Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #10 Absorbancja i Transmitancja

barbarossastudio (61)in #polish • 6 years ago (edited)

Piwo. Złocisty, chmielowy napój alkoholowy. Pity przez wszystkich, od zbieraczy złomu, przez pracowników przemysłu po polityków kończąc. Piwo kochają wszyscy, a w wersji bezalkoholowej jest świetnym napojem po treningu (to znaczy tak mi się wydaje, ale dla pewności spytajcie @anna.urbanska) Ale zaraz, to jest seria o spektroskopii, a nie alkoholu. Co więc Spektro ma wspólnego z piwem?

Odpowiedzią jest: Absorbancja, a konkretnie prawo Lamberta-Beera, rozumiecie, piwo - beer, dobra to tyle żenujących żartów, przejdźmy do konkretów.

Na początek przypomnijmy sobie ostatnie zdania poprzedniego posta, to że nie widzimy jednego ostrego piku, tylko pasmo w kształcie góry. Będzie ono bardzo ważne w kontekście spektroskopii absorpcyjnej z której bardzo mocno korzysta spektroskopie UV-VIs (aha, i aBsorpcja, a nie aDsorpcja - to dwa różne pojęcia które studenci uwielbiają mylić).

Źródło

To zdjęcie jest bardzo ciekawe w kontekście zrozumienia widm absorpcyjnych w UV-Vis. Widzimy na nich, że linia zaczyna się od Absorbancji na wysoki poziomie potem mocno spada, rośnie i znów spada. Jak to czytać?

Zacznijmy więc od początku. Wzór na Absorbancje wyraża się kilkoma wzorami, oto najważniejsze z nich:

A= log (Io/I) Gdzie A - Absorbancja, Io - Natężenie wiązki pierwotnej, I - Natężenie wiązki po przejściu przez ośrodek
A = εLC Gdzie ε - Molowy współczynnik absorpcji (wartość stała dla danej długości fali i związku), L - grubość ośrodka (w cm) C - Stężenie substancji z mol/dm3.

Jako, że współczynnik molowy absorpcji ma wymiar: 1/(cm* mol/dm3) to Absorbancja jest BEZWYMIAROWA. Jest to bardzo ważne, bo pewnie podczas studiów będziecie pytani o to z 30 razy.

Dobrze, więc jak mamy już omówione najważniejsze rzeczy, wróćmy do naszego widma. Dlaczego ta absorbancja na początku jest taka dziwna? Cóż, jest to zapewne, po prostu absorpcja ośrodka i ewentualnie rozpuszczonej w niej substancji. Analiza tego wycinka widma nie mówi nam w zasadzie nic.

Jednakże wykonanie ślepej próby, to znaczy z samym ośrodkiem, bez substancji, jest często kluczowe dla wielu technik pomiarowych - pozwalają skalibrować urządzenie, czyli odjąć widmo ośrodka, co następnie pozwala na określenie dla jakiej fali substancja absorbuje najmocniej.

Taka wiedza już nam coś mówi i może się przydać!

Teraz wyobraźmy sobie, że nasza babcia chce przygotować swoim wnukom wodę z sokiem. Babcia do każdej szklanki wlewa inną ilość soku. My oczywiście jesteśmy zachłanni i chcemy dostać tę szklankę gdzie jest soku najwięcej. Wyjmujemy więc nasz przenośny spektrofotometr za kilka tysięcy dolarów i badamy próbki. Określamy maksimum absorbancji dla danej fali a następnie badamy absorbancję dla tej fali dla danej próbki.

W wyniku tego otrzymamy różne widma. Podświadomie czujemy, że najwięcej soku będzie w tej próbce której widmo dla danej fali wyszło najbardziej intensywne.

I rzeczywiście tak jest! Oczywiście malkontenci mogliby powiedzieć, że przecież można zrobić to na "oko"

Źródło

Pewnie, że można by zrobić na oko, jak pan Miecio, ale jakość taka badania byłaby żadna. Niestety, sam miałem okazję się przekonać o tym jak ułomnymi jesteśmy istotami gdy podczas laboratorium, już nie pamiętam z czego kazano każdemu z nas określić który roztwór jest najbardziej gęsty, najbardziej stężony itp. Ostatecznie jeśli komuś się udało, ty tylko fartem.

Urządzenia nie mylą się natomiast nigdy, dlatego trzeba mieć do nich szacunek i wykonywać robotę porządnie.

Dobrze, ale to Absorbancja, a co z Transmitancją? Z nią jest dosyć prosto. Jest to ujemny logarytm z absorbancji, czyli I/Io. Najczęściej podaje się ją w procentach.

Warto jednak pamiętać, że nie jest to bezpośrednio odwrotność Absorbancji, lecz ujemny logarytm z niej. Studenci często o tym zapominają przez co tracą punkty na egzaminach albo wylatują z laboratoriów.

Ok, więc mamy podstawy tego czym jest absorpcja promieniowania i do czego ją wykorzystać, ale co czemu promieniowanie przez niektóre związki są absorbowane bardziej, a przez inne mniej? Dlaczego piki są intensywne dla danej fali, podczas gdy dla innych absorbancja praktycznie ryje po ziemi?

Odpowiedzią są Chromofory. Są to substancje które pochłaniają promieniowanie widzialne, od chroma czyli kolor z greki. Są to grupy takie jak: eterowa, nitrowa, karbonylowa itp. Może zdarzyć się, że związek będzie miał kilka chromoforów więc będzie absorbował wiele długości fal. Wiedza ta przydaje się do identyfikacji związków.

Ok, mamy chromofory, okazuje się, że z nimi też możemy trochę namieszać bo możemy dołożyć im podstawnik, np. grupę -OH lub zmienić ośrodek, przez co zajdzie jedna lub dwie z 4 rzeczy:

Źródło

Widać je najlepiej na zdjęciu, może rosnąć i spadać intensywność oraz zmieniać się absorbowana fala. Istotnym jest więc aby dobierać rozpuszczalnik który nie wpływa na naszą substancję, albo wpływa, zależnie od tego co chcemy uzyskać.

No dobrze, to jeden związek, a co gdyby mieć kilka związków w jednym roztworze? Wtedy zachodzi addytywność absorbancji, jest to przydatne np. podczas wyliczania stężeń poszczególnych składników.

Można jeszcze wspomnieć o tym, że oprócz procesów jednofotonowch, czyli takich gdzie do wzbudzenia potrzeba jednego fotonu, są również procesy 2 fotonowe, gdzie tych fotonów potrzeba aż dwóch! Tym jednak nie będziemy się zajmować.

Był to artykuł o absorpcji promieniowania, a co z sytuacjami gdy foton jest emitowany? Tym zajmiemy się w kolejnym odcinku.

Na zakończenie jeszcze schematyczny rysunek przedstawiający najważniejsze rzeczy o których mówiliśmy.

Źródło