ABSORPTIONSSPEKTRUM: ATOMISK, SYNLIG OCH MOLEKYLÄR ABSORPTION - KEMI - 2025

Ett absorptionsspektrum är produkten av ljusets interaktion med ett material eller ett ämne i något av dess fysiska tillstånd. Men definitionen går utöver ett enkelt synligt ljus, eftersom interaktionen inkluderar ett brett segment av våglängderna och energin för elektromagnetisk strålning.

Därför kan vissa fasta ämnen, vätskor eller gaser absorbera fotoner med olika energier eller våglängder; från ultraviolett strålning, följt av synligt ljus, till infraröd strålning eller ljus, klivande in i mikrovåglängder.

Källa: Circe Denyer via PublicDomainPictures

Det mänskliga ögat uppfattar bara interaktion mellan materien och synligt ljus. På samma sätt kan den överväga diffraktionen av vitt ljus genom ett prisma eller ett medium i dess färgade komponenter (övre bild).

Om ljusstrålen "fångades" efter att ha färdats genom ett material och analyserats, skulle frånvaron av vissa färgade band hittas; det vill säga svarta ränder skulle observeras i kontrast till dess bakgrund. Detta är absorptionsspektret och dess analys är grundläggande i instrumentell analytisk kemi och astronomi.

Atomabsorption

Källa: Almuazi, från Wikimedia Commons

Den övre bilden visar ett typiskt absorptionsspektrum för element eller atomer. Observera att de svarta banden representerar de absorberade våglängderna, medan de andra är de utsända. Detta innebär att däremot ett atomutsläppsspektrum skulle se ut som ett svart band med ränder av avgivna färger.

Men vad är dessa ränder? Hur vet jag kort om atomerna absorberar eller avger (utan att införa fluorescens eller fosforescens)? Svaren ligger i tillåtna elektroniska tillstånd i atomerna.

Elektroniska övergångar och energier

Elektroner kan röra sig bort från kärnan och lämna den positivt laddade medan de övergår från en orbital med en lägre energi till en högre energi. För detta, förklarat av kvantfysik, absorberar de fotoner av en specifik energi för att utföra nämnda elektroniska övergång.

Därför kvantifieras energin, och de kommer inte att ta upp halva eller tre fjärdedelar av en foton, utan snarare specifika frekvensvärden (v) eller våglängder (λ).

När elektronen är upphetsad kvarstår den inte i obegränsad tid i det elektroniska tillståndet med högre energi; den frigör energin i form av en foton, och atomen återgår till sin mark eller sitt ursprungliga tillstånd.

Beroende på om de absorberade fotonerna registreras kommer ett absorptionsspektrum att erhållas; och om de emitterade fotonerna spelas in kommer resultatet att vara ett emisspektrum.

Detta fenomen kan observeras experimentellt om gasformiga eller finfördelade prover av ett element upphettas. Genom att jämföra dessa spektra i astronomi kan sammansättningen av en stjärna vara känd och till och med dess placering relativt jorden.

Synligt spektrum

Som man kan se i de första två bilderna inkluderar det synliga spektrumet färger från violetta till röda och alla deras nyanser beträffande hur mycket materialet absorberar (mörka nyanser).

Våglängderna för rött ljus motsvarar värden från 650 nm och framåt (tills de försvinner i infraröd strålning). Och längst till vänster täcker violetta och lila toner våglängdsvärden upp till 450 nm. Det synliga spektrumet sträcker sig sedan från 400 till 700 nm ungefär.

När λ ökar minskar fotonens frekvens, och därför dess energi. Således har violett ljus högre energi (kortare våglängder) än rött ljus (längre våglängder). Därför innebär ett material som absorberar lila ljus elektroniska övergångar av högre energier.

Och om materialet absorberar färgen violett, vilken färg kommer det att återspegla? Det kommer att se gröngul, vilket betyder att dess elektroner gör mycket energiska övergångar; Om materialet tar upp den röda färgen med lägre energi, kommer det att återspegla en blågrön färg.

När en atom är mycket stabil, uppvisar den i allmänhet mycket avlägsna elektroniska tillstånd i energi; och därför måste du absorbera fotoner med högre energi för att tillåta elektroniska övergångar:

Källa: Gabriel Bolívar

Absorptionsspektrum av molekyler

Molekyler har atomer, och dessa absorberar också elektromagnetisk strålning; emellertid är deras elektroner en del av den kemiska bindningen, så deras övergångar är olika. En av de stora triumferna i molekylär omloppsteorin är dess förmåga att relatera absorptionsspektra till kemisk struktur.

Således har enkla, dubbla, tredubbla, konjugerade bindningar och aromatiska strukturer sina egna elektroniska tillstånd; och därför absorberar de mycket specifika fotoner.

Genom att ha flera atomer, förutom de intermolekylära interaktionerna, och vibrationerna i deras bindningar (som också absorberar energi), har absorptionsspektra för molekylerna formen av "berg", som indikerar band som innefattar våglängderna där elektroniska övergångar inträffar.

Tack vare dessa spektra kan en förening karakteriseras, identifieras och även genom multivariat analys kvantifieras.

Metylenblå

Källa: Wnt, från Wikimedia Commons

Den övre bilden visar spektrumet för metylenblåttindikatorn. Som namnet tydligt indikerar är det blått i färg; men kan det kontrolleras med sitt absorptionsspektrum?

Observera att det finns band mellan våglängderna 200 och 300 nm. Mellan 400 och 500 nm finns det nästan ingen absorption, det vill säga den absorberar inte violetta, blå eller gröna färger.

Den har emellertid ett starkt absorptionsband efter 600 nm och har därför lågenergiska elektroniska övergångar som absorberar fotoner med rött ljus.

Följaktligen och med tanke på de höga värdena på molära absorptionsegenskaper uppvisar metylenblått en intensiv blå färg.

Klorofyll a och b

Källa: Serge Helfrich, från Wikimedia Commons

Som framgår av bilden motsvarar den gröna linjen absorptionsspektrumet för klorofyll a, medan den blå linjen motsvarar den för klorofyll b.

Först måste de band där de molära absorptiviteterna är störst jämföras; i detta fall, de till vänster, mellan 400 och 500 nm. Klorofyll a absorberar lila färger starkt, medan klorofyll b (blå linje) absorberar blå färger.

Genom att absorbera klorofyll b runt 460 nm, den blåa, reflekteras den gula färgen. Å andra sidan absorberar den också starkt nära 650 nm, orange ljus, vilket innebär att den har färgen blå. Om gult och blått blandas, vad blir resultatet? Färgen grön.

Och slutligen absorberar klorofyll a den blå-violetta färgen och också ett rött ljus nära 660 nm. Därför uppvisar den en grön färg "mjukad" av gul.

referenser

1. Observatoire de Paris. (Sf). De olika klasserna av spektra. Återställd från: media4.obspm.fr
2. Rabanales University Campus. (Sf). Spektrofotometri: Absorptionsspektra och kolorimetrisk kvantifiering av biomolekyler. . Återställd från: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitativ analytisk kemi (femte upplagan). PEARSON, Prentice Hall, s 461-464.
4. Reush W. (nd). Synlig och ultraviolett spektroskopi. Återställd från: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorptionsspektrum. Återställd från: daviddarling.info
6. Khan akademin. (2018). Absorptions- / utsläppslinjer. Återställd från: khanacademy.org