Analyse af farvestofblanding ved spektrofotometri og regneark

John Thomas Jacobsen

Indledning

Regnearket E_farver.xls indeholder data og spektre for syv forskellige farvestoffer med E-numre. Ved hjælp af arket kan man identificere to farvestoffer, der indgår i en blanding, og bestemme deres koncentration.

Åbn regnearket E_farver.xls og vælg fanebladet Data.

Man kan se spektrene for de rene farvestoffer og spektret for blandingen ved at vælge fanebladet Rene og ukendt. Ved at sammenligne de rene farvestoffers spektre med blandingens spektrum (kurven markeret med krydser), kan man få en ide om, hvilke farvestoffer blandingen indeholder.

I to af cellerne fra J2 til P2 (svarende til netop de to aktuelle farvestoffer) indtaster brugeren de to farvestoffers formodede koncentrationer. De andre farvestoffers koncentrationer skal fortsat være nul. Regnearket adderer de to farvestoffers absorbanser og viser den resulterende absorbans i kolonne R (overskrift Testblanding). Indtastning af formodede koncentrationer gentages, indtil kurverne Ukendt og Testblanding er sammenfaldende. Så er farvestofferne i blandingen identificeret, og deres koncentrationer i blandingen er bestemt.

a) ikke sammenfald b) sammenfald af Ukendt og testblanding

Teorien bag regnearket

Beregningerne i regnearket bygger på Lambert-Beers Lov:

Hvor

A er absorbansen ved bølgelængde l

[X] er den aktuelle koncentration af stof X

e (X)_l er en stofkonstant, den molare ekstinktionskoefficient, som er afhængig af bølgelængde

l er lysvejens længde gennem opløsningen

Lambert-Beers lov udtrykker proportionalitet mellem absorbans og aktuel koncentration. I regnearket beregnes en opløsnings absorbans A ved et givet farvestofindhold ud fra en målt absorbans A₅ ved "standardindholdet" 5 mg/L.

Indeholder en blanding to farvestoffer, X og Y, kan blandingens absorbans, ved en vilkårlig bølgelængde, udtrykkes som en sum af stoffernes absorbanser ved denne bølgelængde.

A_blanding = A_x + A_Y =

Blandingens absorbans beregnes som en vægtet sum af de enkelte farvestoffers absorbans. Vægtfaktorerne c(X) og c(Y) er blandingens aktuelle indhold (i mg/L) af farvestoffer. I regnearket foregår denne beregning i kolonnerne J til P. Blandingens absorbans summeres i kolonne R og kan umiddelbart sammenlignes med blandingens målte absorbans, som står i kolonne Q.

Ideer til brug af regnearket

Man kan overføre absorbansdata fra en dataopsamling til kolonnen Ukendt. Man skal så være opmærksom på, at målingerne foretages ved de samme bølgelængder som i regnearket. Absorbansmålinger på blanding og rene farvestoffer bør være lavet med det samme spektrofotometer. Regnearket kan bruges til en elevøvelse, hvor eleverne manuelt måler absorbanser af fx en vingummiopløsning. De indtaster deres resultater i Ukendt-kolonnen og bruger regnearket til at bestemme arten og indholdet af farvestoffer i vingummien. Opløsninger kan passende laves med en koncentration på 5 mg/L.

Elektroniske bilag

Regneark i Excel 5.0 format kan hentes fra kemis hjemmeside http://ke.gymfag.dk. Filen E_farver.xls er beskrevet i dette indlæg. Yderligere findes E_farver2.xls og E_farver3.xls, hvor den ukendte blanding indeholder to andre af de mulige farvestoffer. Endelig findes E_farver6.xls, hvor farvestoffernes koncentrationer ikke er pæne runde tal. Regnearksfilerne er ikke beskyttede, og brugere kan frit rette i dem efter behag.

Eksamen

Ved skriftlig studentereksamen har der været stillet opgaver med en problemstilling, der ligner den i regnearket. Den traditionelle løsningsstrategi er opstilling af to ligninger med to ubekendte; ligningerne kan løses, hvis man for eksempel kender de molare ekstinktionskoefficienter for de to absorberende stoffer ved to forskellige bølgelængder. Regnearket illustrerer en mere direkte løsningsstrategi over for den kemiske problemstilling: Hele spektre lægges til grund for besvarelsen, og løsningsmodellen fokuserer på det fundamentale princip, at absorbansen er en additiv størrelse og proportional med indholdet af absorberende stof. Det kan tænkes, at denne forenkling af problemstillingens matematiske aspekter vil være til fordel for eleverne.

Det er meget ønskeligt, at der indhøstes erfaringer omkring anvendelse af nye regnetekniske hjælpemidler ved skriftlig eksamen i kemi. Umiddelbart synes der at være naturlige anvendelser af regneark inden for områder som kemisk ligevægt (herunder syrebase ligevægte), reaktionskinetik og problemstillinger som den forelagte i dette indlæg (store datamængder).

Det er håbet, at dette indlæg kan inspirere til forsøgsansøgninger. En overkommelig forsøgsmodel kunne være, at lade anvendelse af regneark indgå i en del af en de tre opgaver, som traditionelt stilles til eksamen i kemi.

Forsiden | Forrige kapitel