Zmierzyć kolor
Doświadczenie 1
Przygotuj sześć identycznych szklanek (lub przezroczystych kubków jednorazowych), strzykawkę i dzbanek z podziałką. W dużym naczyniu w 400 ml wody rozpuść szczyptę niebieskiego barwnika spożywczego (roztwór powinien być przejrzysty i błękitny; jeśli wyjdzie ciemnogranatowy i nieprzejrzysty, najlepiej rozcieńczyć go wodą) i odmierz strzykawką do pojemników po 5, 10, 20, 40, 80 i 160 ml roztworu. Szklanki ustaw na białej kartce papieru. Znakomitym pomysłem jest ustawienie ich na kawałku szyby, pod którą zapala się latarkę. W jasno oświetlonym pomieszczeniu porównaj barwę roztworów.
Wyjaśnienie: Patrząc z góry, łatwo jest zauważyć, że barwa roztworu wydaje się tym bardziej intensywna, im grubsza jest warstwa cieczy, którą musi przeniknąć światło. A dokładniej, im dłuższa jest droga (tzw. droga optyczna), jaką musi pokonać światło, tym silniej jest ono pochłaniane. Zależność tę opisał niemiecki matematyk i znawca optyki Johann Heinrich Lambert w 1760 r. Co ciekawe, spadek natężenia światła wraz z długością optyczną nie jest liniowy, lecz geometryczny (dwukrotnie dłuższa droga optyczna to aż czterokrotny spadek natężenia światła).
Doświadczenie 2
Przygotuj sześć identycznych szklanek. W dużym naczyniu w 500 ml wody rozpuść szczyptę niebieskiego barwnika spożywczego, ale tym razem barwa roztworu powinna być intensywnie granatowa. Wykonaj szereg rozcieńczeń – do pięciu szklanek wlej po 50 ml wody, do szóstej 100 ml przygotowanego barwnika. Następnie z szóstej do piątej odlej dokładnie 50 ml roztworu, wymieszaj, potem z piątej przelej 50 ml do czwartej itd. Na równomiernie jasnym tle (np. okna) porównaj zabarwienie roztworów, tym razem patrząc na szklanki z boku, pod światło.
Wyjaśnienie: W 1852 r. August Beer wykazał, że prawo Lamberta można rozszerzyć także w odniesieniu do stężenia substancji (co pokrętnie sugerował także sam Lambert) – im bardziej stężony barwnik, tym intensywniejsza barwa i silniejsze pochłanianie światła. Intuicyjnie, gdy podwyższymy dwukrotnie stężenie barwnika, to światło napotka na swojej drodze dwa razy więcej przeszkód, dokładnie tyle samo jak w przypadku, gdy dwukrotnie wydłużymy jego drogę w oryginalnym roztworze. W postaci opisowej zależności te podał francuski badacz Pierre Bouguer już w 1729 r., ale pełny matematyczny opis jest właśnie dziełem Lamberta i Beera. Gdy zostaną spełnione liczne dodatkowe założenia, można precyzyjnie wyznaczyć stopień pochłaniania światła przez próbkę (tzw. absorbancję) i na tej podstawie określić stężenie dowolnej pochłaniającej światło substancji. Pomiaru dokonuje się w naczyniach pomiarowych, tzw. kuwetach.
Doświadczenie 3
W szklance w 50 ml wody rozpuść pół łyżeczki węglanu amonu (dostępnego w sklepach spożywczych) i oceń barwę roztworu. Dodaj pół łyżeczki chalkantytu (siarczanu miedzi, dostępnego w sklepach z odczynnikami chemicznymi lub w sklepach z minerałami) oraz (zachowując należyte środki ostrożności) kilkanaście granulek NaOH (preparat do udrożniania rur). Zamieszaj roztwór plastikową łyżką i ponownie oceń jego barwę.
Uwaga! NaOH jest substancją żrącą, unikaj kontaktu ze skórą, używaj gumowych rękawiczek!
Wyjaśnienie: Roztwór węglanu amonu jest bezbarwny, co – jak by się mogło wydawać – powinno eliminować zastosowanie metody kolorymetrycznej do oznaczania jego stężenia. Jednak w wyniku reakcji wodorotlenku sodu (NaOH) z siarczanem miedzi dochodzi do wytrącenia wodorotlenku miedzi(II), który reaguje z amoniakiem, tworząc wodorotlenek tetraaminamiedzi(II) o pięknej, bardzo intensywnej szafirowej barwie. Intensywne zabarwienie pojawia się także w reakcji np. jonów żelaza z jonami rodanowymi lub z garbnikami, cukrów po ogrzaniu z wodorotlenkiem miedzi(II) i dodaniu kwasu arsenomolibdenowego, białek z jonami miedzi(II) i kwasem bicinchoninowym albo kofeiny z kwasem fosforomolibdenowym. Wszystkie te reakcje mogą mieć zastosowanie w kolorymetrycznym oznaczaniu stężenia.
dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH
mgr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ
***
Zestaw przyrządów i materiałów
przezroczyste kubki jednorazowe, strzykawka, niebieski barwnik spożywczy, biała kartka papieru, plastikowa łyżeczka, szyba, środek do udrożniania rur (w granulkach), chalkantyt (siarczan miedzi), węglan amonu
Niewliczone w cenę: siedem identycznych szklanek, latarka, duże naczynie z podziałką, gumowe rękawice
Czas przygotowania: 2,5 h
Koszt: 40 zł
***
Wiedza w pigułce
Czasami z pozoru proste obserwacje stają się podstawą wyrafinowanych i powszechnie stosowanych metod badawczych. Nie inaczej jest w przypadku kolorymetrii, czyli oceny stężenia rozpuszczonej substancji na podstawie koloru zabarwionego nią roztworu. To dość intuicyjna obserwacja – im więcej rozpuścimy w wodzie barwnika, tym intensywniejsza będzie barwa roztworu. Dokładny opis teoretyczny tego zjawiska oraz jego ujęcie matematyczne było dziełem aż trzech badaczy żyjących w XVIII i XIX w. (prawo Bouguera-Lamberta-Beera). We Francji blaknięcie niebieskiego barwnika, indygo, wykorzystywano do szacowania zawartości chloru już w 1789 r., a najprawdopodobniej w latach 1825–1827 Anselm Payen i Jaques-Julien Houtou de La Billardière opracowali pierwsze urządzenia porównujące barwę roztworów. Z lat 1845 i 1846 pochodzą natomiast pierwsze udokumentowane przypadki wykorzystania serii roztworów standardowych związków chemicznych o różnym znanym stężeniu (i barwie) jako wzorca do oznaczania zawartości bromu oraz jonów miedzi. W 1853 r. Alex Müller wynalazł pierwszy kolorymetr – urządzenie do precyzyjnego pomiaru barwy roztworu, pozwalającego na dokładne wyliczenie zawartości związków żelaza. Zadziwiająca była czułość tej metody – podobno pozwalała na wykrycie zaledwie 0,0001 g związku żelaza rozpuszczonego w 100 ml wody!
Uznanie biochemików i analityków chemicznych zdobył jednak dopiero zaprezentowany zaledwie 15 lat później bardziej uniwersalny kolorymetr, którego twórcą był francuski wynalazca Louis Jules Duboscq. Nic dziwnego, względnie szybka i tania kolorymetria była i jest podstawą wszelkich analiz laboratoryjnych – m.in. badań medycznych, toksykologicznych, jakości wody, żywności. Kolorymetry stale ulepszano, swój wkład w rozwój tej techniki wniósł także polski wynalazca Jan Szczepanik. Kolorymetria stała się też fundamentem dla innej, dziś rutynowo stosowanej techniki – spektrometrii absorpcyjnej w bliskim ultrafiolecie i świetle widzialnym (UV-VIS), dzięki której można mierzyć nie tyle samą barwę roztworu, ile pochłanianie światła o różnej barwie (długości fali) przez zawarte w roztworze cząsteczki. Wykorzystując pomiary spektrofotometryczne i kolorymetryczne, można łatwo ocenić stężenie związków aktywnych w lekach, toksyn, witamin, cukru czy białek w materiałach związanych z dosłownie wszelkimi dziedzinami naszego życia – od produkcji żywności, przez medycynę, po utylizację odpadów.
***
Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.