Anwendungshinweis | ABSOR.B™
MESSUNG CHEMISCHER REAKTIONSRATEN MITTELS ABSORBANZ
von Dimitria Camasão und CEP Noemie Deloire,
Anwendung Wissenschaftler, Rheolution Inc.
Zusammenfassung
- Chemische Reaktionen, an denen farbige Reaktanten oder Produkte beteiligt sind, lassen sich anhand der zeitlichen Veränderungen ihrer Absorptionsfähigkeit bei bestimmten Wellenlängen analysieren.
- Mit ABSOR.B™ wurde die Absorptionskinetik einer Mischung aus blauem Lebensmittelfarbstoff und Bleichmittel präzise gemessen.
- Die Geschwindigkeitsgleichung für die chemische Reaktion zwischen dem blauen Farbstoff und dem Bleichmittel wurde anhand der Absorptionskinetik ermittelt.
EINFÜHRUNG IN DIE ABSORPTIONSMESSUNG BEI DER ANALYSE CHEMISCHER REAKTIONEN
Einleitung
Chemische Reaktionen, bei denen einer der Reaktanten oder eines der Produkte farbig ist, lassen sich durch Absorptionsmessungen im Zeitverlauf verfolgen. So können beispielsweise Farbstoffmoleküle mit bestimmten Substanzen reagieren, wodurch sich ihre chemische Struktur und damit ihre Fähigkeit, Licht auf dieselbe Weise zu absorbieren bzw. zu reflektieren, verändert. Ebenso lässt sich die Aktivität von Enzymen überwachen, wenn die Reaktion zwischen dem Enzym und dem Substrat zu einem farbigen Produkt führt. In diesen beiden Beispielen lässt sich die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion durch das Verschwinden der Reaktanten bzw. das Auftreten der Produkte darstellen.
Diese Messungen (Absorption im Zeitverlauf) liefern Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit und die Aktivität der Reaktanten. Die Reaktionsgeschwindigkeit (oder das Geschwindigkeitsgesetz) ist eine mathematische Beschreibung dafür, wie die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von der molaren Konzentration ihrer Reaktanten abhängt. Die Bestimmung von Geschwindigkeitsgesetzen ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis chemischer Reaktionen, die Optimierung der Reaktionsbedingungen sowie die Gewährleistung einer effizienten und kontrollierten Herstellung gewünschter Produkte in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen.
Vor diesem Hintergrund wurde hier das ABSOR.B™ eingesetzt, um die Kinetik der Reaktion zwischen einem Lebensmittelfarbstoff (blauer Farbstoff) und Natriumhypochlorit (Bleichmittel) zu untersuchen. Das Hypochlorit-Ion (ClO⁻) ist ein Oxidationsmittel, das den Farbstoffmolekülen ein oder mehrere Elektronen entzieht und dadurch deren chemische Struktur verändert, sodass diese kein Licht mehr im sichtbaren Bereich absorbieren können. Die Abnahme der Extinktion während der Reaktion wurde bei zwei verschiedenen Bleichmittelkonzentrationen gemessen. Anhand der gewonnenen Daten wurde anschließend die chemische Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt.
EIN EXPERIMENTELLER ANSATZ ZUR MESSUNG DER ABSORPTION IN DER CHEMIE
Materialien und Methoden
Lebensmittelfarbstoff (blau) wurde in 10-ml-Fläschchen mit Natriumhypochlorit (Bleichmittel, NaClO) in zwei Konzentrationen (0,134 M und 0,269 M ClO) gemischt. Die Fläschchen wurden umgehend in das ABSOR.B™ eingesetzt. Die Tests wurden bei Raumtemperatur und unter Verwendung der Emitt.635-Kartusche, der optischen Emissionskartusche, die Licht bei einer Wellenlänge von 635 nm emittiert (blaue Komponenten weisen ihren Absorptionsmaximum bei etwa dieser Wellenlänge auf). Für jede Probe wurden die Absorptionswerte im Zeitverlauf erfasst (n = 3 für jede Bedingung). Das Geschwindigkeitsgesetz wurde anhand der Absorptionskinetik berechnet (1, 2).
ANALYSE VON REAKTIONSGESCHWINDIGKEITEN DURCH ABSORPTIONSMESSUNGEN
Ergebnisse und Diskussion
Experimentelle Überwachung der chemischen Reaktion
Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse für jede Natriumhypochloritkonzentration, die in dreifacher Wiederholung (n = 3) mit dem blauen Farbstoff gemischt wurde. Wie erwartet verlief die Reaktion bei der Probe mit der höchsten Natriumhypochloritkonzentration schneller, was sich in einem schnelleren Rückgang der Extinktion zeigte. Zudem lässt sich die hohe Wiederholbarkeit der Ergebnisse zwischen den Wiederholungen unter den jeweiligen Bedingungen feststellen. Die den tierischen Geweben innewohnende Intra-Variabilität sowie die geringe Anzahl an Proben (n = 3) unterstreichen die hohe Wiederholbarkeit und Sensitivität der Ergebnisse.
Abbildung 1: Extinktion (Abs) eines blauen Lebensmittelfarbstoffs in Abhängigkeit von der Zeit bei Vermischung mit Natriumhypochlorit in einer Konzentration von 0,269 M (orange) und 0,134 M (türkis).
Theoretische Modellierung der chemischen Reaktion
Diese chemische Reaktion mit ihren stöchiometrischen Koeffizienten (m und n) lässt sich wie folgt darstellen:
Die Geschwindigkeitsgleichung für diese Reaktion als Funktion der molaren Konzentration ihrer Reaktanten lässt sich wie folgt darstellen:
![rate = k [blue dye]m[hypochlorite]n](data:image/svg+xml;base64,PHN2ZyB2aWV3Qm94PSIwIDAgNzAzIDM1IiB3aWR0aD0iNzAzIiBoZWlnaHQ9IjM1IiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==){kind=small}
Dabei ist k die Geschwindigkeitskonstante (spezifisch für eine bestimmte Reaktion und Temperatur), und m und n sind Exponenten, die die Reaktionsordnung bestimmen.
In diesem Versuch lag Natriumhypochlorit gegenüber dem blauen Farbstoff in großem Überschuss vor. Daher änderte sich seine Konzentration während dieser chemischen Reaktion nicht wesentlich, sodass sie als konstant angenommen werden kann.
Um zunächst den Exponenten m zu bestimmen – und da die Hypochloritkonzentration in diesem Experiment als konstant angenommen werden kann –, lässt sich die Pseudogeschwindigkeitskonstante (k’) wie folgt berechnen:
![k [hypochlorite]n](data:image/svg+xml;base64,PHN2ZyB2aWV3Qm94PSIwIDAgNzAzIDMyIiB3aWR0aD0iNzAzIiBoZWlnaHQ9IjMyIiB4bWxucz0iaHR0cDovL3d3dy53My5vcmcvMjAwMC9zdmciPjwvc3ZnPg==){kind=small}
Daher lässt sich das Geschwindigkeitsgesetz wie folgt umschreiben:
Durch die grafische Darstellung von Abs gegen die Zeit, ln(Abs) gegen die Zeit und 1/Abs gegen die Zeit lässt sich die Reaktionsordnung für den blauen Farbstoff bestimmen. Wenn:
– Die Abhängigkeit von Abs in Bezug auf die Zeit ist linear: Reaktion nullter Ordnung (m = 0)
– ln(Abs) verläuft linear über die Zeit: Reaktion erster Ordnung (m = 1)
– 1/Abs ist linear zur Zeit: Reaktion zweiter Ordnung (m = 2)
Abbildung 2 zeigt, dass der höchste R²-Wert für die Kurven „ln(Abs)“ gegen die Zeit erzielt wurde (R² > 0,99); es handelt sich somit um eine Reaktion erster Ordnung in Bezug auf den blauen Farbstoff (m = 1). Zudem entspricht die Pseudokonstante (k’) dem negativen Wert der Steigung der linearen Regressionsgeraden. Anhand dieser Informationen lässt sich die Geschwindigkeitskonstante berechnen ( k), und zwar wie folgt:
Die Geschwindigkeitskonstante (k) für diese Reaktion beträgt somit 0,29 (M·s)⁻¹; unter Verwendung von Gleichung 2 ist n zudem gleich 1. Daher lässt sich das Geschwindigkeitsgesetz für diese chemische Reaktion wie folgt darstellen:
Abbildung 2: Durchschnittswerte für Extinktion (Abs), ln Abs und 1/Abs in Abhängigkeit von der Zeit für einen blauen Lebensmittelfarbstoff bei beiden Natriumhypochlorit-Konzentrationen (n = 3) mit den jeweiligen linearen Regressionsgeraden.
Schlussfolgerungen und Ausblick
ABSOR.B™ wurde erfolgreich eingesetzt, um die Absorptionsänderungen im Zeitverlauf bei 635 nm während der Reaktion zwischen einem lebensmitteltauglichen blauen Farbstoff und Bleichmittel in Lösung zu messen. Das Geschwindigkeitsgesetz dieser chemischen Reaktion wurde anhand der Absorptionskinetik berechnet.
Insgesamt ist das ABSOR.B™ Gerät ermöglicht Folgendes:
- Erfassung kontinuierlicher Absorptionsmessungen in der Tablet-App zur einfachen Analyse der Kinetik chemischer Reaktionen.
- Anpassung der Testplattform hinsichtlich der für die Anwendung erforderlichen Wellenlänge (mithilfe verschiedener optischer Lichtemissionskassetten), der für das Experiment am besten geeigneten Probenhalter (wie Fläschchen, Küvetten und Mikroröhrchen) sowie der Testkapazität durch die Steuerung mehrerer ABSOR.B™ -Einheiten über ein einziges drahtloses Bedien-Tablet.
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