Leerdoelen
•Je kunt uitleggen wat UV-VIS spectroscopie is.
•Je kunt de extinctie definiëren en uitleggen hoe deze wordt gemeten met een spectrofotometer.
•Je kunt uitleggen wat een blanco is en hoe je een ijklijn gebruikt.
Wat is UV-VIS spectroscopie?
UV-VIS spectroscopie is een wetenschap die licht op moleculen projecteert om te bepalen welk molecuul het is, of in welke hoeveelheid het aanwezig is. UV staat voor ultraviolet licht en VIS staat voor visible (zichtbaar) licht. Het proces omvat het gooien van een specifiek pakketje energie, een bepaalde golflengte van licht, op een atoom. Hierdoor springt een elektron in het atoom van een lagere naar een hogere energiebbaan. Op dat moment neemt het atoom energie op, wat absorptie wordt genoemd. Wanneer het elektron terugvalt naar zijn oorspronkelijke baan, stoot het de opgenomen energie weer uit, wat het atoom een bepaalde kleur geeft die bij de golflengte van het uitgestoten licht hoort. Dit is de basis van UV-VIS spectroscopie: licht wordt op een molecuul gegooid, waardoor elektronen in een aangeslagen toestand komen.
Wat is een absorptiespectrum?
Een absorptiespectrum meet de opname (absorptie) van UV-licht of zichtbaar licht door een stof, oftewel hoeveel licht een stof opneemt.
Hoe beïnvloedt absorptie de kleur van stoffen?
Absorberen betekent dat een molecuul licht opneemt. Wanneer een stof een bepaalde golflengte van licht absorbeert, komt die golflengte niet in ons oog terecht. De golflengten die niet worden geabsorbeerd, worden teruggekaatst (gereflecteerd) en bepalen de kleur die wij zien.
Bijvoorbeeld, chlorofyl (bladgroen) absorbeert bijna alle kleuren licht behalve groen, tussen de 500 en 600 nanometer. Dit groene licht wordt niet opgenomen en gereflecteerd, waardoor bladeren groen lijken. Voor een rood object geldt hetzelfde: alle kleuren worden geabsorbeerd behalve rood, dat wordt teruggekaatst.
Wat is het verschil tussen kwalitatieve en kwantitatieve analyse?
•Kwalitatieve analyse stelt vast welk molecuul of welke stof aanwezig is. Dit gebeurt door het gemeten absorptiespectrum te vergelijken met bekende spectra in de literatuur.
•Kwantitatieve analyse bepaalt de hoeveelheid of concentratie van een stof. Voor kwantitatieve analyse is het van belang om te weten bij welke golflengte de maximale absorptie plaatsvindt, omdat de stof daar het best 'gezien' wordt en het meest effectief licht opneemt.
Hoe werkt een spectrofotometer?
Een spectrofotometer is een apparaat dat wordt gebruikt om de absorptie van licht door een stof te meten. Het apparaat bestaat uit een stralingsbron die UV- of zichtbaar licht uitzendt, en een detector. De te onderzoeken stof wordt in een cuvet tussen de stralingsbron en de detector geplaatst. Hoe meer licht de stof absorbeert, hoe minder licht de detector bereikt. De detector meet de intensiteit van het doorgelaten licht en genereert een output, bijvoorbeeld een absorptiespectrum.
Wat is een blanco en waarom is deze nodig?
Een blanco is een oplossing die alle deeltjes bevat behalve de stof waarvan de concentratie gemeten moet worden. Het doel van de blanco is om rekening te houden met lichtabsorptie door het oplosmiddel of andere aanwezige stoffen die niet de te meten component zijn, maar wel de meting kunnen beïnvloeden. De blanco laat meer licht door dan het monster, en de intensiteit van het licht dat door de blanco gaat, wordt aangeduid als I0.
De verhouding tussen de intensiteit van het doorgelaten licht door het monster (I) en de intensiteit van het doorgelaten licht door de blanco (I0) wordt de transmissie (T) genoemd: Transmissie (T) = I / I0
Voor metingen gebruikt men vaak niet de transmissie, maar de extinctie (E). De extinctie, ook wel uitdoving genoemd, is de negatieve logaritme van de transmissie: Extinctie (E) = -log(T) = -log(I / I0)
De extinctie is direct (recht) evenredig met de concentratie van de te meten stof, wat handig is voor het werken met rechte lijnen in grafieken. Transmissie en intensiteit zijn niet recht evenredig met de concentratie.
Hoe gebruik je een ijklijn voor kwantitatieve analyse?
Voor het bepalen van de concentratie van een onbekende stof, wordt een ijklijn gemaakt. Een ijklijn is een grafiek waarin de extinctie wordt uitgezet tegen de concentratie van de stof.
De stappen voor het maken en gebruiken van een ijklijn zijn als volgt:
1.Ijkreeks maken: Bereid een ijkreeks van oplossingen met verschillende, bekende concentraties van de te meten stof.
2.Extinctie meten: Meet de extinctie van elke oplossing in de ijkreeks met een spectrofotometer (nadat de golflengte van maximale absorptie is ingesteld en rekening is gehouden met een blanco).
3.Ijklijn tekenen: Plot de gemeten extinctiewaarden tegen de bijbehorende concentraties in een grafiek. Door deze punten wordt een rechte lijn getrokken, vaak door de oorsprong (0,0).
4.Monster meten: Meet de extinctie van het onbekende monster.
5.Concentratie aflezen: Zoek de gemeten extinctiewaarde van het monster op de y-as van de ijklijn en lees de bijbehorende concentratie af op de x-as.
Hoe houd je rekening met verdunningen?
Soms moet een monster verdund worden voordat het gemeten kan worden in een spectrofotometer, omdat het apparaat niet goed werkt bij te hoge concentraties. Als een monster wordt verdund, moet de afgelezen concentratie van de ijklijn worden gecorrigeerd.
De verdunningsformule kan worden gebruikt om de oorspronkelijke concentratie te berekenen: Volume_na / Volume_voor = Concentratie_voor / Concentratie_na
Deze formule kan ook geschreven worden als: Volume_voor * Concentratie_voor = Volume_na * Concentratie_na (dit stelt dat het aantal mol stof gelijk blijft voor en na verdunning, aangezien V * C = mol).
Als je bijvoorbeeld een monster 10 keer verdunt (10 ml aanvullen tot 100 ml), is de concentratie die je van de ijklijn afleest 10 keer lager dan de oorspronkelijke concentratie van het monster. Je moet de afgelezen concentratie dan vermenigvuldigen met 10 om de oorspronkelijke concentratie te vinden.
Rekenvoorbeeld: Bepaling van ijzergehalte in grondwater
Grondwater bevat vaak zowel Fe2+- als Fe3+-ionen. Voor de colorimetrische bepaling van het ijzergehalte, worden ijzer(III)ionen (Fe3+) met thiocyanaationen (SCN-) samengevoegd, wat een rood gekleurd complex vormt. Dit complex is nodig omdat het meetapparaat Fe3+-ionen op zichzelf niet kan detecteren.
Om het totale ijzergehalte te bepalen, moet eerst al het aanwezige Fe2+ worden omgezet in Fe3+. Dit gebeurt met een aangezuurde H2O2-oplossing, die als oxidator fungeert. De reactievergelijking voor de omzetting van Fe2+ naar Fe3+ met H2O2 in aangezuurde oplossing is: 2 Fe2+(aq) + H2O2(aq) + 2 H+(aq) → 2 Fe3+(aq) + 2 H2O(l)
Stappen voor de bepaling:
1.Ijkreeks bereiden: Een standaardoplossing van 5,0 mg Fe3+ per liter wordt gebruikt. Hieruit worden acht oplossingen met 0 tot 7 ml van deze standaardoplossing bereid. Aan elke oplossing wordt 1 ml 2 M kaliumthiocyanaat toegevoegd, en vervolgens wordt elke oplossing met demiwater aangevuld tot 10 ml. De extincties van deze oplossingen worden gemeten en een ijklijn wordt gemaakt. [GRAFIEK: Ijklijn van Fe3+ thiocyanaat complex] Alt-tekst: Een ijklijn grafiek waarop op de y-as extinctie en op de x-as concentratie in milligram Fe3+ per liter staat, met een rechte lijn door de oorsprong en acht punten.
2.Monster voorbereiden en meten: Van het te onderzoeken grondwater wordt 25 ml genomen. Hieraan wordt achtereenvolgens 1 druppel 3% H2O2-oplossing, 5 ml 2 M kaliumthiocyanaatoplossing en 10 ml 1 M HCl toegevoegd. De oplossing wordt met water aangevuld tot 50 ml. De extinctie van deze oplossing wordt bepaald en is 0,14.
Berekening van de concentratie Fe3+ in het grondwater:
1.Concentratie aflezen van de ijklijn: Bij een extinctie van 0,14 (volgens de ijklijn) is de concentratie van het gemeten monster 0,7 mg Fe3+ per liter.
2.Correctie voor verdunning: Het oorspronkelijke grondwatermonster (25 ml) is aangevuld tot 50 ml, wat een verdunning van 50 ml / 25 ml = 2 keer betekent. De concentratie in het gemeten monster is dus gehalveerd ten opzichte van het oorspronkelijke grondwater. Om de oorspronkelijke concentratie te berekenen: C_grondwater = C_afgelezen * (V_na / V_voor) C_grondwater = 0,7 mg/L * (50 ml / 25 ml) C_grondwater = 0,7 mg/L * 2 = 1,4 mg Fe3+ per liter.
3.Omrekenen naar mol per liter: Om de concentratie in mol/liter te krijgen, moet deze worden gedeeld door de molaire massa van Fe3+ (wat 55,845 g/mol is, maar in de video 56 wordt gebruikt): Concentratie (mol/L) = 1,4 mg/L / (56 g/mol * 1000 mg/g) = 1,4 / 56000 = 0,000025 mol/L = 0,025 mmol/L.
