Undervisningsopplegg

Passer for

  • kjemi 2

Kolorimeter av Lego med LED som lyskilde og detektor

Bygg et enkelt kolorimeter som kan brukes til å vise prinsippene bak spektroskopi og å bestemme konsentrasjonen i en ukjent løsning.

Kolorimeteret skal se slik ut når det er ferdig. Kolorimeteret skal se slik ut når det er ferdig. Lys (dvs. elektromagnetisk stråling) vekselvirker med stoff, og ulike bølgelengder av lyset gjør dette på forskjellige vis. I spektrofotometri benytter vi oss av dette fenomenet til å gjøre målinger. Dette kalles spektroskopi og instrumentene som brukes kalles spektrofotometre. Instrumentene er nesten alltid kostbare. I tillegg er de lukkede ("svarte bokser") og dermed ikke-intuitive.

Kolorimetri er en del av spektroskopien, der man bare bruker en liten del av det elektromagnetiske spekteret, nemlig det synlige lyset. I kolorimetri skinner man lys gjennom en farget løsning, og måler hvor mye lys som kommer ut på den andre siden (transmitteres). Dette kan fortelle noe om konsentrasjonen av løsningen lyset passerer igjennom. Vi sier at det lyset som passerer gjennom den fargede løsningen blir transmittert og den andelen av lyset som ikke passerer igjennom blir absorbert. Hvor mye, eller lite, lys som absorberes er avhengig av forbindelsen (molekylene, kompleksene, ionene) lyset går igjennom.

Kolorimetri er en intuitiv og enkel måte å lære om de grunnleggende prinsippene innen spektroskopi. I tillegg er det ikke en utdatert metode, men brukes i en rekke analyser også i dag.

I dette forsøket bruker vi lysdioder (LED = light emitting diode) som både lyskilde og detektor. LED varer lenge og sender ut lys over et lite bølgelengdeområde, typisk rundt 20-30 nm rundt toppverdi. Fordi LEDene utstråler lys over et så smalt bølgelengdeområde kan de brukes i et kolorimeter. Egentlig skulle lyskilden avgi lys ved kun én bestemt bølgelengde.

En LED lyser når strøm sendes igjennom den. Det å bruke en LED som detektor er nok overraskende for mange, men det har vært kjent i flere tiår for de innvidde (kjernefysikere?). En LED vil danne en spenning hvis den utsettes for lys med samme eller lavere bølgelengde enn det lyset den sender ut. Her bruker vi en rød LED som detektor fordi den er følsom for alle farger i det synlige spektret. Spenningen vil øke lineært med økende lysstyrke (over et visst område), og dette danner grunnlaget for å bruke den som detektor.

 

Læreplan i kjemi - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Kjemi 2
    • Analyse
      • utføre analyser med kolorimetri og tolke enkle massespektre og 1H-NMR-spektre
Forsøk og praktisk arbeid

Standardkurve (kalibreringskurve)

Beer-Lamberts lov oppsummerer sammenhengen mellom lysmengde som blir absorbert i en løsning og konsentrasjonen av lysabsorberende molekyler og veilengden gjennom løsningen. Den matematiske sammenhengen er som følger:

A = Ɛbc (1)
Der A er absorbans (uten enhet), Ɛ er molar absorbitet (M-1cm-1), b er avstand lyset går gjennom løsningen (cm) og c er konsentrasjon (M).

Beer-Lamberts lov har flere begrensninger og avvik. Disse kan inntreffe i følgende tilfeller (Harris, C.D. (2013), Exploring Chemical Analysis, 5.utg. s.394):

  • For høye konsentrasjoner av analytt (forbindelsen vi analyserer).
  • Analytten inngår i konsentrasjonsavhengig kjemisk likevekt
  • Ikke monokromatisk lys eller innstråling fra andre lyskilder
  • Bruk av bølgelengder utenfor absorbsjonsmaksimum
  • Temperaturendringer

For å unngå avvik fra Beer-Lamberts lov må standardkurven (kalibreringskurven) lages under kontrollerte betingelser. Det betyr at kalibreringskurven blir laget med ett sett løsninger med ulike konsentrasjoner innenfor det konsentrasjonsintervall som forventes å arbeide med i undersøkelsen. I følge ligningen er det en proporsjonal sammenheng mellom absorbans og konsentrasjon, ergo forventes en lineær plott fra standardløsningene.

Forsøk og praktisk arbeid

Forberedelse: Tillaging av løsninger

Standardløsninger

For å kunne lage en standardkurve over absorbans må man gjøre målinger på flere løsninger med kjente konsentrasjoner. Disse løsningene må lages på forhånd. Her gir vi eksempel på tre typer løsninger som kan brukes i dette forsøket og hva som er egnet som stokkløsninger:

  1. Konditorfarger (forbindelsene er harmløse)
  2. Kobberløsninger i konsentrasjonsområdet 0–1,0 M (fargene som oppnås er reproduserbare)
  3. Salisylsyreløsninger tilsatt treverdige jernioner (dannelse av fargete komplekser er vanlig ved bruk av kolorimetri, i tillegg er forbindelsene harmløse).

1. Konditorfarge: Grønn konditorfarge

Bruk fortinnsvis rød diode som lyskilde til disse løsningene.

Stokkløsning av grønn konditorfarge (IDUN, Mors hjemmebakte, ikke pastatype):
2mL konditorfarge fortynnes til 100 mL (dvs 2 % løsning).

Fra stokkløsningen lages fortynninger. Mengdeforholdene angitt i tabellen nedenfor gir en grei kurve. Standardløsningene bør lages i målekolber, men om slike ikke er tilgjengelig kan det gjøres litt grovere. Husk å riste stokkløsningen før du tar ut fra den.

Merk! Disse konsentrasjonen av Idun Grønn konditorfarge fungerte godt med den røde LEDen som er brukt i dette forsøket. Men det er ikke sikkert at IDUNs grønne konditorfarge har akkurat samme konsentrasjon hver gang eller det brukes akkurat samme type LED. Ved bruk av blå konditorfarge fra IDUN var "riktig" konsentrasjon for stokkløsningen 2 mL blåfarge i 500 mL vann (0,4 % løsning) for den røde LEDen som ble brukt. Dette betyr at du må sjekke om laveste og høyeste konsentrasjonen av standardløsningene gir meningsfulle transmittans/absorbans-verdier, dvs. når du lager stokkløsningen må noe lys transmitteres (ikke alt absorberes).

I tabellen under er det forslag til hvilke volum av stokkløsning som kan fortynnes til 100 mL (eller hvordan forskjellige volum av stokkløsning og løsemiddel – her vann – kan adderes). Her har vi antatt at når ett volum av stokkløsning adderes til ett annet volum av vann, så er sluttvolumet summen av de to volumene.

Prøve Blind 1 2 3 4 5
# mL stokk 0 10 25 50 75 100
# mL vann rent vann 90 75 50 25 0
Konsentrasjon (mL konditorfarge/mL vann) 0 0,002 0,005 0,01 0,015 0,020
Konsentrasjon (%) 0 0,2 0,5 1 1,5 2

2. Kobberløsninger

Bruk fortinnsvis rød diode som lyskilde til disse løsningene.

Stokkløsning av Cu2+ -løsning som er (ca.) 1,0 M.
For eksempel løs 25 g Cu(SO4)2 x 5H2O i litt vann og deretter fortynn til 100 mL.
Cu(NO3)2 kan også brukes.

Fra stokkløsningen lages fortynninger. For eksempel: 0,80; 0,60; 0,40; 0,20; 0,10 og 0,05 M.

Hvis kobberløsninger brukes, må det tas hensyn til HMS regler.

3. Salisylsyreløsning (og Fe3+-løsning)

Bruk fortinnsvis grønn diode som lyskilde til disse løsningene.

Stokkløsning av salisylsyre (0,1 mg/mL): Løs 0,1 g salisylsyre i litt etanol/vann (1:1) og fortynn til 1 L.

Fra stokkløsningen av salisylsyre lages fortynninger. Dette kan gjøres direkte i kyvettene (av elevene selv) som angitt i tabellen under, eller lages på forhånd av læreren.

Jern-nitratløsning: Løs 4,0 g Fe(NO3)3 x 9H2O i litt vann og fortynn til 100 mL. Denne løsningen skal ikke fortynnes videre.

Prøve Blind 1 2 3 4 5 6
# mL stokkløsning salisylsyre (0,1 mg/mL) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
# mL etanol/vannløsning 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
Kons. salisylsyre (mg/mL)             0,1

 

Tilsett 8 dråper Fe(NO3)3 løsning i hver av kyvettene. Bland inn ved å "pumpe med en pipette".
NB! Ikke bruk samme pipette i de forskjellige løsningene, da forurenses standardene.

Løsning med «ukjent konsentrasjon»

Det må lages en løsningen med ukjent konsentrasjon. Denne løsningen bør/skal ha en konsentrasjon innen området for standardløsningene. En løsning av f.eks. 4 deler stokkløsning (grønn konditorfarge) og 6 deler vann vil være passe. Tilsvarende må gjøres med Cu2+-løsningen eller salisylsyreløsningen om disse brukes.

Forsøk og praktisk arbeid

Bygg kolorimeteret

 

Under er anvisninger med kommentarer. Les disse før du setter i gang!

1. Lyskilden:

Trykk en rød LED så godt du kan i hullet på en “Brick 2x1 med hull”. Hjørnet av en annen Lego-brikke kan brukes som verktøy til dette. Putt en “Brick 2x1 med hull” oppå en rød “Brick 2x2”.

Kommentarer:

  1. Bruk en annen farge på LEDen om du ønsker en lyskilde i et annet bølgelengdeområdet.
  2. Det er viktig at LEDen ikke kan bevege seg i hullet, når ledningen kobles til, ellers vil lyset som treffer detektoren kunne variere. Lyskilden blir stabil om du bruker kraft for å trykke LEDen inn i hullet.
  3. Når LEDen er skjøvet på plass i hullet er det vanskelig å få den ut igjen uten å ødelegge den.
  4. Skyv inn LEDen med beina horisontale og i samme posisjon for alle diodene, for eksempel det lange beinet alltid til høyre. Dette vil forenkle koblingen av ledningene senere.
  5. Hvis du bruker LEDer med forskjellig farger, sett dem på en sokkel (“Brick 2x2”) med samsvarende farge, eller bruke en "Brick 2x1 med hull" med tilsvarende farge.

2. Detektoren:

Trykk en rød LED inn i en “Brick 2x1 with hole” og sett den på en rød “Brick 2x2”.

Kommentar: Følg kommentarene 2 til 4 i forrige punkt "1. Lyskilden" om hvordan lyskilden blir satt sammen.

3. Kyvetteholderne:

Bruk en kniv eller baufil til å kutte av toppen på en grå “Brick 2x2”. Dette er ikke en presisjonsøvelse. Omkring 6 mm høye vegger er ideelt for å holde kyvetten stabilt på plass.

Kommentar: Pass på at du ikke skjærer deg. Hold f.eks. LEGO-brikken med en knipetang.

4. Sett det hele sammen:

Kobl sammen kolorimeteret som vist i figurene, med voltmeteret på detektorsiden og batteriet på lyskildesiden. Sjekk om kolorimetret trenger å bli dekket med plast (for å unngå strølys). Dette gjøres ved å måle voltstyrken når LEDen ikke er tilkoblet med plastdekke over og uten plastdekke over. Hvis det er liten forskjell mellom disse målingene er det unødvendig å dekke til kolorimetret. Vår erfaring er at om vinteren i Norge er det unødvendig å dekke til.

Målingen med strølyset (dvs. fra lyset i rommet når lysdioden ikke er tilkoblet) bør være mindre enn 10 % av den laveste målingen (dvs. gjennom den mest konsentrerte løsningen).

Materialer og utstyr

  • 2x Brick 2x1 med hull (“Brick 2x1 with hole“ grey: Element ID: 4211440)
  • 2x Brick 2x2 (red: Element ID: 300321)
  • 2x Brick 2x2 (grey: Element ID: 4211385)
  • 1x Plate 6x16 (grey: Element ID: 4211733)
  • 2x røde LED (Light Emitting Diodes) (ID: 826-442) med (lmax = 635 nm)
  • 1 grønn LED (ID: L5-G71N-GT) med (lmax = 525 nm), eller lignende (valgfri)
  • 56 Ohm resistor (om 3V batteri brukes)
  • 2x 1.5V batterier
  • Batteri- holder
  • Ledninger med krokodilleklemmer i endene
  • Kyvetter 10x10 mm (min 10 stk.)
  • Voltmeter/multimeter med indre motstand min. 10 MOhm (De billigste hos f.eks Biltema har en indre motstand på bare 1 MOhm. Biltema's multimeter, Art 15-123, virker for eksemepl bra).

LEGO brikker kan kjøpes via shop.lego.com . Derfra må du finne de individuelle brikkene ved å lete gjennom fanen til venstre.

Dioder kan kjøpes f.eks. via RS components.

Forsøk og praktisk arbeid

Gjennomfør målingene

Lag standardkurve

Lag først en standardkurve for stoffets absorbans. Til dette trengs minst 5–6 standardløsninger, dvs. løsninger med kjente konsentrasjoner.

Fyll kyvettene med standardløsningene, i tillegg til en kyvette med vann (løsemidlet). Plasser én kyvette i kyvetteholderen mellom detektor og lyskilde. (Dekk eventuelt til med svart plast.) Les av voltstyrken fra detektoren og noter verdien i en tabell (f.eks. den under). Gjenta med de andre konsentrasjonene. Beregn deretter transmittans, dvs. hvor mye lys som kommer gjennom løsningen sammenlignet med gjennom vann.

Transmittans for en løsning er gitt ved følgende ligning:  

T = Pløsning / P0(vannreferanse)Uløsning / U0(vannreferanse)

Her er P lysintensiteten. Vi kan erstatte lysintensiteten, P, med den målte spenningen, U, siden vi antar at den målte spenningen er proporsjonal med lysintensiteten.

Beregn deretter absorbans (fra transmittansmålingene) ved hjelp av følgende ligning:

A = log(P0/P) = -log(U0/U) = -log T                                                         

Lag en kurve av absorbans som funksjon av konsentrasjon. Bruk x-aksen til konsentrasjon og y-aksen til absorbans. Merk av måleverdiene for hånd eller med et dataprogram (f.eks. Excel). Disse punktene skal ligge på en tilnærmet rett linje. (Hvis du bruker Excel, la programmet trekke linjen gjennom punktene og angi ligningen som beskriver den.) Dette er standardkurven.

 

Prøve Rent
løsemiddel
 1  2  3  4  5 Stokkløsning
Konsentrasjon              
U, Spenning (V)              
T, Transmittans              
A, Absorbans              

 

Finn konsentrasjon av en ukjent løsning

Overfør en løsning med ukjent konsentrasjon til en kyvette. Plasser kyvetteen i kolorimeteret.
NB! Det må være samme forbindelse (men med en annen konsentrasjon) som den brukt til standardkurven. Et nytt stoff vil ha en annen absorbans, og trenger dermed en egen standardkurve.

Mål transmittans, beregn absorbans og les av på standardkurven konsentrasjonen i den ukjente løsningen. (Eventuelt bruk Excel til å finne den.)

Undersøk forskjellen på absorbans når vandringsvei gjennom løsningen dobles

Til å undersøke absorbans som funksjon av veilengden lyset går gjennom løsningen, må det lages to kyvetteholdere (i stedet for én, se grafisk bruksanvisning). Plasserer disse mellom lyskilden og detektoren. Deretter gjør du målingene på nytt, med både én og to kyvetter med samme løsning.

For løsningen(e) med høyest konsentrasjon vil det kunne komme for lite lys gjennom for å gjøre gode målinger. Hvorfor det?

Legg for eksempel til kurven for absorbans med 2 kyvetter i samme graf som den med 1 kyvette. Da vil du se at absorbans (ca.) dobles når veilengden lyset må gå gjennom dobles.

 

Prøve 1 2 3 4 5 Stokkløsning
Konsentrasjon            
Spenning (V), 1 kyvette            
Transmitans, 1 kyvette            
Absorbans, 1 kyvette            
Spenning (V), 2 kyvetter           Gjøres ikke
Transmitans, 2 kyvetter           Gjøres ikke
Absorbans, 2 kyvetter           Gjøres ikke