MIKSI ERI AINEET NÄYTTÄVÄT TIETYN VÄRISILTÄ? ELINTARVIKEVÄRIEN NÄKYVÄN AALLONPITUUDEN SPEKTRI

Transkriptio

1 sivu 1/5 MIKSI ERI AINEET NÄYTTÄVÄT TIETYN VÄRISILTÄ? ELINTARVIKEVÄRIEN NÄKYVÄN AALLONPITUUDEN SPEKTRI Kohderyhmä: Kesto: Tavoitteet: Toteutus: Peruskoulu / lukio 15 min. Työn tavoitteena on havainnollistaa miksi erilaiset elintarvikevärit näyttävät tietyn väriseltä. Työn avulla voidaan havainnollistaa myös spektroskopiaan liittyvä käsitteitä (absorbanssi). Työn tavoitteena on myös tutustua spektroskopiaan analyysimenetelmänä. Peruskoulussa työtä voidaan käyttää havainnollistamaan sitä, miksi eri aineet näyttävät tietyn väriseltä. Esimerkiksi punaisessa elintarvikevärin spektrissä nähdään selvästi, että punaisen valon aallonpituuksien absorbanssi on lähes nolla (ks. kuva 2). Lukiossa työtä voidaan laajentaa käsittelemään spektroskopiaan liittyviä käsitteitä. Työtä voidaan käyttää esim. johdantona muihin spektroskopiaatöihin. Lisäksi voidaan havainnollistaa liuoksen pitoisuuden vaikutusta absorbanssiin valmistamalla liuokset, joiden väriaineen pitoisuus on erilainen ja vertaamalla niiden absorbansseja. Työturvallisuus: Värit värjäävät voimakkaasti käsiä, joten hanskoja kannattaa käyttää. TEORIA Spektroskopia on erittäin yleisesti käytetty analyysimenetelmä laboratorioissa, koska se soveltuu monille yhdisteille. Spektroskopian avulla voidaan määrittää nopeasti ja helposti hyvinkin pieniä pitoisuuksia. Useimmat laitteet ovat varsin helposti saatavilla sekä useimmat ovat helppokäyttöisiä. Sähkömagneettinen spektri Sähkömagneettinen säteily on aaltoliikettä, jolla on tietty määrä energiaa. Sähkömagneettinen aaltoliike etenee pitkittäisenä aaltona, jonka värähtely tapahtuu poikittain aallon kulkusuuntaan nähden. Aaltoliikettä kuvataan suureilla aallonpituus (λ), joka tarkoittaa yhtä edestakaista värähdystä sekä taajuus (ν), joka tarkoittaa värähdysten lukumäärää aikayksikössä. Sähkömagneettisen säteilyn aallonpituudella ja taajuudella on seuraavanlainen suhde: c

2 sivu 2/5 missä c on aallon etenemisnopeus eli valonnopeus. Yhtälöstä nähdään, että värähtelyn taajuuden kasvaessa säteilyn aallonpituus pienenee. Sähkömagneettisella säteilyllä on tietty määrä energiaa, joka ei emittoidu tai absorboidu jatkuvana, vaan diskreetteinä energiapaketteina tai kvantteina eli fotoneina. Fotonin energia on hc E h missä h on Planckin vakio. Yhtälöstä voidaan havaita, että säteilyn energia kasvaa, kun sen aallonpituus pienenee tai taajuus kasvaa. Kuvassa 1 on esitettynä sähkömagneettinen spektri. Näkyvän valon alue on vain pieni osa sähkömagneettista spektriä (400 nm 700 nm). Myös eri väreillä on erilainen aallonpituus: violetilla on lyhin ja punaisella pisin aallonpituus. Kuva 1. Sähkömagneettisen säteilyn spektri. Säteilyn absorboituminen Esineet näkyvät värillisinä, koska ne heijastavat tai läpäisevät vain tietyn osan näkyvän valon spektristä. Kun valkoinen valo osuu esimerkiksi liuokseen, osa säteilystä absorboituu liuokseen ja osa heijastuu ja osa kulkeutuu liuoksen läpi. Esimerkiksi, jos valotamme sinistä liuosta valkoisella valolla, liuoksessa olevat molekyylit absorboivat punaista väriä mutta eivät sinistä valoa (ks. taulukko 1 ja kuva 2). Näemme tällöin nk. komplementtivärin.

3 sivu 3/5 Taulukko 1. valon absorptio ja eri aallonpituuksilla havaittu väri Aallonpituusalue (nm) Absorboituva väri Havaittu väri Violetti Kellanvihreä Sininen Keltainen Vihreänsininen Oranssi Sinivihreä Punainen Vihreä Purppuran punainen Kellanvihreä Violetti Keltainen Sininen Oranssi Vihreän sininen Punainen Sinivihreä Kuva 2. Elintarvikeväriliuosten spektrit. Liuosten värit vasemmalta oikealle: vihreä, punainen, sininen. Näkyvällä aallonpituusalueella molekyyli tai ioni absorboi säteilyä silloin, kun säteily aiheuttaa energiasiirtymiä sen rakenteessa. Tämä tarkoittaa sitä, että säteilyn vaikutuksesta molekyylin elekt-

4 sivu 4/5 ronit voivat siirtyä korkeammille energiatiloille. Molekyylillä mahdollisia elektronien viritystiloja on suuri määrä, joten spektrissä ei nähdä yksittäisiä piikkejä, vaan spektri ns. leviää. Elektronisten viritystilojen elinaika on hyvin lyhyt ja molekyylit palaavat nopeasti perustilalleen. Viritystilan purkautuminen ei kuitenkaan tapahdu fotonin emittoitumisena, vaan muiden prosessien kautta lämpönä (joka on kuitenkin niin pieni, että sitä ei voida käytännössä havaita). Mikäli viritystila purkautuisi emittoituvana fotonina, kohde näyttäisi värittömältä eikä värilliseltä. Elektronisiirtymät ovat mahdollisia, jos molekyylissä on tietyntyyppisiä sidoksia tai funktionaalisia ryhmiä. Tällaisia ryhmiä kutsutaan kromoforeiksi, jotka siis aiheuttavat yhdisteiden värillisyyden. Spektroskopiset menetelmät perustuvat juuri tällaisten yhdisteiden kykyyn absorboida sähkömagneettista säteilyä. Yhdistettä analysoitaessa aallonpituus valitaan sellaiseksi, että sillä yhdisteen absorbanssi on mahdollisimman suuri. Absorbanssin (A) suuruus riippuu yhdisteen pitoisuudesta liuoksessa Beerin lain mukaisesti: A bc missä ε on nk. molaarinen absorptiokerroin (joka riippuu aallonpituudesta ja yhdisteestä), b on valon kulkema matka kyvetissä ja c on yhdisteen pitoisuus. Yhdisteen absorbanssi on siis suoraan verrannollinen yhdisteen pitoisuuteen. Kun siis pidetään kyvetin valotie ja molaarinen absorptiokerroin vakioina, yhdisteen konsentraatio voidaan määrittää mittaamalla sen absorbanssi ja vertaamalla sitä tunnettujen pitoisuuksien absorbanssiarvoihin. VÄLINEET Vernier Spektrometri, USB-kaapeli, tietokone johon on asennettu Logger Pro tai LoggerLite, kyvetti, pasteurpipettejä, 100 ml:n mittapulloja sekä jäteastia näytteille (esim. 250 ml:n keitinlasi). TUTKITTAVAT NÄYTTEET Liuota 1 tippa tutkittavaa elintarvikeväriä 100 ml:aan ionivaihdettua vettä. Liuosten tulee olla laimeita. TYÖN SUORITUS Spektrometrin kalibrointi Kyvettejä on käsiteltävä varoen, että niihin ei tule naarmuja. Tarkista ennen mittausta, että: - kyvetti on puhdas ja ulkopinta on kuiva. Kyvetin voi kuivata varovasti pehmeällä, nukkaamattomalla pyyhkeellä. - kyvetin valotiessä ei ole sormenjälkiä. Käsittele kyvettiä vain sen yläosasta ja karhealta puolelta. - kyvetissä ei ole ilmakuplia.

5 sivu 5/5 1. Kytke spektrometri USB-kaapelilla tietokoneeseen ja käynnistä Logger Pro tai Logger Lite. Valitse File ja New. 2. Aloita kalibrointi valitsemalla Experiment valikosta Calibrate ja Spectrometer: 1. Näytölle ilmestyy teksti: Waiting 60 seconds for lamp to warm up. Kun lämmitys on valmis, ohjelmisto pyytää asettamaan kyvetin telineeseen: Place a blank cuvette in the device. 3. Täytä kyvetti n. ¾ sen tilavuudesta ionivaihdetulla vedellä ja aseta se spektrometrin kyvettitelineeseen. Kyvetti asetetaan siten, että tasaiset pinnat ovat valonlähteen edessä. 4. Lopeta kalibrointi valitsemalla OK. Spektrin mittaus 1. Huuhtele kyvetti pari kertaa näyteliuoksella ja täytä kyvetti n. ¾ sen tilavuudesta näytteellä ja aseta se spektrometrin kyvettitelineeseen. Kyvetti asetetaan siten, että tasaiset pinnat ovat valonlähteen edessä. 2. Aloita spektrin mittaaminen painamalla:. Lopeta mittaus painamalla. Tallenna spektri valitsemalla Store latest run Experiment valikosta. Toista mittaus muilla näytteillä. TULOSTEN KÄSITTELY 1. Tutki elintarvikevärien spektrejä. Millä aallonpituudella (väri) absorbanssi on suurin? Entä pienin? 2. Absorboiko punainen liuos punaisen valonaallonpituusalueella? Perustele vastauksesi LÄHTEET Christian G.D. (1994). Analytical Chemistry. New York: John Wiley & Sons. Kalliorinne K., Kankaanpää A., Kivinen A. & Liukkonen S. (1988). Fysikaalinen kemia 1: kvanttikemia ja spektroskopia. Helsinki: Kirjayhtymä Riekkola M-L. & Hyötyläinen T. (2000). Kolonnikromatografia ja kapillaarielektronimigraatiotekniikat. Helsinki: Yliopistopaino Vernier Software & Technology. (2011). Visible Spectra of Commercial Dyes. (luettu ) Kuva 1: Taulukot.com (luettu )