АБСОРБЦИОНЕН СПЕКТЪР: АТОМНА, ВИДИМА И МОЛЕКУЛЯРНА АБСОРБЦИЯ - ХИМИЯ - 2025

Един спектър на абсорбция е продукт от взаимодействието на светлината с материал или вещество в някоя от неговите физически състояния. Но определението надхвърля обикновена видима светлина, тъй като взаимодействието включва широк сегмент от обхвата на дължините на вълните и енергията на електромагнитното излъчване.

Следователно някои твърди частици, течности или газове могат да абсорбират фотони с различна енергия или дължина на вълната; от ултравиолетово лъчение, последвано от видима светлина, до инфрачервено лъчение или светлина, стъпвайки в дължини на микровълновата вълна.

Източник: Circe Denyer чрез PublicDomainPictures

Човешкото око възприема само взаимодействията на материята с видимата светлина. По същия начин той е в състояние да съзерцава дифракцията на бялата светлина през призмата или среда в нейните цветни компоненти (горно изображение).

Ако лъчът светлина беше „хванат“, след като е преминал през материал и е анализиран, би било открито отсъствието на определени ленти от цветове; т. е. черните ивици биха се наблюдавали контрастиращи с неговия фон. Това е абсорбционният спектър и неговият анализ е основен в инструменталната аналитична химия и астрономия.

Атомна абсорбция

Източник: Алмуази, от Wikimedia Commons

Горното изображение показва типичен абсорбционен спектър за елементи или атоми. Обърнете внимание, че черните ленти представляват погълнатите дължини на вълната, докато останалите са излъчените. Това означава, че за разлика от този атомно-емисиен спектър би изглеждал като черна лента с ивици от излъчени цветове.

Но какви са тези ивици? Как да разбера накратко дали атомите абсорбират или излъчват (без да въвеждат флуоресценция или фосфоресценция)? Отговорите се крият в разрешените електронни състояния на атомите.

Електронни преходи и енергии

Електроните са в състояние да се отдалечат от ядрото, оставяйки го положително зареден, докато преминават от орбитала с по-ниска енергия към по-висока енергийна. За това, обяснено от квантовата физика, те поглъщат фотони с определена енергия, за да извършат споменатия електронен преход.

Следователно енергията се определя количествено и те не поемат половина или три четвърти от фотона, а специфични честотни стойности (ν) или дължини на вълната (λ).

След като електронът се възбуди, той не остава за неограничено време в електронно състояние на по-висока енергия; той освобождава енергията под формата на фотон и атомът се връща в своето основно или първоначално състояние.

В зависимост от това дали абсорбираните фотони са записани, ще се получи абсорбционен спектър; и ако излъчените фотони са записани, резултатът ще бъде емисионен спектър.

Това явление може да се наблюдава експериментално, ако газообразни или атомизирани проби на даден елемент се нагряват. В астрономията, сравнявайки тези спектри, може да се знае съставът на звезда и дори нейното местоположение спрямо Земята.

Видим спектър

Както се вижда от първите две изображения, видимият спектър включва цветове от виолетово до червено и всичките им нюанси по отношение на това колко материал попива (тъмни нюанси).

Дължините на вълните на червената светлина съответстват на стойности от 650 nm нататък (докато изчезнат при инфрачервено лъчение). А в крайния ляв, виолетов и лилав тон покриват стойности на дължината на вълната до 450 nm. Тогава видимият спектър варира приблизително от 400 до 700 nm.

С увеличаването на λ честотата на фотона намалява и следователно неговата енергия. По този начин виолетовата светлина има по-висока енергия (по-къси дължини на вълната) от червената светлина (по-дълги вълни). Следователно материал, който абсорбира лилавата светлина, включва електронни преходи на по-високи енергии.

И ако материалът абсорбира виолетовия цвят, какъв цвят ще отразява? Той ще изглежда зеленикавожълт, което означава, че неговите електрони правят много енергични преходи; Докато материалът абсорбира червения цвят с по-ниска енергия, той ще отразява синкавозелен цвят.

Когато един атом е много стабилен, той обикновено показва много далечни електронни състояния в енергията; и следователно ще трябва да абсорбирате фотони с по-висока енергия, за да разрешите електронни преходи:

Източник: Габриел Боливар

Абсорбционен спектър на молекулите

Молекулите имат атоми и те също абсорбират електромагнитно излъчване; техните електрони обаче са част от химическата връзка, така че техните преходи са различни. Един от най-големите триумфи на молекулярната орбитална теория е способността й да свързва абсорбционните спектри с химическата структура.

Така единични, двойни, тройни, конюгирани връзки и ароматни структури имат свои собствени електронни състояния; и затова те абсорбират много специфични фотони.

Като имат няколко атома, в допълнение към междумолекулните взаимодействия и вибрациите на техните връзки (които също поглъщат енергия), спектрите на абсорбция на молекулите имат формата на "планини", които обозначават лентите, които съдържат дължините на вълните, където възникват електронни преходи.

Благодарение на тези спектри, съединението може да се характеризира, идентифицира и дори чрез мултиварентен анализ да се определи количествено.

Метиленово синьо

Източник: Wnt, от Wikimedia Commons

Горното изображение показва спектъра на индикатора метиленово синьо. Както очевидно показва името му, той е син цвят; но може ли да се провери с абсорбционния му спектър?

Обърнете внимание, че има дължини между дължините на вълната от 200 до 300 nm. Между 400 и 500 nm почти няма абсорбция, тоест не абсорбира виолетови, сини или зелени цветове.

Въпреки това той има силна абсорбционна лента след 600 nm и следователно има нискоенергийни електронни преходи, които абсорбират фотони на червена светлина.

Следователно и като се имат предвид високите стойности на моларната абсорбция, метиленовото синьо проявява интензивен син цвят.

Хлорофили a и b

Източник: Серж Хелфрих, от Wikimedia Commons

Както може да се види на изображението, зелената линия съответства на абсорбционния спектър на хлорофила a, докато синята линия съответства на тази на хлорофила b.

Първо трябва да се сравнят лентите, където моларните абсорбции са най-големи; в този случай тези вляво, между 400 и 500 nm. Хлорофилът a абсорбира силно лилавите цветове, докато хлорофилът b (синята линия) абсорбира сините цветове.

Чрез усвояване на хлорофил b около 460 nm се отразява синият, жълтият цвят. От друга страна, той също така абсорбира силно близо 650 nm, оранжева светлина, което означава, че проявява синьото синьо. Ако жълто и синьо се смесват, какъв е резултатът? Цветът зелен.

И накрая, хлорофилът a абсорбира синьо-виолетовия цвят, а също и червена светлина, близка до 660 nm. Следователно той проявява зелен цвят, "омекотен" от жълт.

Препратки

1. Observatoire de Paris. (SF). Различните класове спектри. Възстановено от: media4.obspm.fr
2. Университетският университет в Рабаналес. (SF). Спектрофотометрия: Абсорбционни спектри и колориметрично количествено определяне на биомолекули., Възстановени от: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Количествена аналитична химия (пето издание). PEARSON, зала Prentice, стр. 461-464.
4. Reush W. (втори). Видима и ултравиолетова спектроскопия. Възстановена от: 2.chemistry.msu.edu
5. Дейвид Дарлинг. (2016 г.). Абсорбционен спектър. Възстановени от: daviddarling.info
6. Академия Хан. (2018). Линии за абсорбция / емисии Възстановено от: khanacademy.org