ABSORBCIJAS SPEKTRS: ATOMU, REDZAMĀ UN MOLEKULĀRĀ ABSORBCIJA - ĶĪMIJA - 2025

Absorbcijas spektrs ir tas, ka produkts mijiedarbību gaismas ar materiālu vai vielu jebkurā no tās fiziskās valstīm. Bet šī definīcija pārsniedz vienkāršu redzamu gaismu, jo mijiedarbība ietver plašu segmentu no viļņu garuma un elektromagnētiskā starojuma enerģijas diapazona.

Tāpēc dažas cietas vielas, šķidrumi vai gāzes var absorbēt dažādu enerģiju vai viļņu garumu fotonus; no ultravioletā starojuma, kam seko redzamā gaisma, līdz infrasarkanajam starojumam vai gaismai, nonākot mikroviļņu viļņu garumā.

Avots: Circe Denyer, izmantojot PublicDomainPictures

Cilvēka acs uztver tikai matērijas mijiedarbību ar redzamo gaismu. Tāpat tas spēj apsvērt baltas gaismas difrakcijas izpausmi caur prizmu vai barotni tās krāsainajos komponentos (augšējais attēls).

Ja gaismas stars tiktu "noķerts" pēc tam, kad tas ir gājis cauri materiālam, un to analizētu, tiktu konstatēts, ka nav noteiktu krāsu joslu; tas ir, melnas svītras tiks novērotas kontrastējot ar tās fonu. Tas ir absorbcijas spektrs, un tā analīze ir būtiska instrumentālajā analītiskajā ķīmijā un astronomijā.

Atomu absorbcija

Avots: Almuazi, no Wikimedia Commons

Augšējā attēlā redzams tipisks elementu vai atomu absorbcijas spektrs. Ņemiet vērā, ka melnās joslas apzīmē absorbētos viļņu garumus, bet pārējās ir izstarotās. Tas nozīmē, ka, pretēji, atomu emisijas spektrs izskatās kā melna josla ar izstaroto krāsu svītrām.

Bet kas ir šīs svītras? Kā īsi uzzināt, vai atomi absorbē vai izstaro (neieviešot fluorescenci vai fosforescenci)? Atbildes meklējamas atomu atļautajos elektroniskajos stāvokļos.

Elektroniskās pārejas un enerģijas

Elektroni spēj attālināties no kodola, atstājot to ar pozitīvu lādiņu, pārejot no zemākas enerģijas orbītas uz augstāku enerģiju. Tam, izskaidrojams ar kvantu fiziku, tie absorbē noteiktas enerģijas fotonus, lai veiktu minēto elektronisko pāreju.

Tāpēc enerģija ir kvantitatīva, un tie neuzsūks pusi vai trīs ceturtdaļas fotona, bet drīzāk specifiskas frekvences vērtības (ν) vai viļņu garumus (λ).

Kad elektrons ir satraukts, tas neierobežoti ilgi nepaliek augstākas enerģijas elektroniskā stāvoklī; tas atbrīvo enerģiju fotona formā, un atoms atgriežas savā zemes vai sākotnējā stāvoklī.

Atkarībā no tā, vai absorbētie fotoni ir reģistrēti, tiks iegūts absorbcijas spektrs; un ja tiek reģistrēti izstarotie fotoni, rezultāts būs emisijas spektrs.

Šo parādību var novērot eksperimentāli, ja karsē elementa gāzveida vai atomizētus paraugus. Astronomijā, salīdzinot šos spektrus, var uzzināt zvaigznes sastāvu un pat tās atrašanās vietu attiecībā pret Zemi.

Redzamais spektrs

Kā redzams pirmajos divos attēlos, redzamajā spektrā ietilpst krāsas no violetas līdz sarkanai un visas to nokrāsas atkarībā no materiāla absorbēšanas (tumšie toņi).

Sarkanās gaismas viļņu garumi atbilst vērtībām, sākot no 650 nm (līdz tie izzūd infrasarkanajā starojumā). Un kreisajā malā violeti un purpursarkanie toņi aptver viļņa garuma vērtības līdz 450 nm. Tad redzamais spektrs ir aptuveni no 400 līdz 700 nm.

Palielinoties λ, samazinās fotona frekvence un līdz ar to arī tā enerģija. Tādējādi violetā gaismā ir augstāka enerģija (īsāki viļņu garumi) nekā sarkanā gaismā (garāki viļņu garumi). Tāpēc materiāls, kas absorbē purpursarkanu gaismu, ietver augstāku enerģiju elektroniskas pārejas.

Un ja materiāls absorbē violeto krāsu, kāda krāsa to atspoguļos? Tas parādīsies zaļgani dzeltenā krāsā, kas nozīmē, ka tā elektroni veic ļoti enerģētiskas pārejas; Ja materiāls absorbē zemu enerģijas daudzumu sarkano krāsu, tas atspoguļos zilgani zaļu krāsu.

Ja atoms ir ļoti stabils, tam parasti ir ļoti tālu elektroniskie stāvokļi enerģijā; un tāpēc jums būs jāabsorbē lielāki enerģijas fotoni, lai atļautu elektroniskas pārejas:

Avots: Gabriel Bolívar

Molekulu absorbcijas spektrs

Molekulās ir atomi, un šie absorbē arī elektromagnētisko starojumu; tomēr viņu elektroni ir ķīmiskās saites sastāvdaļa, tāpēc to pārejas ir atšķirīgas. Viens no molekulārās orbītas teorijas lielākajiem triumfiem ir spēja saistīt absorbcijas spektrus ar ķīmisko struktūru.

Tādējādi vienreizējām, divkāršajām, trīskāršajām, konjugētajām saitēm un aromātiskajām struktūrām ir savi elektroniskie stāvokļi; un tāpēc tie absorbē ļoti specifiskus fotonus.

Papildus molekulāro mijiedarbībai un to saišu vibrācijām (kas arī absorbē enerģiju), izmantojot vairākus atomus, molekulu absorbcijas spektriem ir "kalni", kas norāda joslas, kas veido viļņu garumus, kur notiek elektroniskas pārejas.

Pateicoties šiem spektriem, savienojumu var raksturot, identificēt un, izmantojot daudzfaktoru analīzi, pat kvantitatīvi noteikt.

Metilēnzilā

Avots: Wnt, no Wikimedia Commons

Augšējā attēlā parādīts metilēnzilā indikatora spektrs. Kā skaidri norāda tās nosaukums, tā ir zilā krāsā; bet vai to var pārbaudīt ar tā absorbcijas spektru?

Ņemiet vērā, ka ir joslas starp viļņu garumiem 200 un 300 nm. Starp 400 un 500 nm gandrīz nav absorbcijas, tas ir, tas neuzsūc violetas, zilas vai zaļas krāsas.

Tomēr tai ir spēcīga absorbcijas josla pēc 600 nm, un tāpēc tai ir zemas enerģijas elektroniskās pārejas, kas absorbē sarkanās gaismas fotonus.

Līdz ar to un ņemot vērā augstās molārā absorbcijas vērtības, metilēnzilā ir izteikti zila krāsa.

Hlorofīli a un b

Avots: Serge Helfrich, no Wikimedia Commons

Kā redzams attēlā, zaļā līnija atbilst hlorofila a absorbcijas spektram, bet zilā līnija atbilst hlorofila b absorbcijas spektram.

Pirmkārt, jāsalīdzina joslas, kurās molārā absorbcija ir vislielākā; šajā gadījumā tie, kas atrodas pa kreisi, no 400 līdz 500 nm. Hlorofils a spēcīgi absorbē purpursarkanās krāsas, bet hlorofils b (zilā līnija) absorbē zilas krāsas.

Absorbējot hlorofilu b aptuveni 460 nm, atspoguļojas zilā, dzeltenā krāsa. No otras puses, tas arī ļoti absorbē oranžu gaismu 650 nm tuvumā, kas nozīmē, ka tai ir zila krāsa. Ja dzeltenā un zilā krāsa sajaucas, kāds ir rezultāts? Krāsa zaļa.

Visbeidzot, hlorofils a absorbē zili violeto krāsu, kā arī sarkano gaismu tuvu 660 nm. Tāpēc tai ir zaļa krāsa, kuru "mīkstinājusi" dzeltena.

Atsauces

1. Parīzes observatorija. (sf). Dažādās spektru klases. Atgūts no: media4.obspm.fr
2. Rabanales universitātes pilsētiņa. (sf). Spektrofotometrija: absorbcijas spektri un biomolekulu kolorimetriskā kvantitatīvā noteikšana. . Atgūts no: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitatīvā analītiskā ķīmija (piektais izdevums). PEARSON, Prentice Hall, 461.-464.
4. Reush W. (nd). Redzamā un ultravioletā spektroskopija. Atgūts no: 2.ķīmija.msu.edu
5. Deivids Dārlings. (2016). Absorbcijas spektrs. Atgūts no: daviddarling.info
6. Hanas akadēmija. (2018). Absorbcijas / emisijas līnijas. Atgūts no: khanacademy.org