SRO: Spektrofotometri af Brilliant Blue og Quinoline Yellow

Side 1

STX 2.g

Spektrofotometri

Bestemmelse af farvestof koncentrationer I ukendte opløsninger.

[navn fjernet], 2u

3/12-2010

SRO opgave i fysik og kemi, skoleåret 2010/2011

Side 2

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

2

Formål ................................................................................................................................................................ 3 Symboler............................................................................................................................................................ 3 Indledning ......................................................................................................................................................... 3 Teori .................................................................................................................................................................... 4 Fremgangsmåde ............................................................................................................................................. 6 Databehandling ............................................................................................................................................... 8 Konklusion ........................................................................................................................................................ 9 Bilag ................................................................................................................................................................... 10

Side 3

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

3

Formål

Formålet for denne opgave er:

At undersøge flere forskellige sodavander for deres indhold af farvestof, baseret på målinger af deres absorption af lys ved hjælp af Beer’s lov,

At forklare teorien bag disse målinger og love,

At konkludere på metoden som middel til at bestemme koncentration af farvestof i en opløsning.

Symboler

λ: Bølgelængde af lyset; måles her i nanometer (1nm=10^{-9} cm), angives ved tegnet

lambda.

I: intensitet (af lyset).

x, d: afstand, her cuvettetykkelse (1,0 cm).

d: differentiel tilvækst.

c: molær koncentration.

ε λ: ekstinktions-koefficienten ved bølgelængden, λ. Enheden for ε er ofte M^{-1} *cm^{-1}.

A: absorbans; er enhedsløs.

Indledning

Vores forsøg er baseret på måling af tre forskellige sportsdrikke, to der indeholder det gule farvestof Quinolingult, også kaldet E104. Dette farvestof har den molekylære formel C 18 H 9 NNa 2 O 7 S 2 (se fig. 1).

Vores sidste test fortages på en drik der indeholder farvestoffet Brilliant Blue som har E-nummeret E133. Molekyleformelen for dette stof er C 37 H 34 N 2 Na 2 O 9 S 3 (se fig. 2).

Vi vil måle på disse drikkevares koncentration af farvestof, ved hjælp af opløsninger bestående af destilleret vand og en kendt mængde farvestof.

Fig. 1 Quinolongult, molekylets stregformel.

Fig. 2 Brilliant Blue, stregformel

Side 4

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

4

Teori

Lys som vi ser det, er faktisk en blanding af mange bølgelængder, og for det lys vi kan se med det blotte øje, er det den elektromagnetiske stråling der ligger imellem ca. 380nm og 760 nm, hvor violette og blå farver ligger omkring de 400nm og rød ligger omkring

700nm. Der findes meget elektromagnetisk stråling som vist på fig. 3

Fig. 3 elektromagnetisk bølgelængder. (http://en.wikipedia.org/wiki/File:EM_spectrum.svg)

Forsøget vi udfører, er baseret Lambert-Beer’s lov.

Der vil under vores målinger blive absorberet noget lys af vore opløsningsmiddel (rent H 2 O) hvilket vi skal tage hensyn til, og derfor skal vi kalibrere vores system til at nul absorption er det vi har i vores rene opløsningsmiddel.

Fig. 4 lysets passage gennem opløsningsmiddel (venstre) og opløsning med farvestof (højre) Absorbansen udregnes ved følgende formel:

𝐴=log

𝐼_{0}

𝐼

I 0 er vores basis på 100 % lysintensitet, og hvis 90 % af lyset bliver absorberet vil I være lig med 10 %. Når vi sætter dette ind i formlen vil vi få:

𝐴=log =log10=1

100 %

10 %

Her får vi at A er lig med 1. Dette gælder dog kun ved den testede bølgelængde, i det at vi ifølge skemaet over komplementærfarver, kan se hvilken farve et stof har, baseret på de lys det absorbere. Hvis vi kan læse er der er en høj absorptions værdi for bølgelængderne omkring 440nm, kan vi i fig. 3 se at 440nm svarer til mørkeblå, og når vi så kigger på fig. 5 kan vi se at vores stof vil antage en gullig farve.

Når man måler på absorptionen, skal dette ske ved den bølgelængde med den højeste absorptions værdi, grundet at det er her vores stof vil være under mindst indflydelse af andre stoffer. Hvis vi forestiller os at vi har en opløsning med to stoffer, hvor det ene stof, x, optager lys med en bølgelængde på 540nm og det andet stof, y, optager lys ved en bølgelængde på 550 nm. Hvis vi vil måle på koncentrationen af x i vores opløsning, men i stedet for at måle A ved 540 nm, kommer til at måle det ved 545 nm, vil stoffet y have en indvirkning på vores resultat, og give en ”falsk” måling. Derfor skal vi måle ved den bølgelængde vor A antager den højeste værdi, for at formindske fejlkilder, og for at få den rette (c,A) graf.

Derefter kan vi starte vores målinger, og vi ved fra Lamber-Beer’s lov, at sammenhængen ser således ud:

𝐴_{𝜆} =𝜀_{𝜆} ∙ 𝑐∙ 𝑥

Her er λ en specifik bølgelængde, og man skal teste ved den bølgelængde, hvor A er Fig. 5 Diagram over komplimentærfarver.

Side 5

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

5 højest, som nævnt oven for. Vi kan ud fra dette lave opløsninger med et bestemt farvestof i, og kendte koncentrationer, og ved hjælp af dette får vi en ret linje. Dette kan vi allerede nu se, i det at vi har A λ so er vores afhængige variabel, vi har ε λ som er vores ene konstant og x, hvilket er tykkelsen af væskelaget som også bliver holdt konstant, og til sidst c, hvilket er vores uafhængige variable. På anden vis kan dette også skrives:

𝐴_{𝜆} =𝜀_{𝜆} ∙ 𝑥∙ 𝑐
𝑦=𝑎∙ 𝑥

I den sidste formel vil de to konstanter ε λ og x (i den øverste) udgøre det for a, og c vil være variablen x (i den nederste). Ud fra dette kan vi også forudsige, at vi vil få en ret linje der vil gå igennem punktet (0,0), i det at der ikke er en sidste konstant der bliver adderet til vore formel, normalt kendt som b. Vores konstant ε λ er det vi kalder for ekstinktions-koefficienten, og denne beskriver lys absorptionens størrelse ved en given bølgelængde af lyset, λ.

For at kunne udregne koncentrationen af vores stof, skal vi opveje det (finde massen), og vi skal også kende den molære masse, M. Her gælder:

For Quinolingult, ser det således ud:

𝑀_{𝐸104} =18∙ 12,01 + 9 ∙ 1,01 + 14,01 + 2 ∙ 22,99 + 7 ∙ 16,00 + 2

𝑔 𝑔 𝑔 𝑔 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

∙ 32,07 =461,4

𝑔 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

For Brilliant Blue ser det således ud: C 37 H 34 N 2 Na 2 O 9 S 3

𝑀_{𝐸133} =37∙ 12,01 + 34 ∙ 1,01 + 2 ∙ 14,0 1 + 2 ∙ 22,99 + 9 ∙ 16,00

𝑔 𝑔 𝑔 𝑔 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

+ 3 ∙ 32,07 =792,9

𝑔 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

Endvidere, for at omregne vores opløsninger, som oprindeligt blev lavet ud fra

masse/volumen koncentration, kan vi regne os frem til hvad molariteten (mol/L) af

vores opløsning vil være. For at undgå forvirring vil tegnet jeg bruger for molaritet være c, og molaremasse er M. Vi ved fra starten at definitionen på masse-koncentration er:

𝐶_{𝑚} =

𝑚

𝑉

Dette kan omskrives så vi får den ukendte, m, isoleret

𝑚=𝐶 ∙ 𝑉

𝑚

Derudover ved vi at det vi vil have fat i er mol/L, altså n/V, og vi ved at n kan skrives

𝑛=

𝑚

𝑀 her kan vi nu indsætte hvad vi kender fra m

𝑛=

𝐶_{𝑚} ∙ 𝑉

𝑀

Side 6

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

6

Vi kan nu sætte dette ind i stedet for n, og herved får vi så

𝐶_{𝑚} = = =

𝐶_{𝑚} ∙ 𝑉

𝑀

𝑉 𝑀 ∙𝑉 𝑀

𝐶_{𝑚} ∙ 𝑉 𝐶_{𝑚}

Derudover, ved vi også at vores C m er angivet i mg/L, og ikke g/L som vi skal bruge, til

dette skal vi blot dividere C m med 1000

𝑐= =

𝐶_{𝑚}

1000

𝑀 1000∙ 𝑀

𝐶_{𝑚}

Fremgangsmåde

1. Vi lavede opløsninger med vores farvestoffer, Brilliant Blue (E133) og

Quinolingult (E104), baseret på en stamopløsning, som vi derefter fortyndet ned i andre målekolber, således at vi fik nogle forskellige og målbare opløsninger.

I denne første tabel har vi opmålingerne for E104.

Faktisk koncentration F Faktisk c Absorption (A ø r s t e

Et eksempel på denne udregning er, for 5,0 mg/L

𝐶_{𝑚} = =0,000010473

5,0 𝑚𝑔

𝐿

1000∙ 461,4 𝑔 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝐿

I vores anden opløsning har vi E133, hvor molariteten er udregnet på samme

måde som oven for, blot med 792,9 g/mol værdien, som gælder for Brilliant Blue.

(mg/L) (mol/L)

λ)

0,0 0,0 0

5,0 0,0000108 0,47757

10, | 0,0000217 | 0,1488
20, | 0,0000433 | 0,5556
40, | 0,0000867 | 0,9944

50, 0,000108 1,573

Faktisk koncentration Faktisk c Absorption (A λ)

(mg/L) (mol/L)

0,0000 0 0

0,135 1,70*10^{-7} 0,22238
0,338 4,26*10^{-7} 0,133
0,675 8,51*10^{-7} 0,1516

Side 7

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

7

2. Herefter fortager vi målinger på vores opløsninger, hvorved vi kigger på

absorptionsværdierne ved forskellige bølgelængder (se bilag 1+3). Her fra

observerede vi at værdien for A var højest ved:

2,70 3,41*10^{-6} 0,9244

Side 8

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

8

E104:

Vi kan se i skemaet til højre, at absorbans værdien er højest ved

λ=417,14 nm. Dette betyder at vi i 413,76 1,651

næste del skal måle ved denne bølgelængde. (Målingen blev dog på grund af aflæsningsfejl og komplikationer i softwaret, sat til

413,76 nm i stedet)

For E133:

Vi kan i dette skema, til højre, se at værdien for Absorbansen er højest ved 623,52 0,7661

626,48 nm. Dette betyder at vi i næste del skal måle ved denne bølgelængde.

(Målingen blev dog på grund af aflæsningsfejl og komplikationer i softwaret, sat til 632,4 nm i stedet)

3. Herefter indskrev vi i et koordinatsystem, absorbans

(ved udvalgte bølgelængde) som en funktion af koncentration. Dette blev gjort hvor koncentrationen blev

målt i mg/L. Graferne for

dette, er vedlagt som bilag

2+4. Dette blev gjort i det

indbyggede program i

LoggerPro brugt sammen med en ”SpectroVIS” enhed.

Databehandling

Her vil jeg bestemme ε værdien for henholdsvis, E104 og E133.

Vi ved på forhånd at x, eller d, antager værdien 1,0cm, i det at det er cuvettetykkelsen.

Jeg har her valgt at bruge koncentrationsværdierne fra vores ukendte opløsning på grafen, i det at denne vil ligge lige på vores rette linje, og derfor vil være mere præcis i forhold til vores måling som en helhed. (værdierne aflæses i boksen ”interpolation

calculater” i bilag 2+4)

λ (nm) | absorbans
410,38 | 1,212
417,14 | 1,962
420,52 | 1,979
423,9 | 1,855

λ (nm) | absorbans
620,56 | 0,4262
626,48 | 0,5704
629,44 | 0,735
632,4 | 0,7421

Side 9

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

9

𝜀_{𝐸104} = =0,000111

1,0𝑐𝑚 ∙ ()

37,9 𝑚𝑔

𝐿

1000 ∙ 461,4 𝑔 𝑚𝑜𝑙

0,7401 1 𝑐𝑚∙ 𝑚𝑜𝑙

𝜀_{𝐸133} = =0,000003786

1,0𝑐𝑚∙ ()

2,15014 𝑚𝑔

𝐿

1000∙ 792,9 𝑔 𝑚𝑜𝑙

0,7163 1 𝑐𝑚∙ 𝑚𝑜𝑙

Ens for disse to tal, er at de giver udtryk for det samme. ε værdien giver en ide om hvor stor en stofmængde der skal til for at absorbere en bestemt mængde lys, ved en bestemt tykkelse af stof der skal passeres igennem. Her i vores tilfælde kan vi se, at værdien ε E133 er betydeligt mindre end ε

E103

, hvilket betyder at der skal en mindre stofmængde til absorbere den samme mængde lys når lyset f.eks. skal passere igennem vores 1,0 cm tykke cuvette. Med andre ord, er Brilliant Blue, E133, det kraftigste af vores to målte farvestoffer.

Konklusion

Jeg vil mene at vi ud fra vores forsøg, klart kan konkludere at dette er en yderst brugbar metode, dog kun ved relativt ”svage” opløsninger. Dette er grundet i, at vi havde en

sidste opløsning af Brilliant Blue, med koncentrationen 5,40 mg/L, men da denne blev

testet i spektrofotometeret, gav det en absorptions værdi der afveg betydeligt fra resten af målingerne. Ud fra dette mener vi at kunne sige at dette var en kraftig fejlkilde, i det at det blå farvestof optog så meget af lyset i komplimenter til den blå farve (rød), at lysreceptoren i vore måleapparat ikke kunne måle ordentligt på denne prøve. Det skal siges at dette gav en A værdi der var højere end to, hvilket når vi kigger på formlen

𝐴=log

𝐼_{0}

𝐼 betyder at 99 % af lyset blev absorberet af opløsningen. Dette er sikkert et problem der kan løses hvis man har udstyr af højere kvalitet, så som målere i 50.000 – 100.000 kr.

lejet.

Side 10

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

10

Bilag

Bilag 1

Quinolingult E104

Absorption som funktion af bølgelængde

Side 11

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

11

Koncentration | Absorption (413,8 λ)

(mg/L)

0 | 0
5 | 0,47757
10 | 0,1488
20 | 0,5556
40 | 0,9944
50 | 1,573

Bilag 2

Quinolingult E104

Absorption som funktion af

koncentration (mg/L)

Side 12

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

12

Bilag 3

Brilliant Blue E133

Absorption som funktion af bølgelængde

Side 13

[navn fjernet] 2u - SRO 3/12-2010

13

Koncentration | Absorption (632,4

(mg/L) λ)

0 | 0
0,135 | 0,22238
0,3375 | 0,133
0,675 | 0,1516
2,7 | 0,9244

Bilag 4

Brilliant Blue E133

Absorption som funktion af koncentration (mg/L)