رنگسنجی: نوری برای دیدن نامرئیها
رنگ از کجا میآید؟ نور، ماده و درک ما
همهی ما میدانیم که وقتی نور سفید (مانند نور خورشید) از یک منشور عبور میکند، به رنگهای رنگینکمان تجزیه میشود. این طیف رنگها، طیف نور مرئی نام دارد. هر رنگ، طول موج3 خاصی دارد. حالا وقتی این نور سفید به یک مادهی رنگی، مثلاً محلول سولفات مس (آبی رنگ) برخورد میکند، مادهی داخل محلول بخشی از نور (مثلاً نور قرمز) را جذب میکند و بخش دیگر (نور آبی) را عبور میدهد یا بازتاب میکند. چشم ما رنگ آبی را میبیند، در واقع رنگی که جذب نشده است.
قانون طلایی: رابطهی غلظت و جذب نور
حال سوال اصلی اینجاست: اگر غلظت محلول سولفات مس بیشتر شود، چه اتفاقی برای رنگ آن میافتد؟ مسلماً رنگ آبی تیرهتر میشود. یعنی نور بیشتری جذب میشود. این رابطهی کمّی بین غلظت و مقدار نور جذبشده، توسط قانونی به نام قانون بیر-لامبرت بیان میشود.
این قانون میگوید: میزان نور جذبشده توسط یک محلول رنگی، با غلظت مادهی رنگزا و ضخامت ظرف حاوی محلول (مسیر نوری) رابطهی مستقیم دارد. به زبان سادهتر: هرچه محلول غلیظتر یا ظرف پهنتر باشد، نور کمتری از آن عبور میکند.
این رابطه به صورت یک فرمول ریاضی بیان میشود:
در این فرمول:
- A = جذب4 یا مقدار نوری که جذب شده است (بدون واحد).
- $\varepsilon$ = ضریب جذب مولی5 (ثابت برای هر ماده در طول موج خاص).
- b = ضخامت سل یا مسیر نوری (معمولاً بر حسب سانتیمتر).
- c = غلظت محلول (بر حسب مول بر لیتر).
وسایل کار: از چشم تا دستگاه
برای اندازهگیری دقیق جذب نور، نمیتوان فقط به قضاوت چشمی اعتماد کرد. زیرا تشخیص تفاوت بین دو رنگ مشابه برای چشم انسان خطاپذیر است. بنابراین از دستگاهی به نام طیفسنج یا رنگسنج6 استفاده میکنیم. اساس کار این دستگاهها چیست؟
| قطعه | وظیفه | مثال ملموس |
|---|---|---|
| منبع نور | تولید نور سفید با طیف کامل | مثل لامپ رشتهای یا الایدی سفید |
| تکفامساز (مونوکروماتور) | جداسازی یک رنگ (طول موج) خاص از نور سفید | مانند کاری که یک منشور انجام میدهد |
| سل یا کووت | ظرف شیشهای یا پلاستیکی شفاف برای قرار دادن محلول نمونه | لیوانهای مخصوص و کاملاً شفاف آزمایشگاه |
| آشکارساز | اندازهگیری شدت نور عبوری از نمونه | مانند سلول نوری در دوربینهای دیجیتال |
| پردازشگر و نمایشگر | محاسبه و نمایش مقدار جذب (A) | صفحه نمایش عددی روی دستگاه |
گامبهگام در آزمایشگاه: چگونه غلظت را پیدا کنیم؟
فرض کنید میخواهیم غلظت مادهی رنگی در یک نوشیدنی ورزشی ناشناخته را پیدا کنیم. مراحل کار به صورت زیر است:
گام ۱: انتخاب طول موج بهینه
ابتدا با استفاده از دستگاه، نورهای مختلف را از داخل نمونه عبور میدهیم. طولموجی که بیشترین جذب (یعنی کمترین عبور نور) را ایجاد کند، بهینه است. چون در آن طولموج، حساسیت اندازهگیری بالاترین است.
گام ۲: تهیهی محلولهای استاندارد
چند محلول با غلظتهای دقیق و معلوم از همان مادهی رنگزا (مثلاً رنگ قرمز نوشیدنی) تهیه میکنیم. اینها محلولهای استاندارد نامیده میشوند.
گام ۳: اندازهگیری جذب و رسم نمودار
جذب هر یک از محلولهای استاندارد را در طولموج بهینه اندازه میگیریم. سپس نتایج را روی یک نمودار میگذاریم: محور افقی غلظتهای معلوم و محور عمودی مقادیر جذب اندازهگیری شده.
گام ۴: رسم خط استاندارد و یافتن غلظت مجهول
نقاط معمولاً روی یک خط راست قرار میگیرند (طبق قانون بیر-لامبرت). این خط، منحنی کالیبراسیون یا خط استاندارد است. حالا جذب محلول ناشناخته (نوشیدنی ورزشی) را اندازه میگیریم. با کمک خط استاندارد، مقدار جذب خواندهشده را به غلظت تبدیل میکنیم.
در کارخانههای تولید آب پرتقال، برای اطمینان از یکنواختی رنگ محصول (که نشاندهندهی غلظت مواد طبیعی است)، از رنگسنجی استفاده میشود. نمونهای از هر batch تولید با استانداردهای از پیش تعیین شده مقایسه میشود. اگر جذب نور نمونه خارج از محدودهی مجاز باشد، ممکن است نشاندهندهی رقیق بودن بیش از حد یا افزودن رنگ غیرمجاز باشد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. شرط اصلی این است که مادهی مورد نظر یا خودش رنگی باشد، یا بتوان آن را با یک واکنش شیمیایی ساده به یک مادهی رنگی تبدیل کرد. برای مثال، یونهای آهن رنگزرد کمرنگ دارند، اما با اضافه کردن یک معرف خاص به رنگ قرمز-نارنجی پررنگ درمیآیند که قابل اندازهگیری است.
۱. کثیف بودن کووت: اثر انگشت یا چربی روی دیوارهی ظرف، مانند یک فیلتر عمل کرده و نور را پراکنده یا جذب میکند و نتیجه را کاملاً غلط میدهد. همیشه کووت را از قسمت صاف آن بگیرید و قبل از استفاده تمیز کنید.
۲. استفاده از محلول شاهد نادرست: قبل از اندازهگیری نمونه، دستگاه باید با استفاده از شاهد7 (معمولاً حلال خالص، مانند آب مقطر) روی صفر تنظیم شود. اگر شاهد به درستی انتخاب نشود، همهی اندازهگیریها خطا خواهند داشت.
رنگسنج معمولاً دستگاه سادهتری است که از فیلترهای رنگی برای انتخاب محدودهای از طولموج استفاده میکند. دقت آن کمتر اما برای بسیاری از کارهای معمول کافی است. طیفسنج دقیقتر است و با استفاده از منشور یا گریتینگ، طولموجهای بسیار مشخصی را انتخاب میکند و حتی میتواند منحنی جذب کامل یک ماده در برابر طولموجهای مختلف را رسم کند (طیف جذبی).
پاورقی
1 رنگسنجی (Colorimetry)
2 قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert Law)
3 طول موج (Wavelength): فاصله بین دو قله متوالی یک موج، معمولاً بر حسب نانومتر اندازهگیری میشود.
4 جذب (Absorbance): معیاری بدون واحد برای مقدار نوری که توسط نمونه جذب شده است.
5 ضریب جذب مولی (Molar Absorptivity): ثابتی که نشان میدهد یک ماده در یک طول موج خاص چقدر نور جذب میکند.
6 رنگسنج (Colorimeter) / طیفسنج (Spectrophotometer)
7 شاهد (Blank): محلولی که همهی اجزای نمونه به جز مادهی مورد تجزیه را دارد و برای تنظیم صفر دستگاه استفاده میشود.
