FIZIKAI KÉMIA

1. FIZIKAI KÉMIA Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA

2. AZ ANYAGOK OPTIKAI TULAJDONSÁGAI

3. Az elemzések optikai módszerei A fénytörésen, fény elforgatásán alapuló módszerek Refraktometria, polarometria Abszorpciós modszerek Az elektromágneses hullám és a kivizsgálandó anyag interakciója során növekszik a vizsgálandó anyag energiája. Emissziós módszerek Az elektromágneses hullám és a kivizsgálandó anyag interakciója során csökkena vizsgálandó anyag energiája.

4. A fény természete • A fény természete régóta foglalkoztatja az emberiséget. Elsőként Newtonnak sikerült pontosabb megállapításokat tenni a fény lényegéről. Üvegprizmával fehér fényt különálló fénykomponensekre bontott, és megállapította, hogy az különböző színű sugarak keveréke. Sir Isaac Newton (1642-1727)

5. A fény olyan elektromágneses rezgés, amelynek elektromos és mágneses vektora egymásra és a fény haladásának irányára is merőlegesen rezeg.

6. Két szomszédos azonos ütemben rezgő pont közötti távolság a hullámhossz λ. • A hullámhossz mellett a fény másik két fontos tulajdonsága a rezgésszám (frekvencia) és a terjedési sebesség c. • A rezgésszám az egy másodperc alatt végbemenő rezgések számát fejezi ki. • Mértékegysége a hertz (Hz). • Ha egy rezgés történik egy másodperc alatt, akkor a frekvencia 1 Hz.

7. A fény terjedési sebessége c, a hullámhossz λ, és a rezgésszám  közötti összefüggés: Vákuumban a fény terjedési sebessége mindig: C = 2,997  108 m/s Megközelítőleg 300000 km/s

8. Planck1900-ban matematikai összefüggést talált a fény (elektromágneses sugárzás) frekvenciája és energiája között. Max Planck (18581947) Ez a törvényszerűség akkor érvényes, ha a sugárzás egyes részecskéit fotonjaitvizsgáljuk. h – arányossági tényező a Planck-féle állandó vagy Planck-féle hatáskvantum h=6,6210-34 Js

9. Egy adott frekvencián kisugárzott energia E=henergiaadagokból (fénykvantumokból) áll. • ha legkisebb energiaadag. Ha a Planck-féle egyenletbe a frekvencia helyett a c/λ hányadost írjuk, a következő egyenletet kapjuk:

10. A foton tömege • Az Einstein- és a Planck-egyenlet összevonásával kifejezhetjük a foton tömegét:

11. A fény törése és a törésmutató fogalma • Ha a fénysugár nem merőlegesen érkezik egy új közeg határfelületére, a közegbe behatolva haladási iránya megváltozik, és a beesési pontban a felületre bocsátott merőlegessel, a beesési merőlegessel, szöget bezárva folytatja útját. • Az irányváltozásnak az az oka, hogy a két közegben különböző a fény terjedési sebessége (c1 és c2).

12. Amennyiben az I. közeg törésmutatója kisebb, mint a II. közegé, a fény a beesési merőleges felé törik meg, és fordítva.

13. Az abszolút törésmutató Valamelyközegabszolúttörésmutatója (n) a fényvákuumbanvalóterjedésisebességének (c) és a vizsgáltközegbenvalóterjedésisebességének (c1) hányadosa.

14. Optikailag sűrűbbnek nevezzük azt a közeget, amelynek az abszolút törésmutatója nagyobb.

15. A relatív törésmutató A fény terjedési sebességének hányadosa két szomszédos közegben pl. levegőben és vízben.

16. A moláris refrakció • Az anyag móltömegének (M) és sűrűségének (ρ) ismeretében a moláris refrakció (Rm) a következő képlettel számítható ki:

17. A fénytörés törvénye • A fénytörés törvényét Snellius-Descartesféle törvénynek nevezzük. A beesési szögszinuszának és a I. közeg törésmutatójának szorzata egyenlő a törési szögszinuszának és a II. közeg törésmutatójának szorzatával.

18. A teljes visszaverődés (totális reflexió) • Ha a fény optikailag sűrűbb közegből halad a ritkább felé, a törési szög a beesési szögnél nagyobb érték lesz. • Ha a beesési szöget növeljük, elérhetünk egy olyan beesési szög értéket (αH határszög), amelyhez 90o-os törési szög tartozik, azaz a fény már nem lép be az új közegbe, hanem a határfelületen halad tovább.

20. Refraktometria

21. A refraktometria fogalma A refraktometriaa mennyiségi elemzések egyik optikai módszere, amely a fénytörésen alapszik. • Az oldatok törésmutatója függ a koncentrációtól. • A koncentráció növekedésével az oldat törésmutatója is növekszik. A mérésre szolgáló készüléket refraktométernek nevezzük, amely segítségével meghatározható a kivizsgálandó anyag (általában oldat vagy más folyadék) törésmutatója.

22. A refraktométer elvi felépítése A vizsgálandó oldatot két prizma közé helyezik, majd a prizmákat egy fényforrás és egy tükör segítségével megvilágítják. A prizmákon és az oldaton áthaladt fény egy távcsövön keresztül vizsgálható.

23. A prizmákon és az oldaton áthaladó fény két határfelületen törik meg, ezek közül számunkra az anyag (oldat) és a második prizma közti határfelület a fontos.

24. Mivel a prizma törésmutatója nagyobb mint az oldaté, a beeső fény a beesési merőlegeshez törik. • Ha a prizmatestet forgatjuk, akkor végül is egy olyan állást találunk, amelyben a fénysugár egy része teljesen visszaverődik. • Azt a szöget, amellyel a fénysugár érintőlegesen még éppen visszaverődik, a teljes reflexió határszögének(H) nevezzük.

25. A Snellius-Descartes törvényt felhasználva és behelyettesítve a megfelelő szögértékeket (90° és H), valamint a 2. prizma törésmutatójának (n2) ismeretében, kiszámíthatjuk a vizsgált anyag törésmutatóját (n1).

26. n n1 • Az oldatok koncentrációját a törésmutató mérése alapján úgy állapítjuk meg, hogy először különböző ismert koncentrációjú oldatok törésmutatóját mérjük, majd az így kapott értékeket grafikusan feltüntetjük abszcisszának választva a koncentrációt, ordinátának a leolvasott törésmutatót. • Az ismeretlen oldat koncentrációját a grafikonból olvassuk ki. w1 koncentráció [%]

27. A refraktometria alkalmazási területei • Átlátszó folyadékok (présnedvek, oldatok) szárazanyag-tartalmának vizsgálatára használják (sörgyártás, cukorgyártás, stb.). • Orvosi alkalmazásokban főleg a vérszérum és más testnedvek fehérjetartalmának gyors meghatározása.

28. Polarimetria

29. A polarimetria a mennyiségi elemzések optikai módszere, amelynek során lineárisan polarizált fényt vezetnek át egy optikailag aktív közegen, és mérik a fény polarizációs síkjának elfordulási szögét.

30. Polarizált fény előállítható megfelelő szögben csiszolt mészpátkristállyal, amelyet kettévágnak, majd a vágási felületeknél kanadabalzsammal összeragasztanak (Nicol-prizma)

31. A prizmára eső természetes fény a törőfelületen kettősen megtörik: • a rendes sugár a kanadabalzsamon teljes visszaverődést szenved és oldalra eltérül, • a rendellenes sugár, amely már polarizált, kilép a kristályból.

32. Az optikai aktivitás fogalma • Ha az anyag molekulái aszimmetrikusak, két, egymással tükörszimmetrikus, különböző szerkezeti formában léteznek, akkor az ilyen anyagok elfordítják a síkban polarizált fényt, amikor az áthalad rajtuk.

33. A fajlagos forgatóképesség fogalma • Az oldott anyagok forgatóképességét a fajlagos forgatóképességgel jellemzik. Ez azt a szöget jelenti, amellyel a síkban polarizált λhullámhosszúságú fény polarizációs síkja elfordul, ha az t°C hőmérsékleten a kérdéses anyag oldatának 1 m vastag rétegén áthalad, és az oldat 1 m3 térfogatban 1 kg oldott anyagot tartalmaz.

34. α –a polarizásiós sík elforgatásának szöge fokban, l– az oldat rétegvastagsága dm-ben, c– a koncentráció [g/100 cm3] egységben. A fajlagos forgatóképességet a nátrium D-vonalára (λ= 589,3 nm) szokták vonatkoztatni.

36. Ha ismerjük a fajlagos forgatóképességet, és polariméterrelmegmérjük az oldat forgatását (a), akkor kiszámíthatjuk az oldat koncentrációját (c).

37. A polariméter felépítése Na – nátriumlámpa L1 és L2 – lencserendszer P – polarizátor A – analizátor SP – segédprizmák M – mintatartó küvetta Nicol-prizma

41. Az optikailag aktív anyagon áthaladó fény polarizációs síkja a minta anyagi minőségétől és koncentrációjától függően elfordul. • A mintán átjutott fény útjában egy második analizátornak (A) nevezett Nicol-prizma van, amely a fényút tengely körül elforgatható. • Az analizátor megfelelő szögben történő elforgatásával a poláros fény átjutása megakadályozható, és ez az elforgatási szög adja meg a minta forgatóképességét. • A polariméterek tartalmaznak egy az analizátorhoz rögzített szögmérőt, amelyről az elforgatás szöge mindjárt leolvasható.

42. A polariméterrel való mérés úgy történik, hogy először tiszta oldószert töltünk a mintatartóba, és az analizátort úgy állítjuk be, hogy a látótér egyenletes megvilágítású legyen, és leolvassuk az analizátor helyzetét a skálán. Ez lesz a mérés nullapontja. • Ezután a mintatartóba a vizsgálandó oldatot töltjük, s az előbbihez hasonlóan ismét beállítjuk az egyenlő megvilágítást, a skáláról ismét leolvassuk az analizátor helyzetét. • A két leolvasás különbsége adja meg az elforgatás szögét. • Ha az óramutató járásával egyező irányban kellett elforgatni az analizátort, akkor jobbra forgató, ellenkező esetben balra forgató a vizsgált anyag.

44. Kolorimetria

45. A legrégebbi fényelnyelésen alapuló analitikai módszer. • Nem igényel monokromatikus fényt. • A színes mintát polikromatikus fénnyel világítjuk meg a koloriméterben. • Megkülönbözetünk: • vizuális és • fotoelektromos módszert .

46. A fényelnyelés • Ismert intenzitású fényt (I0) a vizsgálandó mintán átengedve annak egy része elnyelődik (abszorpció), másik része a mintán áthalad (transzmisszió), esetleg egy része visszaverődik (reflexió). • Erősség (intenzitás) alatt a fényforrás fénykibocsátó-képességének mértékét értjük akár általánosan, akár egy megadott irányban. Mértékegysége: kandela [cd].

47. Az elnyelt, átengedett és visszavert fény részaránya a vizsgált minta tulajdonságaitól függ.

48. A transzmittancia és az abszorbancia fogalma • A fényelnyelést a transzmittanciával (T) szokás jellemezni, amely a minta fényáteresztő képességére utaló mértékegység nélküli szám. • Az átengedett valamint a beeső fény intenzitásának hányadosaként fejezzük ki: Ha a minta az összes ráeső fényt elnyeli a transzmittancia értéke 0 vagy 0%, ha viszont egyáltalán nem nyel el fényt, akkor 1 vagy 100%.

49. Az abszorbancia (A) a transzmittancia reciprok értékének tízes alapú logaritmusa:

50. A Lambert-Beer törvény • A fényelnyelés mennyiségi analitikai alkalmazása a Lambert-Beer törvényen alapszik. A mintába belépő fénysugár intenzitása I0 arányos az oldat koncentrációjával (c),rétegvastagságával (l), és függ az anyagi minőségtől.