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Fotometria di Assorbimento

Il Fotometro ad Assorbimento

Il fotometro ad assorbimento è basato sul fotometro a fotodiodo già descritto nel post : Fotometro basato su PSoC. Per utilizzare il fotometro in misure di assorbimento abbiamo predisposto una cella porta-cuvette con due aperture laterali. In una apertura viene inserito il fotodiodo, collegato al fotometro, nell’altra apertura si inserisce il LED di illuminazione, pilotato a corrente costante a 20mA con il regolatore CL520.
L’immagine sotto mostra la cella, il LED driver ed il fotometro.

Al fine di poter modificare la banda di utilizzo del fotometro abbiamo predisposto dei LED di colore diverso : blu, verde, rosso, giallo, infrarosso. In questo modo abbiamo la possibilità di effettuare facilmente le misurazioni su tutto il range del visibile senza utilizzare filtri oppure spettrometri.

Legge di Lambert-Beer con il Permanganato di Potassio

In ottica la legge di Lambert-Beer, è una relazione empirica che correla la quantità di luce assorbita da un mezzo, alla natura chimica, alla concentrazione ed allo spessore del mezzo attraversato.

Quando un fascio di luce (monocromatica) di intensità I0 attraversa uno strato di spessore l di un mezzo, una parte di esso viene assorbita dal mezzo stesso e una parte ne viene trasmessa con intensità residua I. Viene definita la trasmittanza (T) come il rapporto I/I0 e come assorbanza (A) l’opposto del logaritmo della trasmittanza A = log(1/T).
Il rapporto tra le intensità della luce trasmessa e incidente sul mezzo attraversato è espresso dalla seguente relazione :

dove kλ è il coefficiente di attenuazione (che è una costante tipica del mezzo attraversato e dipende dalla lunghezza d’onda λ) ed l è lo spessore di soluzione attraversata. La legge si può esprimere anche con la relazione :

che per una soluzione viene ulteriormente modificata in

dove ελ è detto coefficiente di assorbimento molare, M è la molarità della soluzione e l è il cammino geometrico. Il valore di ελ è considerato costante per una data sostanza ad una data lunghezza d’onda, benché possa subire lievi variazioni con la temperatura. Inoltre, la sua costanza è garantita solo all’interno di un dato intervallo di concentrazioni, al di sopra delle quali la linearità tra assorbanza e concentrazione può essere inficiata da fenomeni chimico-fisici (ad esempio la precipitazione della specie chimica colorata).
La misura dell’assorbanza di soluzioni chimiche a lunghezze d’onda tipiche è il principio su cui si basa l’analisi per spettrofotometria.

Con il nostro fotometro ad assorbimento abbiamo verificato la legge di Lambert-Beer utilizzando soluzioni diluite di permanganato di potassio. Come noto questo sale da luogo a soluzioni in acqua di un caratteristico colore che, a seconda, della concentrazione, va dal rosa al viola scuro. Per queste prove abbiamo utilizzato un LED di colore rosso, come si vede nella immagine sotto.

Abbiamo preparato quattro soluzioni acquose di permanganato di potassio, scogliendo 0,1g di sostanza in 100ml di acqua (corrispondente ad una concentrazione 0,0063M) e diluendo successivamente in modo da ottenere concentrazioni dimezzate ad ogni successiva diluizione. L’immagine sotto mostra le provette con le quattro soluzioni : la più concentrata a destra, la meno concentrata a sinistra, l’ultima provetta a sinistra contiene acqua pura.

Con i dati delle cinque misurazioni (quattro soluzioni più la provetta con acqua pura) abbiamo calcolato la assorbanza per ognuna delle soluzioni ed abbiamo disegnato il grafico sotto che mette in relazione la assorbanza con la concentrazione. Si vede come i punti caratterizzano una relazione lineare ed individuano con buona approssimazione una retta di regressione la cui pendenza permette di determinare il coefficiente di assorbimento del permanganato di potassio.

Reazione Tiosolfato Sodico e Acido Cloridrico

Il fotometro ci viene in aiuto anche nello studio della cinetica della reazioni chimiche. La cinetica chimica è un campo di studio e ricerca vasto e interessante. Grazie allo studio della cinetica della reazioni si riescono ad ottenere molte informazioni sulla interazione fisica che avviene tra le molecole dei reagenti.
Con il fotometro abbiamo studiato la reazione che avviene tra il tiosolfato di sodio e l’acido cloridrico :

Na2S2O3 + 2HCl → S + SO2 + 2NaCl + H2O
Questa reazione  genera differenti prodotti: anidride solforosa, cloruro di sodio, acqua, ma soprattutto lo zolfo colloidale. Quest’ultimo sarà la chiave dell’esperienza poichè rendendo torbida la soluzione fungerà da indicatore della reazione. L’immagine sotto mostra i reagenti utilizzati.

E’ stata preparata una soluzione di tiosolfato sodico di concentrazione 1M ed è stata fatta reagire con una soluzione di acido cloridrico a concentrazione 2M. La provetta viene posta nel fotometro ed illuminata con LED a luce blu. I risultati della misurazione vengono inviati con interfaccia seriale ad un Raspberry PI e registrati su file. I dati vengono registrati con una frequenza di 100Hz. I grafici sotto mostrano l’andamento della intensità della luce misurata dal sensore e l’andamento dell’assorbanza.

Nella prima parte vi è una certa variabilità del segnale, che corrisponde alla fase del mescolamento dei reagenti, subito dopo, la trasmittanza comicia a calare, per avvicinarsi allo zero nel giro di 2 secondi circa.
L’andamento della assorbanza è simile ma invertito, all’inizio vale zero, per poi aumentare seguendo un andamento lineare nella parte centrale della reazione. Nella parte finale della reazione l’andamento si stabilizza perchè la miscela è diventata pressocchè opaca. I momenti iniziali della reazione risentono della fase di mescolamento dei reagenti, mentre nella parte finale si esce dalla zona di linearità.
Nella parte centrale della reazione vale la legge di Lambert-Beer per cui la assorbanza è proporzionale alla concentrazione del prodotto di reazione : lo zolfo colloidale : valutando l’andamento della assorbanza possiamo quindi avere informazioni dirette sulla concentrazione di zolfo e quindi sulla reazione stessa.

La stessa misurazione è stata fatta per concentrazione di tiosolfato sodico di 0,5M e 0,25M. I grafici sotto riportati presentano l’andamento nel tempo della assorbanza per le tre diverse concentrazioni. Nel secondo grafico vengono messe a confronto solo le parti lineari delle curve, insieme alle rispettive rette di regressione lineare.

Bromotimolo Blu come indicatore di pH

Il blu di bromotimolo è un composto organico utilizzato come indicatore di pH. Si presenta in soluzione concentrata di etanolo come un liquido di colore verde-blu. Nella sua forma normale (acida) è di colore giallo, mentre la sua base coniugata è blu; per questa differenza di colore tra le due forme il blu di bromotimolo è usato come indicatore di pH. Ha un intervallo di viraggio compreso tra pH 6,0 e pH 7,6.

La forma protonata, cioè con pH acido, di blu di bromotimolo ha il picco di assorbimento a 427 nm, trasmette quindi luce gialla in soluzioni acide e la forma deprotonata, cioè con pH basico, ha il picco di assorbimento a 602 nm, trasmettendo così la luce blu in soluzioni più basiche. 

Per studiare il viraggio del colore che si manifesta al cambiamento del pH possiamo utilizzare il nostro fotometro, equipaggiato con il LED giallo. Partiamo da una soluzione neutra, quindi di colore blu, e aggiungiamo dell’acido cloridrico in modo da abbassare il pH, il colore cambia da blu a giallo e conseguentemente aumenta la trasmittanza della soluzione alle lunghezze d’onda della luce gialla.

L’immagine sotto mostra i reagenti utilizzati.

Nel grafico seguente rappresentiamo l’andamento della intensità luminosa (trasmittanza) misurata dal sensore durante la reazione che porta al viraggio del colore.

La misura con il fotometro mostra un veloce (dell’ordine di 0,1s) cambiamento della trasmittanza che si assesta su valori corrispondenti al pH finale della soluzione. La calibrazione dello strumento permetterebbe una misura accurata del pH della soluzione.

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