KİMYAGER: DENEY-2 GÖRÜNÜR BÖLGE (visible) SPEKTROSKOPİSİ

ÖZET

Bu deneyde UV-Visible spektrofotometresinin kullanımı ve çalışma prensibi hakkında bilgi edinmiş olduk. Uv-visible bölge absorpsiyonları moleküler absorpsiyon spektrometrisi içerisinde yer alır. 340-750 nm dalga boyu aralığında duyarlılığa sahip bir yöntemdir. Genellikle organik ve inorganik bileşiklerin kantitatif analizinde yaygın olarak kullanılır.

Yapmış olduğumuz deneyde farklı konsantrasyonlarda amonyum fosfa molbdat çözeltileri alarak UV-Visible spektrofotometrisinde absorbantları ölçüldü ve konsatrasyona karşı absorbans grafiği çizildi. Bunun sonucunda konsantrasyonu bilinmeyen bir amonyum fosfa molbdat çözeltisinin konsantrasyonunu tayin etmiş olduk.

1.AMAÇ

Lambert-Beer Kanunu doğrulayan uv-visible spektrofotometresiyle fosfat tayinini yapılmasıdır.

DİKKAT: kare şeklindeki kutucuklar içerisinde işareti vardır.

2.TEORİK BİLGİ

2.1. TEMEL KAVRAMLAR

Monokromatik ve I₀ şiddetindeki bir ışık demeti, kalınlığı b cm olan bir tüpte bulunan çözeltideki herhangi bir molekül tarafından absorplandığında şiddeti azalır ve tüpü I, şiddetinde terk eder. Işımanın şiddetindeki bu azalmanın bir kısmı örnek kabının çeperlerinde ortaya çıkan yansımalar veya çözeltide bulunabilecek asılı taneciklerinin yol açtığı saçılmalar sonucu oluşur. Sadece moleküllerin o dalga boyundaki ışımaya absorplaması sonucu ortaya çıkan azalma BEER-LAMBERT eşitliği ile verilir. Bu eşitliğe göre, örnek kabına giren ve kabı terk eden ışık şiddetlerinin logaritmalarının farkı, ışıkla etkileşen moleküllerin birim hacimdeki sayısı ile yani derişim ile orantılıdır:

Log (Io/I)= bc=A (1)

A ile C arasında bu basit doğrusal ilişkiden analitik uygulamalarda yararlanılır. Eşitlikte derişim C, mol/L, örnek kabının kalınlığı b ise cm birimindedir, , molar sönüm veya molar absorpsiyon katsayısı ya da molar absorptivite olup, birimi L/mol.cm dir; A ise absorbans adını alır.A’ya optik yoğunluk veya sönüm adları verilir. Derişimin g/L olarak kullanılması halinde A’yı C’ye bağlayan eşitlikte katsayı a ile gösterilir ve birimi L/g.cm olarak verilir; a, sönüm veya absorpsiyon katsayısı ya da absorptivite adını alır:

A = abc

Örnek kabını terk eden ve kaba giren ışık şiddetleri arasındaki orana geçirgenlik, T, adı verilir:

I/I_o= T =10^-bc (2)

Görüldüğü gibi, geçirgenlik ile derişim arasındaki ilişki üstel olup bunun uygulamada

kullanılması zordur. A ile T arasındaki basit ilişki ise,

A= -logT = 2- log %T (3)

şeklindedir ve % T, yüzde geçirgenlik adını alır.

Normal olarak geçirgenlik ve absorbans ölçümlerinde,analit çözelti geçirgen bir kapveya hücrede bulunması gerektiği için laboratuvarda ölçülemezler.İki hava/kap ve iki kap/çözelti ara yüzeylerinde yansımalar olur. Ayrıca ışın şiddetinde,büyük moleküllerin ışını saçmaları ve bazen kap yüzeyinin absorpsiyonu nedeniyle de azalma olabilir.Bu etkileri düzeltmek için analit çözeltiden geçen ışın gücü,genellikle içinde yalnız çözücü bulunan eşlenik bir hücreden geçen ışın gücü ile kıyaslanır.Gerçek geçirgenlik ve absorbansa çok yakın deneysel geçirgenlik ve absorbans değerleri bu eşitlikten bulunur:

T=(P_çözelti/P_çözücü)=P/P₀

Çözeltide, uygulanan dalga boyundaki ışığı absorplayacak birden fazla molekülvarsa, A toplamsal bir değer olduğundan.

A=A1+A2+..............=₁bc₁ + ₂bc₂ (4)

eşitliği geçerlidir.

2.2. BEER YASASI

Aşağıdaki şekilde olduğu gibi absorplayıcı bir madde bloku (katı, sıvı veya gaz) düşünelim. P₀ gücünde paralel monokromatik bir ışın demeti blok yüzeyine dik olarak düşsün; N tane absorplayıcı atom, iyon veya molekül içeren b uzunluğundaki maddeden geçerken absorpsiyon sonucu ışın gücü P değerine düşer. Blokun son derece düşük dx kalınlığındaki S kesit alanını göz önüne alalım. Bu kesit alanda dn tane absorplayıcı tanecik bulunur; her bir tanecikte foton yakalanmasının gerçekleştiği bir yüzeyin varlığı düşünülebilir. Eğer foton bu yüzeylerden birisine ulaşırsa, hemen yakalanır. İlgili kesit alandaki yakalayıcı yüzeyin toplam alanı dS ile gösterilir; böylece foton yakalayıcı yüzeyin toplam yüzey alanına oranı dS / S olur. İstatistik ortalamaya göre, bu oran ilgili kesitte fotonun yakalanma olasılığını gösterir.

P_o başlangıç gücündeki bir ışının gücünün, litrede c mol absorplayıcı madde içeren b cm ışın, yoluna sahip bir çözelti tarafından azaltılması. P < P_o

İlgili kesitte giren ışının şiddeti P_x, 1cm² deki foton sayısı ile orantılıdır ve dP_xbu kesitte absorplanan miktarı gösterir; böylece absorplanma kesri –dP_x / P_x olur ve bu oran fotonun yakalanmasının ortalama olasılığını verir. P nin azaldığını göstermek için terime eksi işareti verilir. Böylece

-dPx / Px = dS / S

dS’ nin taneciklerin foton yakalayıcı yüzeylerinin toplam alanı olduğunu hatırlayalım; bu nedenle dS toplam tanecik sayısı ile orantılı olmalıdır, veya

dS = adn

olur. Bu eşitlikte dn tanecik sayısı ve a yakalama kesit alanı olaraktan adlandırılabilecek bir orantı sabitidir. 0 ve n aralığında integrali alınırsa;

-∫ dP_x / P_x = ∫ adn / S

elde edilir ve integral çözülünce,

-ln ( P / P0 ) = an / S bulunur.

Kesit alanı S blokunun cm³ olarak hacmi V ve cm olarak uzunluğu b cinsinden

verilebilir. Böylece S = V / b cm² olur. Eşitlik düzenlenirse;

log ( P0 / P ) = anb / 2.303V elde edilir.

n / V nin biriminin derişim birimi yani, 1cm³ teki tanecik sayısı olduğuna dikkat

edersek, n / V değerini litrede mol olarak verebiliriz.

Böylece mol sayısı;

mol sayısı = n tanecik / ( 6.02*1023 tanecik/mol ) olarak verilir ve c, mol / litre

cinsinden

c = ( 1000n / 6.02*1023V ) mol / litre eşitlikler birleştirilince;

log ( P0 / P ) = 6.02*1023abc / 2.33*1000 elde edilir.

Son olarak bu eşitlikteki sabit değerle tek bir terim olan ε’ da toplanabilir.

log ( P0 / P ) = εbc = A

bu ise Beer Yasasının formülle gösterimidir.

2.3. Beer Yasasının Karışımlara Uygulanması

Beer Yasası birde çok absorplayıcı madde içeren karışımlar içinde geçerlidir. Türlerin birbirlerini etkilememesi koşuluyla, çok bileşenli bir sistemin toplam absorbansı

A_toplam = A₁+ A₂+ .... + An = ₁bc₁ + ₂bc₂ + ... + _nbc_n

olarak verilir.

Beer-Lambert eşitliğinin geçerli olabilmesi için uygulanan ışığın gerçekten

monokromatik yani tek dalga boyu değerinde olması, absorpsiyon olayının örneğin her yerinde eşit miktarda olması yani,örneğin homojen olması,ayrıca birden fazla bileşenin ışığı absorplaması halinde,her bir bileşenin, diğerlerinin absorpsiyonunu etkilememesi gerekir. Bu koşulların sağlanması halinde, A ile C arasındaki ilişki doğrusaldır.Genellikle C değerinin, 0.01 M dan daha küçük olduğu durumlarda bu doğrusallık sağlanır. Daha derişik çözeltilerde, moleküller arası etkileşmeler önem kazanır ve bu etkileşmeler A ile C arasındaki doğrusal ilişkinin bozulmasına neden olur. A ile C arasındaki bağıntıda orantı katsayısı aslında değil, n/(n²+2)² dir ve ancak seyreltik çözeltilerde n/(n²+2)² değerinin derişimle değişimi ihmal edilebilir. Derişim arttıkça çözelitinin kırılma indisi, n, artar ve n/(n²+2)² değeri azalır. Bu etki nedeniyle derişik çözeltilerde A ile C arasındaki doğrusal ilişkiden negatif yönde sapmalar ortaya çıkar.

Beer-Lambert eşitliğinde sapmalara yol açabilecek bir başka faktör ise,örneğe gönderilen ışığın tam monokromatik olmaması veya örneğin ışık kaynağından gelen ışığa ek olarak dışarıdan kaçak ışığın gelmesidir.Bunu daha kolay anlayabilmek için örneğe iki ayrı dalga boyunda I_o ve I_oşiddetlerindeki ışığın geldiğini ve örneğin bu ışınları absorpladığını düşünelim. Bu durumda,

eşitliği geçerli olur. Eşitlikten görüldüğü gibi,örnek her iki dalga boyundaki ışımayı aynı miktarda absorpluyorsa, yani =’ ise ,eşitlik tek dalga boyundaki eşitliğe indirgenir ve bu nedenle doğrusallıktan bir sapma gözlenmez. büyüktür ’ ise ölçülen A, tek dalga boyu için ölçülmesi gereken değerden daha küçük olur ve doğrusal ilişkiden negatif bir sapma ortaya çıkar. küçüktür ’ olması durumunda ise bu sapma pozitiftir.

Bir spektrofotometrede ışık kaynağından çıkan polikromatik, yani çok dalga boylu ışık demetinden monokromatör adı verilen düzenek yardımı ile monokromatik, yani tek dalga boylu ışık seçilir ve bu ışık ince bir aralıktan geçirilerek örneğe gönderilir. Işık ne kadar dar bir aralıktan geçirilirse istenilen dalga boyundaki ışık o kadar saf olarak elde edilir. Aralığın fazla açılması halinde istenilen dalga boyu ile beraber buna yakın değerlerdeki dalga boyları da örneğe gönderilmiş olur.Örneğe gönderilen ışık,geniş bir dalga boyu aralığı içeriyorsa,dalga boyu aralığının kenarlarındaki kısmı,merkezdeki kısmından daha az absorbans değerlerinin ölçülmesine neden olur. Böylece,Beer-Lambert eşitliğinden negatif sapmalar ortaya çıkar. İncelenen örnekte disosyasyon, asosyasyon, polimerleşme, kompleks oluşumu gibi dengelerin oluşması ile de Beer-Lambert eşitliğinden sapmalar ortaya çıkar. Örneğin, benzoik asidin sulu çözeltisinde,

disosyasyon dengesi kurulur. Burada asidin ışığı absorplama dalga boyu maksimumu, 273 nm, molar sönüm katsayısı 970 dir. İyonlaşmış tür ise maksimum dalga boyu 268 nm ve molar sönüm katsayısı 560 değerlerine sahiptir. Seyrelme ve/veya pH’ın artması ile denge sağa kayacağından, 273 nm deki etkin molar sönüm katsayısı azalır ve beklenenden daha küçük absorbans değerleri ölçülür.

dengesinde de Cr₂O₇^2- ve CrO₄^2- türlerinin ışığı absorpladığı maksimum dalga boyu değerleri farklıdır.Sistem sadece CrO₄^2- nin bulunduğu kuvvetli bazik veya sadece Cr₂O₇^2- nin bulunduğu kuvvetli asidik çözeltide inceleniyorsa,absorbans-derişim ilişkisinde doğrusallık gözlenir.Sistem her iki türü de içeriyor ve pH’ın tamponlamadığı bir çözeltide inceleniyorsa, Beer-Lambert eşitliğinden sapmalar olur.

Bir dengede ışığı absorplayan türlerin ışığı absorplama miktarlarının eşit olduğu bir dalga boyu da bulunabilir.Bu dalga boyuna isosbestik nokta adı verilir. Ölçümlerin bu dalga boyunda yapılması ile, dengede bir türden diğerine geçiş olsa bile, Beer-Lambert doğrusal ilişkisi elde edilir.İncelenen maddenin floresans özelliğine sahip olması, aynen kaçak ışık gibi etki yapar. Ölçüm sırasında ışığı absorplayan türün fotokimyasal bir tepkimeye girerek bozunması da istenmeyen bir durumdur. Her iki olay da A ile C arasındaki doğrusal ilişkiden negatif sapmalara neden olur. Maddenin incelendiği çözücünün değiştirilmesi ile hem absorbans değeri hem de maksimum dalga boyu değeri değişir. Sıcaklık değişmeleri de ölçümlerde hatalara neden olabilir.

Ölçülen absorbans, A,değerlerinin dalga boyuna karşı grafiğe geçirilmesi ile söz konusu maddenin absorpsiyon spektrumu elde edilir. Ölçümlerde elde edilen logA veya %T değerleri de dalga boyuna karşı grafiğe geçirilebilir. Şekil 1 de, bu üç tür absorpsiyon spektrumu için örnekler görülmektedir.

Beer-Lambert eşitliğine göre, A-C doğrusal ilişkisinin sağlanması için, absorbansın dalga boyu değerlerindeki küçük değişmelerden pek fazla etkilenmediği bir dalga boyunun seçilmesi gerekir. Bu da ölçümlerin absorpsiyon spektrumundaki maksimum dalga boyu değerlerinde yapılması ile sağlanır.

Absorpsiyon ölçümleri sırasında karşılaşılan bir başka güçlük ise, incelenen örneğin

geçirgenliğinin çok az veya çok fazla olduğu zaman ortaya çıkar. Geçirgenlik ile derişim arasındaki ilişki logaritmik olduğundan, T’ nin ölçümünde yapılacak bir hata (ΔT) hesaplanan C değerlerinde oldukça büyük bağıl hataya neden olur.

ΔC/C=(0.434/TlogT)ΔT (6)

Eşitliği ile hesaplanacak bu hata,görüldüğü gibi ayrıca ölçülen T değerine de bağlıdır.ΔC/C nin T’ye karşı grafiğinin incelenmesi,Şekil 2 de görüldüğü gibi, uygulamada ölçümlerin T=0.2-0.7 arasında yapılması ile bağıl hatanın en aza indirilmesi mümkün olduğunu göstermektedir. Bağıl hatanın en az olduğu T değeri ise 0.368 dir.

3.KULLANILAN MALZEMELER

Beher
Spektrofotometre
Amonyum molibdat çözeltisi
Sülfürik asid çözeltisi
Askorbik asid çözeltisi
Potasyum antimuan tartarat çözeltisi

4.DENEYİN YAPILIŞI

Askorbik Asit Metodu

Askorbik asit metodunda, amonyum molibdat ve antimonil tartarik asit ortamda ortofosfatla reaksiyona girerek heteropoli asit-fosfomolibdik asit teşkil ederler. Bu asit daha sonra askorbik asit ile indirgenerek molibden mavisi rengine sahip bir bileşiğe dönüştürülür. Elimizdeki 1000 ppm lik stok çözeltiden 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; ve 1 ppm lik çözeltiler hazırlamak mümkün olmadığından dolayı önce bir ara stok çözelti hazırlanır. Stok çözeltiden 10 ml balon joje içerisine alınır. Piset yardımıyla 100 ml saf su ile tamamlanır. Bunun sonucunda 100 ml’lik 100 ppm lik stok çözelti hazırlanmış olur. Hazırlanan stok çözelti 100 ml’lik behere alınarak standart çözeltilerin hazırlanmasına başlanır ve 0,2 mg/L çözelti elde etmek için stok çözeltisinden 200 mikrolitre balon joje içerisine otomatik pipet yardımıyla aktarılarak saf su ile 100 ml’ye tamamlanır ve 0,2 ppm lik 1. standart çözelti elde edilir. Daha sonra stok çözeltiden alınan miktarlar sırası ile 400; 600; 800; 1000 mikrolitre olarak ayarlanır ve 100 ml’ye saf su ile tamamlanarak diğer 4 adet standart çözelti elde edilmiş olur.

Sırası ile 10 ml amonyum molibdat çözeltisinden, 25 ml sülfürik asit çözeltisinden, 10 ml askorbik asit çözeltisinden ve 5 ml potasyum antimuan tartarat çözeltisinden bir beher içerisine alınır ve toplam 50 ml’lik reaktif elde edilir. Beher yavaşça çalkalanırsa hafif sarımsı bir renk oluştuğu gözlemlenir.

Hazırlanan reaktiften her standart çözeltiye 5’er ml eklenir.100 ml saf su bir behere alınarak üzerine reaktiften 5ml eklenir ve bu çözelti kör çözelti olarak adlandırılır. Sonrasında bilinmeyen çözelti hazırlanması için her standart çözeltiden az miktarlarda alınarak bilinmeyen çözelti elde edilir.

Spektrofotometrede dalga boyu 690 nm olarak ayarlanır. Spektrofotometre küveti içerisine kör çözeltiden konularak küvet cihaza yerleştirilir ve cihaz sıfırlanır. Daha sonra tüm standart çözeltilerden küvet çizgisine kadar küvete eklenerek tüm çözeltilerin absorbans miktarları spektrofotometreden okunarak deney sonlandırılır. Okunan absorbans miktarları ve bunlara karşılık gelen konsantrasyon miktarları aşağıdaki tabloda verilmiştir.

5.SONUÇLAR

Tablo 1 : Konsantrasyon-Absorbans Değerleri