Często jest to wprasowana warstwa stałego elektrolitu między dwie warstwy pełniące rolę półogniw.

We wszystkich przypadkach, elektrolit powinien być wykonany z substancji nie reagującej z elektrolitem półogniw. W kluczach pomiarowych elektrolit dobiera się tak aby liczba przenoszenia i ruchliwości jego jonów była identyczna z jednym z półogniw

Siła elektromotoryczna (SEM) – czynnik powodujący przepływ prądu w obwodzie elektrycznym[1] równy energii elektrycznej uzyskanej przez jednostkowy ładunek przemieszczany w urządzeniu (źródle) prądu elektrycznego w przeciwnym kierunku do sił pola elektrycznego oddziałującego na ten ładunek.

Siła elektromotoryczna jest najważniejszym parametrem charakteryzującym źródła energii elektrycznej zwane też źródłami siły elektromotorycznej, są nimi prądnice (prądu stałego i przemiennego), baterie, termopary, fotoogniwa

Ogniwo Daniella – ogniwo galwaniczne, w którym pierwsze półogniwo stanowi elektroda cynkowa zanurzona w roztworze siarczanu cynku ZnSO₄, a drugie elektroda miedziana zanurzona w roztworze siarczanu miedzi CuSO₄. W ogniwie tym oba półogniwa nie stykają się ze sobą bezpośrednio lecz są połączone kluczem elektrolitycznym, najczęściej wykonanym z roztworu chlorku potasu (KCl) w agar-agarze. Klucz elektrolityczny uniemożliwia mieszanie się roztworów elektrolitów oraz zapobiega gromadzeniu się nadmiaru ładunku ujemnego bądź dodatniego w zależności czy rozpatrujemy anodę czy katodę.