Principes van spectrofotometrie

Spectrofotometrie is een techniek die gebruikt wordt om de kleursterkte te bepalen bij proeven met een kleuromslag princiepe. In dit artikel wordden de basis principes van de spectrofotometrie uitgelegd.

Licht

Reeds eeuwen is de mensheid bezig om te achterhalen wat licht is. Meerdere theorieën dateren al uit de zeventiende eeuw. De onderzoeken richtten zich uitsluitend op het deel van het licht dat door het oog waargenomen kon worden. Infrarood licht bijvoorbeeld was volslagen onbekend. De onderzoekers hielden zich zoals gebruikelijk bezig met de verklaring van geconstateerde eigenschappen. Huygens ontwikkelde de golftheorie die een verklaring gaf voor verschijnselen als terugkaatsing, breking en interferen¬tie. Newton verwierp deze theorie en ontwikkelde de deeltjestheorie. Hiermee was hij in staat om verschijnselen zoals dubbele breking te verklaren.

Pas aan het eind van de negentiende eeuw kwam er een grote doorbraak. Maxwell formuleerde de wetten van het elektromagnetisme. Hiermee verenigde hij de theorieën over licht, elektriciteit en magnetisme. Het resultaat is dat eigenlijk niet meer wordt gesproken over licht, maar over elektromagnetische straling (EMS). Elektromagneti¬sche straling kan voorgesteld worden als een golf met een elektrische component (E), en daar loodrecht op een magnetische component (H). De deeltjestheorie gaat er van uit dat licht bestaat uit pakketjes energie. Deze pakket¬jes energie worden ook wel fotonen genoemd. Maar als licht in de ene theorie energie ‘bezit’, dan zal dat ook vanuit de andere theorie (het golfmodel) het geval moeten zijn. Gelukkig is dat ook zo, zodat in zijn algemeenheid gezegd kan worden dat licht, of beter, elektromagnetische straling een vorm van energie is.

Lichtabsorptie

Materie kan licht, of beter elektromagnetische straling, absorberen. Als gerealiseerd wordt dat licht niets anders is dan een pakketje energie, dan wordt het duidelijk dat bij de absorptie van licht sprake is van afgifte van die bepaalde hoeveelheid energie aan de materie. Dit betekent dat de materie deze energie op de één of andere manier moet opnemen. Dat klinkt heel ingewikkeld, maar dat is het niet. Ga maar na, materie is eenvoudig van opbouw. Als materie op de meest eenvoudige manier voorgesteld wordt, namelijk opgebouwd uit atomen, dan gaat het om een kern met daarom heen een wolk van elektronen. Moleculen zijn opgebouwd uit atomen die met elkaar verbonden zijn door middel van bindende elektronenparen. Wat kan er nu zoal met een molecuul gebeuren indien er energie geabsorbeerd wordt?

Ten eerste kunnen de banen van de elektronen om de kern veranderen. De verdeling van de elektronen om een kern is niet willekeurig, maar gaat in keurig gerangschikte banen, ook wel de schillen genaamd. Dit is het Bohr-model van een atoom. Een elektron dat nu energie van een foton erbij krijgt gaat naar een hogere baan. Zo'n atoom wordt een aangeslagen deeltje (een deeltje met verhoogde energie) genoemd. Gaat het elektron naar het dichtstbijzijnde hogere energieniveau dan wordt over de eerste aangeslagen toestand gesproken. Deze energie wordt ook wel de elektronenenergie genoemd, aangeduid met Eelektron.

Ten tweede kan de energie uit fotonen gebruikt worden om de trilling van bindingen in een molecuul te veranderen. Bindingen tussen elementen van een molecuul zijn niet star, maar trillen voortdurend. Door energie toe te voegen kan deze trilling versterkt worden. Deze energie wordt aangeduid met Evibratie. De vibratie-energieniveaus liggen veel dichter bij elkaar dan de elektronenenergieniveaus. Indien er geen bindingen zijn, is het ook niet mogelijk om veranderingen in de trilling van een binding aan te brengen. Elementen hebben geen bindingen, en dus ook geen vibratie-energie.

Ten derde kan de energie gebruikt worden om het molecuul sneller rond te laten draaien. Aangezien geen enkel molecuul stilstaat, is er altijd sprake van rotatie-energie. De aanduiding hiervoor is Erotatie. De rotatie-energieniveaus liggen veel dichter bij elkaar dan de vibratie-energieniveaus. De rotatie-energie is te veranderen met behulp van energie uit fotonen. Het is van belang dat bij de rotatie van een molecuul het zwaartepunt van plaats verandert. Is dat niet het geval, zoals bij de elementen, dan is er geen sprake van een energie-verandering bij het sneller of langzamer roteren, en dus zal er geen rotatie-energie opgenomen of afgegeven worden.

Een bijzondere eigenschap van de elektronen-, vibratie- en rotatie-energie is dat de veranderingen in deze energie niet alle waarden kunnen aannemen. Veranderingen vinden alleen plaats met vaste energiewaarden. De elektronen-, vibratie- en rotatie-energieën zijn gekwantificeerd!

Transmissie en extinctie

Als een lichtbundel (monochromatisch licht oftewel licht van één golflengte) op een vaatje met een oplossing valt, dan zal een deel van het licht doorgelaten worden en een ander deel wordt geabsorbeerd. De transmissie, de doorlaatbaarheid, is een maat voor de concentratie van de stof in de oplossing.

Als er geen licht wordt geabsorbeerd dan is I=I0. De transmissie T is dan 1, in procen¬ten dus 100%. Wordt al het licht geabsorbeerd, dan geldt dat I=0, en dus is de trans¬missie 0, in procenten 0%. De hoeveelheid licht die wordt doorgelaten, of anders, de hoeveelheid die geabsorbeerd wordt, is afhankelijk van drie factoren:

• de mogelijkheid van de stof om licht van een bepaalde golflengte te absorberen.
• de afstand die het licht door de oplossing aflegt.
• de concentratie van de opgeloste stof.