ABSORPTIONSSPEKTRUM: ATOMISK, SYNLIG OG MOLEKYLÆR ABSORPTION - KEMI - 2025

Et absorptionsspektrum er dette produkt fra interaktion af lys med et materiale eller et stof i nogen af ​​dets fysiske tilstande. Men definitionen går ud over et simpelt synligt lys, da interaktionen inkluderer et bredt segment af området bølgelængder og energi til elektromagnetisk stråling.

Derfor kan nogle faste stoffer, væsker eller gasser absorbere fotoner med forskellige energier eller bølgelængder; fra ultraviolet stråling, efterfulgt af synligt lys, til infrarød stråling eller lys, ind i mikrobølgelængder.

Kilde: Circe Denyer via PublicDomainPictures

Det menneskelige øje opfatter kun interaktion mellem stof og synligt lys. Ligeledes er det i stand til at overveje diffraktionen af ​​hvidt lys gennem et prisme eller et medium i dets farvede komponenter (øverste billede).

Hvis lysstrålen blev "fanget" efter at have rejst gennem et materiale og analyseret, ville fraværet af visse bånd af farver blive fundet; det vil sige, at sorte striber blev observeret i kontrast til dens baggrund. Dette er absorptionsspektret, og dets analyse er grundlæggende i instrumentel analytisk kemi og astronomi.

Atomabsorption

Kilde: Almuazi, fra Wikimedia Commons

Det øverste billede viser et typisk absorptionsspektrum for elementer eller atomer. Bemærk, at de sorte bånd repræsenterer de absorberede bølgelængder, mens de andre er de udsendte. Dette betyder, at derimod et atomemissionsspektrum ville se ud som et sort bånd med striber af udsendte farver.

Men hvad er disse striber? Hvordan kan man kort fortælle, om atomerne absorberer eller udsender (uden at indføre fluorescens eller fosforescens)? Svarene ligger i atomernes tilladte elektroniske tilstande.

Elektroniske overgange og energier

Elektroner er i stand til at bevæge sig væk fra kernen og forlade den positivt ladet, mens de overgår fra en lavere orbital til en højere energi. Til dette, forklaret af kvantefysik, absorberer de fotoner af en bestemt energi til at udføre nævnte elektroniske overgang.

Derfor kvantificeres energien, og de vil ikke absorbere halv eller tre fjerdedele af en foton, men snarere specifikke frekvensværdier (ν) eller bølgelængder (λ).

Når elektronet er ophidset, forbliver det ikke i ubegrænset tid i den elektroniske tilstand med højere energi; det frigiver energien i form af en foton, og atomet vender tilbage til sin jord eller sin oprindelige tilstand.

Afhængigt af om de absorberede fotoner er optaget, opnås et absorptionsspektrum; og hvis de udsendte fotoner optages, vil resultatet være et emissionsspektrum.

Dette fænomen kan observeres eksperimentelt, hvis gasformige eller forstøvede prøver af et element opvarmes. Ved sammenligning af disse spektre kan astronomiens sammensætning kendes, og endda dens placering i forhold til Jorden.

Synligt spektrum

Som det kan ses i de første to billeder, inkluderer det synlige spektrum farver fra violet til rød og alle deres nuancer med hensyn til, hvor meget materialet optager (mørke nuancer).

Bølgelængderne for rødt lys svarer til værdier fra 650 nm og frem (indtil de forsvinder i infrarød stråling). Og yderste til venstre dækker violette og lilla toner bølgelængdeværdier op til 450 nm. Det synlige spektrum varierer derefter fra 400 til 700 nm ca.

Når λ stiger, falder fotonens frekvens, og derfor dens energi. Violet lys har således højere energi (kortere bølgelængder) end rødt lys (længere bølgelængder). Derfor involverer et materiale, der absorberer lilla lys, elektroniske overgange af højere energier.

Og hvis materialet optager farven violet, hvilken farve vil det reflektere? Det vises grøngrønt, hvilket betyder, at dets elektroner foretager meget energiske overgange; Selv om materialet absorberer den røde farve med lavere energi, afspejler det en blågrøn farve.

Når et atom er meget stabilt, udviser det generelt meget fjerne elektroniske tilstande i energi; og derfor bliver du nødt til at absorbere fotoner med højere energi for at tillade elektroniske overgange:

Kilde: Gabriel Bolívar

Absorptionsspektrum af molekyler

Molekyler har atomer, og disse absorberer også elektromagnetisk stråling; deres elektroner er dog en del af den kemiske binding, så deres overgange er forskellige. En af de store triumfer i den molekylære orbitalteori er dens evne til at relatere absorptionsspektre til den kemiske struktur.

Således har enkelt-, dobbelt-, tredobbelt-, konjugerede bindinger og aromatiske strukturer deres egne elektroniske tilstande; og derfor absorberer de meget specifikke fotoner.

Ved at have adskillige atomer ud over de intermolekylære interaktioner og vibrationerne i deres bindinger (som også absorberer energi) har molekylernes absorptionsspektre form af "bjerge", som angiver båndene, der udgør bølgelængderne, hvor elektroniske overgange forekommer.

Takket være disse spektre kan en forbindelse karakteriseres, identificeres og endda kvantificeres gennem multivariat analyse.

Methylenblå

Kilde: Wnt, fra Wikimedia Commons

Det øverste billede viser spektret af den methylenblå indikator. Som navnet tydeligt indikerer, er det blåt i farve; men kan det kontrolleres med dets absorptionsspektrum?

Bemærk, at der er bånd mellem bølgelængderne 200 og 300 nm. Mellem 400 og 500 nm er der næsten ingen absorption, det vil sige, den absorberer ikke violette, blå eller grønne farver.

Det har imidlertid et stærkt absorptionsbånd efter 600 nm og har derfor lavenergi-elektroniske overgange, der absorberer fotoner med rødt lys.

Som følge af de høje værdier for molær absorptionsevne udviser methylenblå følgelig en intens blå farve.

Klorofyler a og b

Kilde: Serge Helfrich, fra Wikimedia Commons

Som det kan ses på billedet, svarer den grønne linje til absorptionsspektret af chlorophyll a, mens den blå linje svarer til den for chlorophyll b.

For det første skal de bånd, hvor de molære absorptionsevne er størst, sammenlignes; i dette tilfælde mellem venstre og mellem 400 og 500 nm. Chlorophyll a absorberer lilla farver stærkt, mens chlorophyll b (blå linje) absorberer blå farver.

Ved at absorbere chlorophyll b omkring 460 nm, den blå, reflekteres den gule farve. På den anden side absorberer den også stærkt nær 650 nm, orange lys, hvilket betyder, at det udviser farven blå. Hvis gul og blå blandes, hvad er resultatet? Farven grøn.

Og endelig absorberer klorofyl a den blå-violette farve og også et rødt lys tæt på 660 nm. Derfor udviser den en grøn farve "blødgjort" med gul.

Referencer

1. Observatoire de Paris. (Sf). De forskellige klasser af spektre. Gendannes fra: media4.obspm.fr
2. Rabanales University Campus. (Sf). Spektrofotometri: Absorptionsspektre og kolorimetrisk kvantificering af biomolekyler.. Gendannes fra: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitativ analytisk kemi (femte udgave). PEARSON, Prentice Hall, s 461-464.
4. Reush W. (nd). Synlig og ultraviolet spektroskopi. Gendannes fra: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorptionsspektrum. Gendannes fra: daviddarling.info
6. Khan Academy. (2018). Absorptions- / emissionslinjer. Gendannet fra: khanacademy.org