ABSORPČNÉ SPEKTRUM: ATÓMOVÁ, VIDITEĽNÁ A MOLEKULÁRNA ABSORPCIA - CHÉMIA - 2025

Absorpčné spektrum je produktom interakcie svetla s materiálu alebo látky v niektorej z jej fyzikálnych stavov. Táto definícia však presahuje rámec jednoduchého viditeľného svetla, pretože interakcia zahŕňa širokú časť rozsahu vlnových dĺžok a energie elektromagnetického žiarenia.

Preto niektoré tuhé látky, kvapaliny alebo plyny môžu absorbovať fotóny rôznych energií alebo vlnových dĺžok; od ultrafialového žiarenia, po ktorom nasleduje viditeľné svetlo, po infračervené žiarenie alebo svetlo, ktoré vstúpilo do mikrovlnných vlnových dĺžok.

Zdroj: Circe Denyer prostredníctvom PublicDomainPictures

Ľudské oko vníma iba interakcie hmoty s viditeľným svetlom. Rovnako je schopný uvažovať o difrakcii bieleho svetla hranolom alebo médiom vo svojich farebných komponentoch (horný obrázok).

Keby sa lúč svetla „zachytil“ po tom, čo prešiel materiálom a analyzoval by, bola by zistená neprítomnosť určitých pásiem farieb; to znamená, že čierne pruhy by boli pozorované v kontraste s jeho pozadím. Toto je absorpčné spektrum a jeho analýza je základná v prístrojovej analytickej chémii a astronómii.

Atómová absorpcia

Zdroj: Almuazi z Wikimedia Commons

Horný obrázok ukazuje typické absorpčné spektrum pre prvky alebo atómy. Všimnite si, že čierne pruhy predstavujú absorbované vlnové dĺžky, zatiaľ čo ostatné sú vyžarované. To znamená, že na rozdiel od toho by spektrum atómovej emisie vyzeralo ako čierny pás s pruhmi emitovaných farieb.

Ale čo sú tieto pruhy? Ako v skratke vedieť, či atómy absorbujú alebo emitujú (bez zavedenia fluorescencie alebo fosforescencie)? Odpovede spočívajú v povolených elektronických stavoch atómov.

Elektronické prechody a energie

Elektróny sa dokážu od jadra vzdialiť, pričom ho kladne nabili, zatiaľ čo prechádzajú z orbitálu s nízkou energiou na vysokoenergetický. Na tento účel, vysvetlené pomocou kvantovej fyziky, absorbujú fotóny špecifickej energie na uskutočnenie uvedeného elektronického prechodu.

Preto je energia kvantovaná a nebude absorbovať polovicu alebo tri štvrtiny fotónu, ale špecifické hodnoty frekvencie (ν) alebo vlnové dĺžky (λ).

Keď je elektrón vzrušený, nezostáva neobmedzene dlho v elektronickom stave s vyššou energiou; uvoľňuje energiu vo forme fotónu a atóm sa vracia do svojho pôvodného alebo pôvodného stavu.

V závislosti od toho, či sú zaznamenané absorbované fotóny, sa získa absorpčné spektrum; a ak sú emitované fotóny zaznamenané, výsledkom bude emisné spektrum.

Tento jav možno pozorovať experimentálne, ak sa zahrievajú plynné alebo atomizované vzorky prvku. V astronómii je možné pomocou porovnania týchto spektier poznať zloženie hviezdy a dokonca aj jej polohu vo vzťahu k Zemi.

Viditeľné spektrum

Ako vidno na prvých dvoch obrázkoch, viditeľné spektrum obsahuje farby od fialovej po červenú a všetky ich odtiene týkajúce sa toho, koľko materiál absorbuje (tmavé odtiene).

Vlnové dĺžky červeného svetla zodpovedajú hodnotám od 650 nm (pokiaľ nezmiznú pri infračervenom žiarení). A úplne vľavo, fialové a fialové tóny pokrývajú hodnoty vlnových dĺžok do 450 nm. Viditeľné spektrum sa potom pohybuje v rozmedzí približne od 400 do 700 nm.

Keď sa A zvyšuje, frekvencia fotónu klesá, a preto jeho energia. Fialové svetlo má teda vyššiu energiu (kratšie vlnové dĺžky) ako červené svetlo (dlhšie vlnové dĺžky). Preto materiál, ktorý absorbuje fialové svetlo, zahŕňa elektronické prechody vyšších energií.

A ak materiál absorbuje fialovú farbu, akú farbu bude odrážať? Vyzerá zeleno-žltá, čo znamená, že jeho elektróny robia veľmi energetické prechody; Pokiaľ materiál absorbuje nižšiu energiu červenej farby, bude odrážať modro-zelenú farbu.

Keď je atóm veľmi stabilný, zvyčajne vykazuje veľmi vzdialené elektronické stavy energie; a preto budete musieť absorbovať fotóny s vyššou energiou, aby ste umožnili elektronické prechody:

Zdroj: Gabriel Bolívar

Absorpčné spektrum molekúl

Molekuly majú atómy, ktoré tiež absorbujú elektromagnetické žiarenie; ich elektróny sú však súčasťou chemickej väzby, takže ich prechody sú rôzne. Jednou z veľkých triumfov molekulárnej orbitálnej teórie je jej schopnosť spojiť absorpčné spektrá s chemickou štruktúrou.

Jednoduché, dvojité, trojité, združené väzby a aromatické štruktúry teda majú svoje vlastné elektronické stavy; a preto absorbujú veľmi špecifické fotóny.

Absorbčné spektrá molekúl majú, okrem intermolekulárnych interakcií a vibrácií ich väzieb (ktoré tiež absorbujú energiu), formu „hor“, ktoré označujú pásy, ktoré obsahujú vlnové dĺžky, kde dochádza k elektronickým prechodom.

Vďaka týmto spektrám je možné zlúčeninu charakterizovať, identifikovať a dokonca kvantifikovať pomocou multivariačnej analýzy.

Metylénová modrá

Zdroj: Wnt, z Wikimedia Commons

Horný obrázok ukazuje spektrum indikátora metylénovej modrej. Ako jeho názov jasne naznačuje, má modrú farbu; ale dá sa skontrolovať pomocou absorpčného spektra?

Všimnite si, že existujú vlnové dĺžky medzi 200 a 300 nm. Medzi 400 a 500 nm neexistuje takmer žiadna absorpcia, to znamená, že neabsorbuje fialové, modré alebo zelené farby.

Má však silné absorpčné pásmo po 600 nm, a preto má nízkoenergetické elektronické prechody, ktoré absorbujú fotóny červeného svetla.

V dôsledku toho a pri vysokých hodnotách molárnej absorptivity vykazuje metylénová modrá intenzívnu modrú farbu.

Chlorofyly a a b

Zdroj: Serge Helfrich, z Wikimedia Commons

Ako je možné vidieť na obrázku, zelená čiara zodpovedá absorpčnému spektru chlorofylu a, zatiaľ čo modrá čiara zodpovedá spektru chlorofylu b.

Najprv sa musia porovnať pásy, v ktorých sú molárne absorpčné schopnosti najväčšie; v tomto prípade tie, ktoré sú vľavo, medzi 400 a 500 nm. Chlorofyl a silne absorbuje fialové farby, zatiaľ čo chlorofyl b (modrá čiara) absorbuje modré farby.

Absorpciou chlorofylu b okolo 460 nm sa odrazí modrá, žltá farba. Na druhej strane tiež silne absorbuje okolo 650 nm, oranžové svetlo, čo znamená, že má modrú farbu. Ak sa zmieša žltá a modrá, aký je výsledok? Farba zelená.

A nakoniec, chlorofyl a absorbuje modrofialovú farbu a tiež červené svetlo blízke 660 nm. Preto vykazuje zelenú farbu „zjemnenú“ žltou farbou.

Referencie

1. Observatoire de Paris. (SF). Rôzne triedy spektier. Získané z: media4.obspm.fr
2. Areál univerzity v Rabanales. (SF). Spektrofotometria: Absorpčné spektrá a kolorimetrická kvantifikácia biomolekúl. , Získané z: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitatívna analytická chémia (piate vydanie). PEARSON, Prentice Hall, s. 461-464.
4. Znova pretečte W. (nd). Viditeľná a ultrafialová spektroskopia. Získané z: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorpčné spektrum. Obnovené z: daviddarling.info
6. Khan Academy. (2018). Absorpčné / emisné vedenia. Obnovené z: khanacademy.org