ABSZORPCIÓS SPEKTRUM: ATOMI, LÁTHATÓ ÉS MOLEKULÁRIS ABSZORPCIÓ - KÉMIA - 2024

Az abszorpciós spektrum a fénynek egy anyaggal vagy anyaggal való kölcsönhatásának a fizikai állapotának bármely terméke. De a meghatározás túlmutat az egyszerű látható fényen, mivel az interakció a hullámhossz-tartomány és az elektromágneses sugárzás energiájának széles szegmensét foglalja magában.

Ezért néhány szilárd anyag, folyadék vagy gáz képes elnyelni a különféle energiájú vagy hullámhosszúságú fotonokat; az ultraibolya sugárzástól, amelyet a látható fény követ, az infravörös sugárzásig vagy fényig, mikrohullámú hullámhosszra lépve.

Forrás: Circe Denyer a PublicDomainPictures oldalán

Az emberi szem csak az anyag és a látható fény kölcsönhatásait érzékeli. Hasonlóképpen képes megfontolni a fehér fény diffrakcióját egy prizma vagy egy közeg segítségével a színes komponenseiben (felső kép).

Ha egy fénysugarat "elkaptak" egy anyagon való átutazás után és elemeznék, akkor bizonyos színsávok hiányát észlelnék; vagyis fekete háttérrel ellentétben fekete csíkok figyelhetők meg. Ez az abszorpciós spektrum, elemzése alapvető fontosságú az instrumentális analitikai kémiában és a csillagászatban.

Atomabszorpció

Forrás: Almuazi, a Wikimedia Commonsból

A felső kép az elemek vagy atomok tipikus abszorpciós spektrumát mutatja. Vegye figyelembe, hogy a fekete sávok az abszorbeált hullámhosszokat képviselik, míg a többiek a kibocsátott hullámhosszokat képviselik. Ez azt jelenti, hogy ezzel szemben az atomi emisszióspektrum úgy néz ki, mint egy fekete sáv, a kibocsátott színek csíkjaival.

De mi ezek a csíkok? Hogyan lehet röviden megtudni, hogy az atomok abszorbeálnak vagy kibocsátanak (fluoreszcencia vagy foszforeszcencia bevezetése nélkül)? A válaszok az atomok megengedett elektronikus állapotában rejlenek.

Elektronikus átmenetek és energiák

Az elektronok képesek elmozdulni a magtól, pozitívan töltve, miközben átalakulnak egy alacsonyabb energiájú pályáról egy nagyobb energiára. Ezért, a kvantumfizikával magyarázva, elnyelik egy adott energia fotonjait az említett elektronikus átmenet végrehajtásához.

Ezért az energiát kvantálják, és nem fogják elnyelni a foton felét vagy háromnegyedét, hanem specifikus frekvenciaértékeket (ν) vagy hullámhosszokat (λ).

Miután az elektron gerjesztett, nem marad korlátlan ideig a magasabb energia elektronikus állapotában; elengedi az energiát foton formájában, és az atom visszatér alapállapotába vagy eredeti állapotába.

Attól függően, hogy rögzítik-e az abszorbeált fotonokat, abszorpciós spektrumot kapnak; és ha a kibocsátott fotonokat rögzítik, akkor az eredmény egy emisszióspektrum lesz.

Ez a jelenség kísérletileg megfigyelhető, ha egy elem gáznemű vagy porlasztott mintáit melegítik. A csillagászatban ezeknek a spektrumoknak a összehasonlításával megtudhatjuk egy csillag összetételét, sőt annak helyét a Földhöz viszonyítva.

Látható spektrum

Amint az az első két képen látható, a látható spektrum magában foglalja a színeket ibolya-vörösből és minden árnyalatot az anyag abszorpciójának függvényében (sötét árnyalatok).

A vörös fény hullámhossza a 650 nm-től kezdődő értékeknek felel meg (mindaddig, amíg az infravörös sugárzásban eltűnik). És a bal szélső részén az ibolya és a lila tónusok 450 nm-ig terjednek. A látható spektrum ezután megközelítőleg 400-700 nm.

A λ növekedésével a foton frekvenciája csökken, tehát energiája. Így az ibolya fény nagyobb energiájú (rövidebb hullámhosszúságú), mint a vörös fény (hosszabb hullámhossz). Ezért egy olyan anyag, amely elnyeli a lila fényt, magában foglalja a magasabb energiák elektronikus átmeneteit.

És ha az anyag elnyeli a lila színű színt, akkor milyen színben fog ez tükröződni? Zöldes-sárga színű lesz, ami azt jelenti, hogy elektronjai nagyon energikus átmenetet hajtanak végre; Noha, ha az anyag elnyeli az alacsonyabb energiájú vörös színt, akkor kékes-zöld színű lesz.

Ha az atom nagyon stabil, akkor az energiában általában nagyon távoli elektronállapotok vannak; ezért az elektronikus átmenetek lehetővé tétele érdekében nagyobb energiájú fotonokat kell elnyelnie:

Forrás: Gabriel Bolívar

A molekulák abszorpciós spektruma

A molekulák atomokkal rendelkeznek, és ezek szintén elnyelik az elektromágneses sugárzást; elektronjaik azonban a kémiai kötés részét képezik, így az átmenetek eltérőek. A molekuláris orbitális elmélet egyik legfontosabb győzelme az a képesség, hogy az abszorpciós spektrumokat összekapcsolja a kémiai szerkezettel.

Így az egy, kettős, hármas, konjugált kötések és aromás szerkezetek meg vannak saját elektronikus állapotuk; ezért elnyelik a nagyon specifikus fotonokat.

Azáltal, hogy több atommal rendelkezik, az intermolekuláris kölcsönhatásokon és kötésük rezgésein (amelyek szintén energiát vesznek fel) a molekulák abszorpciós spektrumai "hegyek" formájúak, amelyek jelzik azokat a sávokat, amelyek a hullámhosszokat tartalmazzák, ahol elektronikus átmenetek történnek.

Ezeknek a spektrumoknak köszönhetően egy vegyület jellemezhető, azonosítható és többváltozós elemzéssel még mennyiségileg meghatározható.

Metilénkék

Forrás: Wnt, a Wikimedia Commonsból

A felső kép a metilénkék indikátor spektrumát mutatja. Amint a neve nyilvánvalóan jelzi, kék színű; de ellenőrizhető-e abszorpciós spektrumával?

Vegye figyelembe, hogy 200 és 300 nm hullámhosszok között vannak sávok. 400 és 500 nm között szinte nincs abszorpció, azaz nem vesz fel lila, kék vagy zöld színeket.

Ennek ellenére erős abszorpciós sávja van 600 nm után, ezért alacsony energiájú elektronikus átmenetekkel rendelkezik, amelyek elnyelik a vörös fény fotonjait.

Következésképpen és tekintettel a magas moláris abszorpciós képességre, a metilénkék intenzív kék színű.

A és b klorofillok

Forrás: Serge Helfrich, a Wikimedia Commonsból

A képről látható, hogy a zöld vonal az a klorofill abszorpciós spektrumának felel meg, míg a kék vonal a b klorofillnek felel meg.

Először összehasonlítani kell azokat a sávokat, ahol a legnagyobb a moláris abszorpciós képesség; ebben az esetben a bal oldalon, 400 és 500 nm között van. A klorofill a nagy mértékben abszorbeálja a lila színeket, míg a klorofill b (kék vonal) a kék színeket.

A klorofill 460 nm körüli abszorpciójával a kék, a sárga szín visszatükröződik. Másrészt erősen elnyeli a 650 nm-es narancssárga fényt is, ami azt jelenti, hogy a kék színű. Ha a sárga és a kék keverék, mi az eredmény? A zöld szín.

És végül, a klorofill az abszorbeálja a kék-ibolya színt, valamint a 660 nm-es vörös fényt is. Ezért zöld színű, amelyet "sárga puhít".

Irodalom

1. Observatoire de Paris. (Sf). A spektrumok különféle osztályai. Helyreállítva: media4.obspm.fr
2. Rabanales University Campus. (Sf). Spektrofotometria: Abszorpciós spektrumok és a biomolekulák kolorimetrikus mennyiségi meghatározása.. Helyreállítva: uco.es
3. Day, R. és Underwood, A. (1986). Kvantitatív analitikai kémia (ötödik kiadás). PEARSON, Prentice Hall, 461-464.
4. Reush W. (második). Látható és ultraibolya spektroszkópia. Helyreállítva: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Abszorpciós spektrum. Helyreállítva: daviddarling.info
6. Khan Akadémia. (2018). Abszorpciós / kibocsátási vonalak. Helyreállítva: khanacademy.org