PRZEPUSZCZALNOŚĆ: CO TO JEST, WYKRES ENERGII MOLEKULARNEJ I ĆWICZENIA - FIZYCZNY - 2025

Przepuszczalność Optics stosunek powstającego intensywności światła i intensywności padającego na próbkę roztworu przezroczystego, który został naświetlony światła monochromatycznego światła.

Fizyczny proces przechodzenia światła przez próbkę nazywa się przepuszczalnością światła, a przepuszczalność jest miarą przepuszczalności światła. Przepuszczalność jest ważną wartością do określenia stężenia próbki, która jest zwykle rozpuszczana między innymi w rozpuszczalniku, takim jak woda lub alkohol.

Rysunek 1. Zespół do pomiaru transmitancji. Źródło: F. Zapata.

Elektrofotometr mierzy prąd proporcjonalny do natężenia światła padającego na jego powierzchnię. Aby obliczyć transmitancję, najpierw mierzy się sygnał natężenia odpowiadający samemu rozpuszczalnikowi i ten wynik zapisuje się jako Io.

Następnie rozpuszczoną próbkę umieszcza się w rozpuszczalniku w takich samych warunkach oświetleniowych, a sygnał mierzony elektrofotometrem oznaczamy jako I, następnie transmitancję oblicza się według następującego wzoru:

T = I / I lub

Należy zauważyć, że transmitancja jest wielkością bezwymiarową, ponieważ jest miarą natężenia światła próbki w stosunku do intensywności przepuszczalności rozpuszczalnika.

Co to jest przepuszczalność?

Absorpcja światła w medium

Kiedy światło przechodzi przez próbkę, cząsteczki absorbują część energii świetlnej. Przepuszczalność jest makroskopową miarą zjawiska zachodzącego na poziomie molekularnym lub atomowym.

Światło jest falą elektromagnetyczną, energia, którą niesie, znajduje się w polu elektrycznym i magnetycznym fali. Te oscylujące pola oddziałują z cząsteczkami substancji.

Energia niesiona przez falę zależy od jej częstotliwości. Światło monochromatyczne ma jedną częstotliwość, podczas gdy światło białe ma zakres lub spektrum częstotliwości.

Wszystkie częstotliwości fali elektromagnetycznej poruszają się w próżni z tą samą prędkością 300 000 km / s. Jeśli oznaczymy przez c prędkość światła w próżni, zależność między częstotliwością f a długością fali λ jest następująca:

c = λ⋅f

Ponieważ c jest stałą, każda częstotliwość odpowiada jej odpowiedniej długości fali.

Do pomiaru transmitancji substancji wykorzystuje się obszary widzialnego widma elektromagnetycznego (380 do 780 nm), obszar ultrafioletu (180 do 380 nm) i obszar podczerwieni (780 nm do 5600 nm).

Prędkość propagacji światła w ośrodku materialnym zależy od częstotliwości i jest mniejsza niż c. To wyjaśnia rozpraszanie w pryzmacie, za pomocą którego można oddzielić częstotliwości tworzące białe światło.

Molekularna teoria absorpcji światła

Przejścia te najlepiej zrozumieć za pomocą diagramu energii molekularnej pokazanego na rysunku 2:

Rysunek 2. Diagram energii molekularnej. Źródło: F. Zapata.

Na diagramie poziome linie przedstawiają różne poziomy energii molekularnej. Linia E0 to podstawowy lub niższy poziom energii. Poziomy E1 i E2 to wzbudzone poziomy wyższej energii. Poziomy E0, E1, E2 odpowiadają stanom elektronowym cząsteczki.

Podpoziomy 1, 2, 3, 4 na każdym poziomie elektronicznym odpowiadają różnym stanom wibracyjnym odpowiadającym każdemu poziomowi elektronicznemu. Każdy z tych poziomów ma subtelniejsze podziały, które nie są pokazane jako odpowiadające stanom rotacyjnym związanym z każdym poziomem wibracyjnym.

Diagram przedstawia pionowe strzałki przedstawiające energię fotonów w zakresie podczerwieni, widzialnego i ultrafioletu. Jak widać, fotony podczerwone nie mają wystarczającej energii, aby promować przejścia elektroniczne, podczas gdy promieniowanie widzialne i ultrafioletowe tak.

Kiedy padające fotony wiązki monochromatycznej zbiegają się pod względem energii (lub częstotliwości) z różnicą energii między stanami energii molekularnej, następuje absorpcja fotonów.

Czynniki, od których zależy przepuszczalność

Zgodnie z tym, co zostało powiedziane w poprzedniej sekcji, przepuszczalność będzie wtedy zależeć od kilku czynników, wśród których możemy wymienić:

1- Częstotliwość, z jaką próbka jest oświetlana.

2- Rodzaj analizowanych cząsteczek.

3- Stężenie roztworu.

4- Długość drogi pokonywanej przez wiązkę światła.

Dane eksperymentalne wskazują, że transmitancja T maleje wykładniczo wraz ze stężeniem C i długością L ścieżki optycznej:

T = 10 ^-a⋅C⋅L

W powyższym wyrażeniu a jest stałą zależną od częstotliwości i rodzaju substancji.

Ćwiczenie rozwiązane

Ćwiczenie 1

Standardowa próbka określonej substancji ma stężenie 150 mikromoli na litr (μM). Gdy mierzy się przepuszczalność światła o długości 525 nm, uzyskuje się przepuszczalność 0,4.

Inna próbka tej samej substancji, ale o nieznanym stężeniu, ma transmitancję równą 0,5, mierzoną przy tej samej częstotliwości i przy tej samej grubości optycznej.

Obliczyć stężenie drugiej próbki.

Odpowiadać

Przepuszczalność T spada wykładniczo wraz ze stężeniem C:

T = 10 ^-b⋅L

Jeśli weźmie się logarytm poprzedniej równości, pozostaje:

log T = -b⋅C

Dzieląc element przez członka, poprzednia równość zastosowana do każdej próbki i rozwiązanie dla nieznanego stężenia pozostaje:

C2 = C1⋅ (log T2 / log T1)

C2 = 150 μM⋅ (log 0,5 / log 0,4) = 150 μM⋅ (-0,3010 / -0,3979) = 113,5 μM

Bibliografia

1. Atkins, P. 1999. Physical Chemistry. Wydania Omega. 460-462.
2. Przewodnik. Przepuszczalność i absorbancja. Odzyskany z: quimica.laguia2000.com
3. Toksykologia środowiskowa. Przepuszczalność, absorbancja i prawo Lamberta. Odzyskany z: repositorio.innovacionumh.es
4. Fizyczna przygoda. Absorbancja i przepuszczalność. Odzyskany z: rpfisica.blogspot.com
5. Spektrofotometria. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Toksykologia środowiskowa. Przepuszczalność, absorbancja i prawo Lamberta. Odzyskany z: repositorio.innovacionumh.es
7. Wikipedia. Przepuszczalność. Odzyskane z: wikipedia.com
8. Wikipedia. Spektrofotometria. Odzyskane z: wikipedia.com