SPEKTAR APSORPCIJE: ATOMSKA, VIDLJIVA I MOLEKULARNA APSORPCIJA - KEMIJA - 2025

Apsorpcijski spektar je da produkt interakcije svjetlosti sa materijala ili tvari u bilo kojem od svojih fizičkih stanja. Ali definicija nadilazi jednostavnu vidljivu svjetlost, jer interakcija uključuje širok segment raspona valnih duljina i energije elektromagnetskog zračenja.

Stoga, neke krute tvari, tekućine ili plinovi mogu apsorbirati fotone različitih energija ili valnih duljina; od ultraljubičastog zračenja, praćenog vidljivom svjetlošću, do infracrvenog zračenja ili svjetlosti, zakoračenja u valne duljine mikrovalne.

Izvor: Circe Denyer putem PublicDomainPictures

Ljudsko oko opaža samo interakcije materije i vidljive svjetlosti. Isto tako, može razmatrati difrakciju bijele svjetlosti kroz prizmu ili medij u njenim obojenim komponentama (gornja slika).

Ako bi se zraka svjetlosti „uhvatila“ nakon što je prošla kroz materijal i analizirala, otkrila bi se odsutnost određenih traka boja; to jest, crne pruge bi se opažale u kontrastu s njegovom pozadinom. Ovo je apsorpcijski spektar, a njegova analiza je temeljna u instrumentalnoj analitičkoj kemiji i astronomiji.

Atomska apsorpcija

Izvor: Almuazi, iz Wikimedia Commons

Gornja slika prikazuje tipični spektar apsorpcije za elemente ili atome. Imajte na umu da crne trake predstavljaju apsorbirane valne duljine, dok su ostale emitirane. To znači da bi, nasuprot tome, atomski spektar izgledao kao crna traka s prugama odašiljenih boja.

Ali što su ove pruge? Kako ukratko znati da li atomi apsorbiraju ili emitiraju (bez uvođenja fluorescencije ili fosforescencije)? Odgovori leže u dopuštenim elektronskim stanjima atoma.

Elektronski prijelazi i energije

Elektroni se mogu odmaknuti od jezgre ostavljajući ga pozitivno nabijenim dok prelaze iz orbite niže energije u višu energetsku. Za to, objašnjeno kvantnom fizikom, oni apsorbiraju fotone specifične energije za provođenje navedenog elektroničkog prijelaza.

Stoga se energija kvantizira i oni neće apsorbirati pola ili tri četvrtine fotona, već specifične vrijednosti frekvencije (ν) ili valne duljine (λ).

Jednom kada je elektron pobuđen, on ne ostaje neograničeno vrijeme u elektroničkom stanju više energije; energiju oslobađa u obliku fotona, a atom se vraća u svoje osnovno ili prvobitno stanje.

Ovisno o tome jesu li snimljeni apsorbirani fotoni, dobit će se apsorpcijski spektar; i ako su emitirani fotoni snimljeni, tada će rezultat biti spektar emisije.

Taj se fenomen može primijetiti eksperimentalno ako se zagrijavaju plinoviti ili atomizirani uzorci elementa. U astronomiji, uspoređujući ove spektre, može se znati sastav zvijezde, pa čak i njen položaj u odnosu na Zemlju.

Vidljivi spektar

Kao što se može vidjeti na prve dvije slike, vidljivi spektar uključuje boje od ljubičaste do crvene i sve njihove nijanse s obzirom na to koliko materijala apsorbira (tamne nijanse).

Valne duljine crvenog svjetla odgovaraju vrijednostima od 650 nm nadalje (dok ne nestanu u infracrvenom zračenju). A na krajnjoj lijevoj strani, ljubičasti i ljubičasti tonovi prekrivaju vrijednosti valne duljine i do 450 nm. Vidljivi spektar se tada kreće od 400 do 700 nm.

Kako se λ povećava, frekvencija fotona se smanjuje, a samim tim i njegova energija. Dakle, ljubičasta svjetlost ima veću energiju (kraće valne duljine) od crvene (duže valne duljine). Stoga materijal koji apsorbira ljubičastu svjetlost uključuje elektroničke prijelaze viših energija.

A ako materijal apsorbira ljubičastu boju, koja će se boja odražavati? Pojavit će se zelenkasto žutu, što znači da njeni elektroni vrše vrlo energetske prijelaze; Dok materijal upije crvenu nižu energiju, to će se odraziti plavkasto zelenom bojom.

Kad je atom vrlo stabilan, obično pokazuje vrlo udaljena elektronička stanja u energiji; i zato ćete morati apsorbirati fotone više energije kako biste omogućili elektroničke prijelaze:

Izvor: Gabriel Bolívar

Apsorpcijski spektar molekula

Molekule imaju atome, koji također apsorbiraju elektromagnetsko zračenje; međutim, njihovi su elektroni dio kemijske veze, pa su i njihovi prijelazi različiti. Jedan od velikih uspjeha teorije molekularne orbite je njegova sposobnost povezivanja apsorpcijskih spektra s kemijskom strukturom.

Dakle, jednostruke, dvostruke, trostruke, konjugirane veze i aromatske strukture imaju svoja elektronička stanja; i zato apsorbiraju vrlo specifične fotone.

Imajući nekoliko atoma, osim intermolekularnih interakcija i vibracija njihovih veza (koje također apsorbiraju energiju), apsorpcijski spektar molekula ima oblik "planina", što označava pojaseve koji čine valne duljine gdje događaju se elektronički prijelazi.

Zahvaljujući ovim spektrima, spoj se može okarakterizirati, identificirati, pa čak i multivarijantnom analizom kvantificirati.

Metilen plava

Izvor: Wnt, iz Wikimedia Commons

Gornja slika prikazuje spektar indikatora metilen plave boje. Kao što njegovo ime vidljivo govori, plave je boje; ali može li se provjeriti njegovim apsorpcijskim spektrom?

Napominjemo da postoje pojasevi između valnih duljina od 200 do 300 nm. Između 400 i 500 nm gotovo da i nema apsorpcije, odnosno ne apsorbira ljubičastu, plavu ili zelenu boju.

Međutim, on ima snažan apsorpcijski pojas nakon 600 nm, i stoga ima niskoenergetske elektroničke prijelaze koji apsorbiraju fotone crvene svjetlosti.

Stoga, s obzirom na visoke vrijednosti molarne apsorptivnosti, metilen plava pokazuje intenzivnu plavu boju.

Klorofili a i b

Izvor: Serge Helfrich, iz Wikimedia Commons

Kao što se može vidjeti na slici, zelena linija odgovara spektru apsorpcije klorofila a, dok plava linija odgovara onome klorofila b.

Prvo se moraju usporediti pojasevi u kojima su molarne apsorptivnosti najveće; u ovom slučaju one s lijeve strane, između 400 i 500 nm. Klorofil a snažno upija ljubičaste boje, dok klorofil b (plava linija) upija plave boje.

Apsorpcijom klorofila b oko 460 nm odražava se plava, žuta boja. S druge strane, ona također snažno apsorbira narančastu svjetlost blizu 650 nm, što znači da pokazuje plavu boju. Ako se žuto i plavo miješaju, što je rezultat? Boja zelena.

I na kraju, klorofil apsorbira plavo-ljubičastu boju, a također i crveno svjetlo blizu 660 nm. Stoga pokazuje zelenu boju "omekšanu" žutom bojom.

Reference

1. Observatoire de Paris. (SF). Različite klase spektra. Oporavak od: media4.obspm.fr
2. Rabanales University Campus. (SF). Spektrofotometrija: Spektar apsorpcije i kolorimetrijska kvantifikacija biomolekula., Oporavak od: uco.es
3. Day, R., i Underwood, A. (1986). Kvantitativna analitička kemija (peto izdanje). PEARSON, Prentice Hall, p 461-464.
4. Reush W. (drugi). Vidljiva i ultraljubičasta spektroskopija. Oporavak od: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Spektar apsorpcije. Oporavak od: daviddarling.info
6. Khan Akademija. (2018.). Vodovi apsorpcije / emisije. Oporavilo sa: khanacademy.org