WIDMO ABSORPCJI: ABSORPCJA ATOMOWA, WIDZIALNA I MOLEKULARNA - CHEMIA - 2025

Widmo absorpcji jest to, że produkt z oddziaływania światła z materiału lub substancji w każdym jego stanu fizycznego. Ale definicja wykracza poza zwykłe światło widzialne, ponieważ interakcja obejmuje szeroki zakres długości fal i energii promieniowania elektromagnetycznego.

Dlatego niektóre ciała stałe, ciecze lub gazy mogą absorbować fotony o różnych energiach lub długościach fal; od promieniowania ultrafioletowego, po którym następuje światło widzialne, do promieniowania podczerwonego lub światła, przechodząc do długości fal mikrofalowych.

Źródło: Circe Denyer przez PublicDomainPictures

Ludzkie oko dostrzega tylko interakcje materii ze światłem widzialnym. Podobnie jest w stanie kontemplować dyfrakcję światła białego przez pryzmat lub ośrodek w jego kolorowych składnikach (górny obraz).

Gdyby promień światła został „złapany” po przejściu przez materiał i przeanalizowaniu, można by stwierdzić brak pewnych pasm kolorów; to znaczy, zaobserwowano by czarne paski kontrastujące z tłem. To jest widmo absorpcyjne, a jego analiza ma fundamentalne znaczenie w instrumentalnej chemii analitycznej i astronomii.

Absorpcja atomowa

Źródło: Almuazi, z Wikimedia Commons

Górny obraz przedstawia typowe widmo absorpcji pierwiastków lub atomów. Zwróć uwagę, że czarne pasma reprezentują absorbowane długości fal, podczas gdy pozostałe to emitowane. Oznacza to, że dla kontrastu widmo emisji atomowej wyglądałoby jak czarne pasmo z pasami emitowanych kolorów.

Ale co to za paski? Skąd w skrócie wiedzieć, czy atomy pochłaniają, czy emitują (bez wprowadzania fluorescencji lub fosforescencji)? Odpowiedzi leżą w dozwolonych stanach elektronicznych atomów.

Elektroniczne przejścia i energie

Elektrony są w stanie oddalić się od jądra, pozostawiając je dodatnio naładowane podczas przechodzenia z orbity o niższej energii na orbitę o wyższej energii. W tym celu, jak wyjaśnia fizyka kwantowa, pochłaniają one fotony o określonej energii, aby przeprowadzić wspomniane przejście elektroniczne.

Dlatego energia jest kwantowana i nie będą one absorbować połowy lub trzech czwartych fotonu, ale raczej określone wartości częstotliwości (ν) lub długości fal (λ).

Po wzbudzeniu elektron nie pozostaje przez nieograniczony czas w elektronicznym stanie wyższej energii; uwalnia energię w postaci fotonu, a atom wraca do stanu podstawowego lub pierwotnego.

W zależności od tego, czy zarejestrowano zaabsorbowane fotony, otrzymamy widmo absorpcyjne; a jeśli wyemitowane fotony zostaną zarejestrowane, wynikiem będzie widmo emisyjne.

Zjawisko to można zaobserwować eksperymentalnie, jeśli gazowe lub rozpylone próbki pierwiastka zostaną podgrzane. W astronomii, porównując te widma, można poznać skład gwiazdy, a nawet jej położenie względem Ziemi.

Widoczne widmo

Jak widać na pierwszych dwóch zdjęciach, widmo widzialne obejmuje kolory od fioletu do czerwieni i wszystkie ich odcienie, w zależności od tego, jak bardzo materiał pochłania (ciemne odcienie).

Długości fal światła czerwonego odpowiadają wartościom od 650 nm wzwyż (aż znikną w promieniowaniu podczerwonym). A skrajnie po lewej stronie odcienie fioletu i fioletu pokrywają długości fal do 450 nm. Widmo widzialne waha się wtedy w przybliżeniu od 400 do 700 nm.

Wraz ze wzrostem λ maleje częstotliwość fotonu, a tym samym jego energia. Zatem światło fioletowe ma wyższą energię (krótsze długości fal) niż światło czerwone (dłuższe długości fal). Dlatego materiał, który pochłania fioletowe światło, zawiera przejścia elektroniczne wyższych energii.

A jeśli materiał wchłonie kolor fioletowy, jaki kolor będzie odbijał? Będzie wyglądać na zielonkawo-żółty, co oznacza, że ​​jego elektrony wykonują bardzo energetyczne przejścia; Jeśli materiał pochłonie kolor czerwony o niższej energii, będzie odbijał kolor niebiesko-zielony.

Kiedy atom jest bardzo stabilny, generalnie wykazuje bardzo odległe stany elektronowe energii; i dlatego będziesz musiał absorbować fotony o wyższej energii, aby umożliwić przejścia elektroniczne:

Źródło: Gabriel Bolívar

Widmo absorpcyjne cząsteczek

Cząsteczki mają atomy, które również pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne; jednak ich elektrony są częścią wiązania chemicznego, więc ich przejścia są różne. Jednym z największych triumfów teorii orbitali molekularnych jest jej zdolność do powiązania widm absorpcyjnych ze strukturą chemiczną.

Zatem pojedyncze, podwójne, potrójne, sprzężone wiązania i struktury aromatyczne mają swoje własne stany elektronowe; i dlatego pochłaniają bardzo specyficzne fotony.

Mając kilka atomów, oprócz oddziaływań międzycząsteczkowych i wibracji ich wiązań (które również pochłaniają energię), widma absorpcyjne cząsteczek mają postać „gór”, które wskazują pasma, które obejmują długości fal, w których występują przejścia elektroniczne.

Dzięki tym widmom związek można scharakteryzować, zidentyfikować, a nawet, za pomocą analizy wieloczynnikowej, określić ilościowo.

Błękit metylenowy

Źródło: Wnt, z Wikimedia Commons

Górny obraz przedstawia widmo wskaźnika błękitu metylenowego. Jak wskazuje jego nazwa, jest koloru niebieskiego; ale czy można to sprawdzić za pomocą widma absorpcji?

Zauważ, że istnieją pasma między długościami fal 200 i 300 nm. Pomiędzy 400 a 500 nm prawie nie ma absorpcji, to znaczy nie absorbuje kolorów fioletowych, niebieskich ani zielonych.

Ma jednak silne pasmo absorpcji po 600 nm, a zatem ma niskoenergetyczne przejścia elektroniczne, które pochłaniają fotony światła czerwonego.

W konsekwencji, biorąc pod uwagę wysokie wartości chłonności molowych, błękit metylenowy wykazuje intensywnie niebieski kolor.

Chlorofile a i b

Źródło: Serge Helfrich, źródło Wikimedia Commons

Jak widać na zdjęciu, zielona linia odpowiada widmowi absorpcji chlorofilu a, a niebieska odpowiada widmie chlorofilu b.

Po pierwsze, należy porównać prążki, w których absorpcje molowe są największe; w tym przypadku te po lewej stronie, między 400 a 500 nm. Chlorofil a silnie absorbuje kolory fioletowe, podczas gdy chlorofil b (linia niebieska) absorbuje kolory niebieskie.

Absorbując chlorofil b około 460 nm, odbija się niebieski, żółty kolor. Z drugiej strony absorbuje również silnie w okolicach 650 nm światło pomarańczowe, co oznacza, że ​​ma kolor niebieski. Jaki jest wynik mieszania się żółtego i niebieskiego? Kolor zielony.

I wreszcie chlorofil a absorbuje niebiesko-fioletową barwę, a także czerwone światło bliskie 660 nm. Dlatego wykazuje zielony kolor „zmiękczony” żółcią.

Bibliografia

1. Observatoire de Paris. (sf). Różne klasy widm. Odzyskany z: media4.obspm.fr
2. Kampus Uniwersytetu Rabanales. (sf). Spektrofotometria: widma absorpcyjne i kolorymetryczne oznaczanie ilościowe biomolekuł. . Odzyskany z: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Quantitative Analytical Chemistry (wyd. Piąte). PEARSON, Prentice Hall, s. 461–464.
4. Reush W. (nd). Spektroskopia widzialna i ultrafioletowa. Odzyskane z: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Widmo absorpcji. Odzyskany z: daviddarling.info
6. Khan academy. (2018). Linie absorpcyjne / emisyjne. Odzyskane z: khanacademy.org