Lær om lys, spektre og hvordan flammeprøve, AAS og UV-Vis brukes til å analysere stoffer.
Elektromagnetisk stråling
Lys er en form for elektromagnetisk stråling – energi som forplanter seg som bølger.
Bølgeegenskaper
Elektromagnetiske bølger beskrives ved:
- Bølgelengde (, lambda) – Avstanden mellom to bølgetopper (målt i nm, μm, m)
- Frekvens () – Antall svingninger per sekund (målt i Hz = 1/s)
- Hastighet () – Lysets hastighet i vakuum: m/s
Sammenhengen mellom bølgelengde og frekvens
- Lang bølgelengde → lav frekvens (f.eks. radiobølger)
- Kort bølgelengde → høy frekvens (f.eks. røntgen)
Det elektromagnetiske spekteret
Sortert fra lang til kort bølgelengde:
| Type | Bølgelengde | Anvendelse |
|---|---|---|
| Radiobølger | > 1 m | Radio, TV |
| Mikrobølger | 1 mm - 1 m | Mikrobølgeovn, mobiltelefon |
| Infrarødt | 700 nm - 1 mm | Varmestråling |
| Synlig lys | 400-700 nm | Det vi ser |
| Ultrafiolett (UV) | 10-400 nm | Solbrenthet, sterilisering |
| Røntgen | 0,01-10 nm | Medisinske bilder |
| Gammastråling | < 0,01 nm | Kreftbehandling |
Synlig lys
Farger i synlig spektrum (ca. bølgelengder):
- Fiolett: 400-450 nm
- Blå: 450-495 nm
- Grønn: 495-570 nm
- Gul: 570-590 nm
- Oransje: 590-620 nm
- Rød: 620-700 nm
Grønt lys har bølgelengde nm.
a) Regn om til meter.
b) Beregn frekvensen til det grønne lyset.
a) nm m
b) Vi bruker :
Det grønne lyset har frekvens Hz (ca. 577 billioner svingninger per sekund!).
Beregn frekvens for følgende bølgelengder:
Rødt lys: nm
Blått lys: nm
Hvilket lys har høyest frekvens?
Energi i fotoner
Lys kan også beskrives som partikler kalt fotoner (lys-kvanter).
Plancks relasjon
Energien til et foton er proporsjonalt med frekvensen:
der Js (Plancks konstant).
Kombinert med
Vi kan også skrive:
Viktig:
- Kort bølgelengde → høy energi (f.eks. UV)
- Lang bølgelengde → lav energi (f.eks. infrarødt)
Elektronvolt (eV)
I atomfysikk brukes ofte enheten elektronvolt (eV):
Praktisk formel for synlig lys (i eV·nm):
Et blått foton har bølgelengde nm.
a) Beregn energien i joule.
b) Beregn energien i elektronvolt.
a) Vi bruker :
b) Konverter til eV:
Alternativt bruk direkteformelen:
Blått lys har energi 2,76 eV per foton.
Beregn fotonenergier:
Rødt lys ( nm) – beregn energi i eV
UV-lys ( nm) – beregn energi i eV
Hvilket lys har høyest energi?
Emisjonsspektre
Når atomer eller molekyler eksiteres (tilføres energi), sender de ut lys når de returnerer til lavere energinivå.
Hvordan skapes emisjonsspektre?
1. Tilførsel av energi (varme, elektrisk utladning)
2. Elektroner hopper til høyere energinivå (eksitert tilstand)
3. Elektroner faller tilbake til lavere nivå
4. Overskuddsenergien sendes ut som lys (fotoner)
Energiforskjell og bølgelengde
Energien til det utsendte fotonet:
Linjespektre
Når gass-atomer sender ut lys, får vi linjespekter – bare visse bølgelengder (diskrete linjer).
Eksempel: Hydrogen sender ut:
- Rød linje (656 nm) –
- Blågrønn linje (486 nm) –
- Blå linje (434 nm) –
- Fiolett linje (410 nm) –
Dette kalles Balmer-serien (hopp til ).
Kontinuerlige spektre
Hvis en fast substans oppvarmes (f.eks. glødetråd), sendes det ut et kontinuerlig spektrum med alle bølgelengder.
I hydrogen hopper et elektron fra til .
a) Beregn energiforskjellen (bruk eV).
b) Hva er bølgelengden til det utsendte lyset?
c) Hvilken farge er dette?
a) Energinivåene:
Energiforskjell:
b) Bølgelengde:
c) 656 nm ligger i det røde området av spekteret.
Dette er den røde H-α linjen i Balmer-serien!
Beregn bølgelengder for hydrogens Balmer-serie:
Hopp fra til – beregn og
Hopp fra til – beregn
Hvilket hopp gir det røde lyset (656 nm)?
Absorpsjonsspektre
Når hvitt lys sendes gjennom en gass, absorberes visse bølgelengder.
Hvordan skapes absorpsjonsspektre?
1. Hvitt lys (alle bølgelengder) sendes gjennom gass
2. Atomer absorberer fotoner med nøyaktig riktig energi
3. Elektroner hopper til høyere energinivå
4. Det som kommer gjennom er hvitt lys minus de absorberte bølgelengdene
Absorpsjonslinjespekter
Vi ser mørke linjer på en lys bakgrunn – dette er de absorberte bølgelengdene.
Viktig: Absorbsjonslinjene er på samme bølgelengder som emisjonslinjene for samme stoff!
Anvendelser
- Stjerneanalyse: Ved å studere absorpsjonslinjer i sollys kan vi identifisere grunnstoffer i solens atmosfære
- Kvalitativ analyse: Identifisere ukjente stoffer
- Kvantitativ analyse: Måle konsentrasjoner (se Beer-Lamberts lov)
Når hvitt lys sendes gjennom hydrogengass, observeres mørke linjer ved 656 nm, 486 nm, 434 nm og 410 nm.
a) Hvorfor ser vi mørke linjer?
b) Hva skjer med elektronene i hydrogen når 656 nm lys absorberes?
a) Hydrogengassens atomer absorberer lys med nøyaktig disse bølgelengdene. Fotonenergien matcher energiforskjellene mellom elektronenes energinivåer. Det hvite lyset "mister" disse bølgelengdene, og vi ser mørke linjer.
b) 656 nm tilsvarer eV (se forrige eksempel). Dette er energiforskjellen mellom og i hydrogen.
Når 656 nm lys absorberes:
- Elektronet i absorberer fotonet
- Elektronet hopper til (eksitert tilstand)
Senere faller elektronet tilbake og sender ut 656 nm lys (emisjon).
Spørsmål om emisjon og absorpsjon:
Hva er forskjellen på emisjonsspekter og absorpsjonsspekter?
Hvorfor har hydrogen samme linjer i emisjon og absorpsjon?
Hvordan kan vi identifisere ukjente grunnstoffer i stjerner?
Flammeprøve
Linjespektrene kan brukes til å påvise grunnstoffer (kvalitativ analyse) og til å måle hvor mye av et grunnstoff en prøve inneholder (kvantitativ analyse).
Flammefarger
Når et salt holdes inn i en gassflamme, gir varmen elektronene i metallatomene energi. Elektronene løftes til høyere energinivåer og faller straks tilbake. Energien sendes ut som lys med de bølgelengdene som svarer til sprangene mellom energinivåene i metallet. Mange metaller gir derfor en karakteristisk flammefarge.
| Ion | Flammefarge |
|---|---|
| Li⁺ | karminrød |
| Na⁺ | kraftig gul |
| K⁺ | fiolett |
| Ca²⁺ | oransjerød |
| Sr²⁺ | rød |
| Ba²⁺ | gulgrønn |
| Cu²⁺ | blågrønn |
Natrium sender ut gult lys med bølgelengde 589 nm, litium rødt lys med bølgelengde 671 nm.
Hva flammeprøven ikke kan avgjøre
- Fargen kommer fra metallet. NaCl og NaNO₃ gir samme gule farge, så anionet påvises ikke.
- Li⁺, Sr²⁺ og Ca²⁺ gir alle rødlige flammer som er vanskelige å skille med øyet.
- Selv spor av natrium gir så sterkt gult lys at andre farger dekkes. Et blått koboltglass stopper det gule lyset, slik at for eksempel den fiolette fargen fra kalium blir synlig.
- Noen metaller, for eksempel magnesium, gir ingen tydelig farge. At flammen ikke får farge, betyr ikke at prøven er uten metallioner.
- Flammeprøven sier ikke hvor mye metall prøven inneholder.
Med et spektroskop deles lyset fra flammen opp i linjer. Linjemønsteret er emisjonsspekteret til metallet, og det skiller sikrere mellom metaller med lik flammefarge.
Et ukjent hvitt salt gir kraftig gul flamme. Natrium sender ut lys med bølgelengde 589 nm, og litium sender ut lys med bølgelengde 671 nm.
a) Hvilket metallion inneholder saltet trolig, og hva kan flammeprøven ikke si om saltet?
b) Beregn energien i eV til et foton fra natrium og et foton fra litium.
c) Hvilket av de to metallene har størst sprang mellom energinivåene bak linjen?
a) Kraftig gul flamme kommer fra natrium. Flammeprøven viser ikke anionet og ikke mengden.
Svar: Saltet inneholder trolig Na⁺. Hvilket anion saltet har og hvor mye natrium det inneholder, kan flammeprøven ikke avgjøre.
b)
Svar: 2,11 eV for natrium og 1,85 eV for litium.
c) Fotonenergien er lik spranget mellom energinivåene: .
Svar: Natrium.
Flammeprøve:
Et salt gir gul flamme. Gjennom blått koboltglass ser flammen fiolett ut. Hvilke metallioner inneholder saltet?
Natriumklorid og natriumnitrat gir samme flammefarge. Forklar hvorfor.
Et salt gir rød flamme. Kan du avgjøre hvilket metallion saltet inneholder?
Et magnesiumsalt gir ingen farge i flammen. Betyr det at saltet ikke inneholder metallioner?
UV-Vis spektroskopi
UV-Vis spektroskopi måler absorpsjon av ultrafiolett (UV) og synlig (visible) lys.
Instrumentet: Spektrofotometer
Et spektrofotometer:
1. Sender lys med valgt bølgelengde gjennom en prøve
2. Måler hvor mye lys som absorberes () eller transmitteres ()
Absorbans og transmittans
Transmittans (T):
der er intensiteten til innfallende lys og er intensiteten etter prøven.
Absorbans (A):
Viktig:
- Høy transmittans (mye lys går gjennom) → lav absorbans
- Lav transmittans (lite lys går gjennom) → høy absorbans
Fargestoffanalyse
Hvis et stoff absorberer:
- Blått lys → vi ser gult/oransje (komplementærfarge)
- Rødt lys → vi ser grønt/blågrønt
- Grønt lys → vi ser rødt/fiolett
Regel: Vi ser fargen som ikke absorberes!
En løsning transmitterer 25% av lyset ved 500 nm.
a) Hva er transmittansen (T)?
b) Beregn absorbansen (A).
a) 25% transmittert →
b) Absorbans:
Absorbansen er A = 0,60 (ofte rundet til 2 desimaler).
Beregn absorbans fra transmittans:
Beer-Lamberts lov
Beer-Lamberts lov beskriver sammenhengen mellom absorbans, konsentrasjon og prøvens lengde.
Formelen
der:
- = absorbans (ingen enhet)
- = molær absorpsjonskoeffisient (L/(mol·cm))
- = konsentrasjon (mol/L)
- = celle-lengde/kyvettens lengde (cm)
Hva betyr dette?
- Høyere konsentrasjon () → høyere absorbans (mer partikler absorberer lys)
- Lengre celle () → høyere absorbans (lyset må gjennom mer stoff)
- Høyere → stoffet absorberer mer effektivt
Anvendelser
1. Kvantitativ analyse: Bestemme ukjent konsentrasjon
2. Kvalitetskontroll: Sjekke konsentrasjon i legemidler
3. Miljøanalyse: Måle forurensning i vann
Fremgangsmåte
1. Lag standardløsninger med kjent konsentrasjon
2. Mål absorbansen for hver
3. Lag en kalibrasjonskurve (graf: vs. )
4. Mål absorbans for ukjent prøve
5. Les av konsentrasjonen fra kurven
En løsning av kobbersulfat (CuSO₄) har absorbans ved 600 nm i en 1,0 cm celle.
Den molare absorpsjonskoeffisienten er L/(mol·cm).
Beregn konsentrasjonen av Cu²⁺.
Gitt:
-
- L/(mol·cm)
- cm
Vi bruker Beer-Lamberts lov og løser for :
Konsentrasjonen er 0,038 mol/L (eller 38 mmol/L).
Bruk Beer-Lamberts lov til å beregne:
En løsning med mol/L har L/(mol·cm) og cm. Beregn .
En løsning har , L/(mol·cm) og cm. Beregn .
Hva skjer med absorbansen hvis konsentrasjonen dobles?
Atomabsorpsjon (AAS) og valg av metode
Atomabsorpsjonsspektroskopi (AAS)
I AAS måles hvor mye lys frie atomer av ett bestemt grunnstoff absorberer:
- Prøveløsningen sprayes inn i en flamme, der metallionene blir til frie atomer.
- En lampe som inneholder det samme grunnstoffet, sender lys med nøyaktig de bølgelengdene disse atomene absorberer.
- En detektor måler hvor mye av lyset som slipper gjennom flammen, og instrumentet regner ut absorbansen.
Absorbansen er proporsjonal med konsentrasjonen av grunnstoffet, slik som i Beer-Lamberts lov. Konsentrasjonen bestemmes med en standardkurve (kalibrasjonskurve): absorbansen måles for standardløsninger med kjent konsentrasjon, og prøvens konsentrasjon regnes ut fra regresjonslinja. Prøvens absorbans skal ligge innenfor standardene. Er den høyere enn for den sterkeste standarden, fortynnes prøven med en kjent faktor, og svaret ganges med faktoren.
Lampen sender bare ut bølgelengder som ett grunnstoff absorberer, så andre stoffer i prøven forstyrrer lite. Metoden er svært følsom og brukes for eksempel til å måle bly, kobber og kadmium i drikkevann og jern i matvarer. Den måler ett grunnstoff om gangen.
I atomemisjonsspektroskopi (AES) måles i stedet lyset atomene sender ut i flammen. Det er det samme som skjer i flammeprøven, men lysstyrken måles og gjøres om til en konsentrasjon med en standardkurve.
Hvilken spektroskopisk metode?
| Metode | Hva som skjer | Brukes til |
|---|---|---|
| Flammeprøve | metallatomer i flammen sender ut lys | påvise metaller (kvalitativt) |
| AAS | frie atomer absorberer lys fra en lampe med samme grunnstoff | konsentrasjonen av ett grunnstoff (kvantitativt) |
| UV-Vis | molekyler og ioner i løsning absorberer UV-lys eller synlig lys | konsentrasjonen av stoffer som absorberer lys (kvantitativt) |
| IR | bindinger i molekyler absorberer infrarød stråling og vibrerer kraftigere | hvilke bindinger og funksjonelle grupper et molekyl har (kvalitativt) |
IR-stråling har for lite energi til å løfte elektroner til høyere energinivåer, men nok til å få bindingene til å vibrere. Hver bindingstype absorberer ved sine egne bølgelengder. Et IR-spektrum viser derfor for eksempel om et stoff har O–H-bindinger, som en alkohol, eller en C=O-binding, som et keton.
Et vannverk måler kobber i drikkevann fra gamle kobberrør med AAS. Standardene gir:
| Konsentrasjon Cu (mg/L) | Absorbans |
|---|---|
| 0 | 0,000 |
| 0,50 | 0,046 |
| 1,00 | 0,091 |
| 2,00 | 0,183 |
| 3,00 | 0,272 |
Vannprøven fortynnes ved at 10,0 mL vann fylles opp til 20,0 mL. Den fortynnede prøven har absorbans 0,128. Grenseverdien for kobber i drikkevann er 2,0 mg/L.
a) Finn en likning for standardkurven med lineær regresjon.
b) Beregn kobberkonsentrasjonen i vannet, og sammenlikn med grenseverdien.
a) Lineær regresjon med (mg/L) som førsteakse og som andreakse:
Svar:
b)
Svar: Vannet inneholder 2,8 mg/L kobber. Det er over grenseverdien på 2,0 mg/L.
Velg spektroskopisk metode, og begrunn valget:
Bestemme konsentrasjonen av bly i drikkevann, der innholdet er svært lavt.
Bestemme konsentrasjonen av et blått fargestoff i en sportsdrikk.
Finne ut om en fargeløs væske er en alkohol, som har O–H-bindinger, eller et keton, som har en C=O-binding.
Raskt sjekke om et hvitt pulver inneholder litium eller natrium.
Kalsium i mineralvann måles med AAS. Standardene gir:
| Konsentrasjon Ca (mg/L) | Absorbans |
|---|---|
| 0 | 0,000 |
| 2,0 | 0,061 |
| 4,0 | 0,121 |
| 6,0 | 0,182 |
| 8,0 | 0,241 |
5,0 mL mineralvann fylles opp til 50,0 mL med destillert vann. Den fortynnede prøven har absorbans 0,152.
Finn en likning for standardkurven med lineær regresjon.
Beregn kalsiumkonsentrasjonen i mineralvannet.
Omtrent hvilken absorbans ville det ufortynnede mineralvannet gitt? Forklar hvorfor prøven ble fortynnet.
Hvorfor må lampen i instrumentet inneholde kalsium?
Oppsummering: Spektroskopi
Viktige begreper
Elektromagnetisk stråling:
- Bølgelengde (), frekvens (), hastighet ()
-
- Fotonenergier:
Spektre:
- Emisjonsspekter: Lyse linjer (atomer sender ut lys)
- Absorpsjonsspekter: Mørke linjer (atomer absorberer lys)
- Linjespektra er "fingeravtrykk" for grunnstoffer
Spektroskopi:
- UV-Vis spektroskopi måler absorpsjon av lys
- Absorbans:
- Beer-Lamberts lov:
- Brukes til kvalitativ og kvantitativ analyse
- Flammeprøve: metallioner gir karakteristisk flammefarge (kvalitativt)
- AAS: frie atomer absorberer lys fra en lampe med samme grunnstoff, og konsentrasjonen finnes med standardkurve (kvantitativt)
- IR viser hvilke bindinger et molekyl har
Anvendelser i praksis
- Astronomi: Identifisere grunnstoffer i stjerner
- Kjemi: Bestemme konsentrasjoner
- Medisin: Analysere blodprøver
- Miljø: Måle forurensning
Utfordringsoppgaver:
En løsning absorberer maksimalt ved 520 nm (grønt lys). Hvilken farge ser vi?
To løsninger med mol/L og mol/L har absorbans . Hva er ?
En ukjent løsning har . Standardløsninger viser: mol/L gir , mol/L gir . Hva er konsentrasjonen?
Kalibrasjonskurve-oppgave:
Du har laget 5 standardløsninger med konsentrasjoner 0,01 - 0,02 - 0,03 - 0,04 - 0,05 mol/L. De tilhørende absorbansene er 0,15 - 0,30 - 0,45 - 0,60 - 0,75. Beregn hvis cm.
En ukjent prøve har absorbans 0,54. Hva er konsentrasjonen?
Hva er transmittansen for den ukjente prøven?
Dette kapitlet er skrevet av Anthropics toppmodeller (Claude Opus og Claude Fable) og er foreløpig ikke manuelt gjennomgått — kvalitetskontrollen gjøres av uavhengige KI-agenter, og innmeldte feil rettes fortløpende. Funnet en feil? Meld fra, så retter vi den. Les mer om hvordan innholdet lages.
