ABSORPSJONSSPEKTER: ATOMISK, SYNLIG OG MOLEKYLÆR ABSORPSJON - KJEMI - 2025

Et absorpsjonsspekter er det produktet av interaksjon av lys med et materiale eller stoff i noen av dets fysiske tilstander. Men definisjonen går utover et enkelt synlig lys, siden samspillet inkluderer et bredt segment av bølgelengdeområdet og energien til elektromagnetisk stråling.

Derfor kan noen faste stoffer, væsker eller gasser absorbere fotoner med forskjellige energier eller bølgelengder; fra ultrafiolett stråling, etterfulgt av synlig lys, til infrarød stråling eller lys, og tråkker inn i mikrobølgelengder.

Kilde: Circe Denyer via PublicDomainPictures

Det menneskelige øyet oppfatter kun samspillet mellom materie og synlig lys. På samme måte er det i stand til å tenke på diffraksjonen av hvitt lys gjennom et prisme eller et medium i dets fargede komponenter (øvre bilde).

Hvis lysstrålen ble "fanget" etter å ha reist gjennom et materiale og analysert, ville fraværet av visse fargebånd bli funnet; det vil si at svarte striper ble observert i kontrast til bakgrunnen. Dette er absorpsjonsspekteret, og dets analyse er grunnleggende i instrumentell analytisk kjemi og astronomi.

Atomabsorpsjon

Kilde: Almuazi, fra Wikimedia Commons

Det øvre bildet viser et typisk absorpsjonsspektrum for elementer eller atomer. Legg merke til at de svarte båndene representerer de absorberte bølgelengdene, mens de andre er de utsendte. Dette betyr at derimot et atomutslippspektrum ville se ut som et svart bånd med striper med utsendte farger.

Men hva er disse stripene? Hvordan vet jeg kort om atomene tar opp eller avgir (uten å innføre fluorescens eller fosforesens)? Svarene ligger i atomenes tillatte elektroniske tilstander.

Elektroniske overganger og energier

Elektroner kan bevege seg bort fra kjernen og etterlate den positivt ladet mens de går over fra en orbital med lavere energi til en høyere energi. For dette, forklart av kvantefysikk, tar de opp fotoner av en spesifikk energi for å utføre nevnte elektroniske overgang.

Derfor blir energien kvantifisert, og de vil ikke absorbere halvparten eller tre fjerdedeler av et foton, men heller spesifikke frekvensverdier (ν) eller bølgelengder (λ).

Når elektronet er begeistret, forblir det ikke i ubegrenset tid i den elektroniske tilstanden med høyere energi; den frigjør energien i form av et foton, og atomet går tilbake til sin bakken eller opprinnelige tilstand.

Avhengig av om de absorberte fotonene er spilt inn, vil et absorpsjonsspektrum oppnås; og hvis de utsendte fotonene blir spilt inn, vil resultatet være et emisjonsspektrum.

Dette fenomenet kan observeres eksperimentelt hvis gassformede eller forstøvede prøver av et element blir oppvarmet. Ved å sammenligne disse spektraene, kan sammensetningen av en stjerne være kjent, og til og med dens beliggenhet i forhold til jorden.

Synlig spekter

Som det kan sees i de to første bildene, inkluderer det synlige spekteret farger fra fiolett til rødt og alle deres nyanser angående hvor mye materialet tar opp (mørke nyanser).

Bølgelengdene til rødt lys tilsvarer verdier fra 650 nm og utover (til de forsvinner i infrarød stråling). Og ytterst til venstre dekker fiolette og lilla toner bølgelengdeverdier opp til 450 nm. Det synlige spekteret varierer da fra 400 til 700 nm.

Når λ øker, synker fotonets frekvens, og derfor dens energi. Dermed har fiolett lys høyere energi (kortere bølgelengder) enn rødt lys (lengre bølgelengder). Derfor involverer et materiale som tar opp lilla lys elektroniske overganger av høyere energier.

Og hvis materialet tar opp fargen fiolett, hvilken farge vil det gjenspeile? Det vil vises grønngult, noe som betyr at dets elektroner gjør veldig energiske overganger; Selv om materialet tar opp den røde fargen med lavere energi, vil det gjenspeile en blågrønn farge.

Når et atom er veldig stabilt, viser det generelt veldig fjerne elektroniske tilstander i energi; og derfor må du absorbere fotoner med høyere energi for å tillate elektroniske overganger:

Kilde: Gabriel Bolívar

Absorpsjonsspekter av molekyler

Molekyler har atomer, og disse absorberer også elektromagnetisk stråling; elektronene deres er imidlertid en del av den kjemiske bindingen, så overgangene deres er forskjellige. En av de store triumfene i molekylær bane teori er dens evne til å relatere absorpsjonsspektre til kjemisk struktur.

Dermed har enkelt-, dobbelt-, trippel-, konjugerte bindinger og aromatiske strukturer sine egne elektroniske tilstander; og derfor absorberer de veldig spesifikke fotoner.

Ved å ha flere atomer, i tillegg til de intermolekylære interaksjonene, og vibrasjonene i deres bindinger (som også absorberer energi), har absorpsjonsspektrene til molekylene formen "fjell", som indikerer båndene som utgjør bølgelengdene hvor elektroniske overganger forekommer.

Takket være disse spektraene kan en forbindelse karakteriseres, identifiseres og til og med kvantifiseres gjennom multivariat analyse.

Metylenblått

Kilde: Wnt, fra Wikimedia Commons

Det øvre bildet viser spekteret til metylenblå indikator. Som navnet åpenbart indikerer, er det blått i fargen; men kan det sjekkes med sitt absorpsjonsspekter?

Legg merke til at det er bånd mellom bølgelengdene 200 og 300 nm. Mellom 400 og 500 nm er det nesten ingen absorpsjon, det vil si at den ikke tar opp fiolette, blå eller grønne farger.

Imidlertid har det et sterkt absorpsjonsbånd etter 600 nm, og har derfor lavenergi elektroniske overganger som absorberer fotoner med rødt lys.

Følgelig, og gitt de høye verdiene av molære absorpsjonsevner, viser metylenblått en intens blå farge.

Klorofyll a og b

Kilde: Serge Helfrich, fra Wikimedia Commons

Som det kan sees på bildet, tilsvarer den grønne linjen absorpsjonsspekteret av klorofyll a, mens den blå linjen tilsvarer det for klorofyll b.

For det første må man sammenligne båndene der de molare absorpsjonene er størst. i dette tilfellet, til venstre, mellom 400 og 500 nm. Klorofyll a absorberer lilla farger sterkt, mens klorofyll b (blå linje) absorberer blå farger.

Ved å absorbere klorofyll b rundt 460 nm, den blå, reflekteres den gule fargen. På den annen side absorberer den også sterkt nær 650 nm, oransje lys, noe som betyr at den viser fargen blå. Hvis gult og blått blandes, hva er resultatet? Fargen grønn.

Og til slutt absorberer klorofyll a den blåfiolette fargen, og også et rødt lys nær 660 nm. Derfor viser den en grønn farge "myknet" av gul.

referanser

1. Observatoire de Paris. (SF). De forskjellige klasser av spektra. Gjenopprettet fra: media4.obspm.fr
2. Rabanales University Campus. (SF). Spektrofotometri: Absorpsjonsspektre og kolorimetrisk kvantifisering av biomolekyler. . Gjenopprettet fra: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitativ analytisk kjemi (femte utg.). PEARSON, Prentice Hall, s 461-464.
4. Reush W. (nd). Synlig og ultrafiolett spektroskopi. Gjenopprettet fra: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorpsjonsspektrum. Gjenopprettet fra: daviddarling.info
6. Khan Academy. (2018). Absorpsjon / utslippslinjer. Gjenopprettet fra: khanacademy.org