Атомне поглинання спектру поглинання, видиме і в молекулах

A спектр поглинання є тим продуктом взаємодії світла з матеріалом або речовиною в будь-якому з його фізичних станів. Але визначення виходить за рамки простого видимого світла, оскільки взаємодія містить широкий сегмент діапазону довжин хвиль і енергії електромагнітного випромінювання..

Тому деякі тверді речовини, рідини або гази можуть поглинати фотони різної енергії або довжини хвиль; від ультрафіолетового випромінювання, за яким слідує видиме світло, до випромінювання або інфрачервоного світла, похитування в мікрохвильових довжинах хвиль.

Людське око сприймає тільки взаємодії матерії з видимим світлом. Крім того, вона здатна споглядати дифракцію білого світла через призму або середовище в його барвистих компонентах (верхнє зображення).

Якби промінь світла був «застряг» після того, як пройшов через матеріал і проаналізував, він знайшов би відсутність певних смуг кольорів; тобто, були б чорні смуги, що контрастують з його фоном. Це спектр поглинання, і його аналіз є фундаментальним в інструментальній аналітичній хімії та астрономії.

Індекс

• 1 Атомне поглинання
  • 1.1 Переходи та електронні енергії
• 2 Видимий спектр
• 3 Спектр поглинання молекул
  • 3.1 Метиленовий синій
  • 3.2 Хлорофіли а і b
• 4 Посилання

Атомне поглинання

На верхньому зображенні показано типовий спектр поглинання елементів або атомів. Зауважимо, що чорні смуги представляють поглинені довжини хвиль, а інші - випромінювані. Це означає, що, навпаки, спектр атомного випромінювання буде виглядати як чорна смуга з смугами випромінюваних кольорів.

Але які ж ці смуги? Як дізнатися коротко, якщо атоми поглинають або випромінюють (без введення флуоресценції або фосфоресценції)? Відповіді лежать в дозволених електронних станах атомів.

Переходи та електронні енергії

Електрони здатні відійти від ядра, залишивши його позитивно зарядженим, коли вони рухаються від орбіти нижньої енергії до орбіти вищої енергії. Для цього, пояснюється квантовою фізикою, поглинаються фотони певної енергії, щоб зробити такий електронний перехід.

Отже, енергія квантується і не буде поглинати половину або три чверті фотона, а значення частоти (ν) або певних довжин хвиль (λ).

Як тільки електрон збуджується, він не залишається протягом необмеженого часу в електронному стані більшої енергії; вона вивільняє енергію у вигляді фотона, а атом повертається до свого базального або початкового стану.

Залежно від того, записані поглинені фотони, буде спектр поглинання; і якщо ви запишете випромінювані фотони, то результат буде спектром випромінювання.

Це явище можна спостерігати експериментально, якщо нагріваються газоподібні або атомізовані зразки елемента. У астрономії, порівнюючи ці спектри, склад зірки може бути відомий і навіть його розташування відносно Землі..

Видимий спектр

Як видно з перших двох зображень, видимий спектр включає кольори від фіолетового до червоного і всі його відтінки щодо того, наскільки матеріал поглинає (темні відтінки).

Довжина хвиль червоного світла відповідає значенням 650 нм (до зникнення в інфрачервоному випромінюванні). А на крайньому лівому, фіолетовому і фіолетовому відтінках покривають значення довжин хвиль до 450 нм. Потім видимий спектр коливається від 400 до 700 нм приблизно.

При збільшенні λ частота фотона зменшується, а отже, і його енергія. Таким чином, фіолетове світло має більш високу енергію (коротші хвилі), ніж червоне світло (довші хвилі). Тому матеріал, який поглинає пурпурне світло, включає електронні переходи вищих енергій.

А якщо матеріал поглинає фіолетовий колір, то який колір він буде відображати? Він покаже зеленувато-жовтий колір, що означає, що його електрони здійснюють дуже енергійні переходи; якщо матеріал поглинає червоний колір, з меншою енергією, він відображає блакитно-зелений колір.

Коли атом дуже стабільний, він зазвичай представляє дуже далекі електронні стани в енергії; і, отже, вам потрібно буде поглинати фотони вищої енергії, щоб дозволити електронні переходи:

Спектр поглинання молекул

Молекули мають атоми, і вони також поглинають електромагнітне випромінювання; однак, їхні електрони є частиною хімічного зв'язку, тому їх переходи різні. Одним з великих тріумфів теорії молекулярної орбіталі є здатність зв'язувати спектри поглинання з хімічною структурою..

Таким чином, прості, подвійні, потрійні, спряжені і ароматичні структури мають власні електронні стани; і тому вони поглинають дуже специфічні фотони.

Маючи кілька атомів, крім міжмолекулярних взаємодій, і коливання їх зв'язків (які також поглинають енергію), спектри поглинання молекул знаходяться у вигляді "гір", які вказують на смуги, які складають довжини хвиль, відбуваються електронні переходи.

Завдяки цим спектрам, з'єднання можна охарактеризувати, ідентифікувати і навіть шляхом багатовимірного аналізу кількісно.

Метиленовий синій

Спектр блакитного індикатора метилену показаний на верхньому зображенні. Як видно з назви, це синій; але можна перевірити його спектром поглинання?

Зауважимо, що існують смуги між довжинами хвиль 200 і 300 нм. Між 400 і 500 нм майже не спостерігається поглинання, тобто не поглинає фіолетові, сині або зелені кольори.

Однак, вона має інтенсивну смугу поглинання після 600 нм, а тому має електронні переходи низької енергії, які поглинають фотони червоного світла.

Отже, і з урахуванням високих значень молярної абсорбції, метиленовий синій колір проявляє інтенсивний синій колір.

Хлорофіли а і b

Як показано на зображенні, зелена лінія відповідає спектру поглинання хлорофілу а, тоді як синя лінія відповідає спектру хлорофілу а..

По-перше, слід порівняти смуги, де молярні поглинання більші; в цьому випадку, зліва, між 400 і 500 нм. Хлорофіл а сильно поглинає пурпурні кольори, тоді як хлорофіл b (синя лінія) робить це з синім кольором.

Поглинаючи хлорофіл b близько 460 нм, синій відбивається жовтий колір. З іншого боку, він також поглинає інтенсивно близько 650 нм, помаранчеве світло, що означає, що він має блакитний колір. Якщо жовтий і синій кольори змішані, то який результат? Зелений колір.

І, нарешті, хлорофіл а поглинає блакитно-фіолетовий колір, а крім того, червоне світло близько 660 нм. Таким чином, він демонструє зелений колір "пом'якшений" жовтим.

Список літератури

1. Обсерваторія Парижа. (s.f.). Різні види спектрів. Отримано з: media4.obspm.fr
2. Університетський кампус Рабаналес. (s.f.). Спектрометрія: спектри поглинання та колориметричне кількісне визначення біомолекул. [PDF] Отримано від: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Кількісна аналітична хімія (п'ята редакція). PEARSON, Prentice Hall, стор 461-464.
4. Reush W. (s.f.). Видима і ультрафіолетова спектроскопія. Отримано з: 2.chemistry.msu.edu
5. Девід Дарлінг (2016). Спектр поглинання. Отримано з: daviddarling.info
6. Ханська академія. (2018). Лінії поглинання / емісії. Отримано з: khanacademy.org