СПЕКТР ПОГЛИНАННЯ: АТОМНЕ, ВИДИМЕ ТА МОЛЕКУЛЯРНЕ ПОГЛИНАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Спектр поглинання є те , що продукт взаємодії світла з матеріалом або речовиною в будь-якому з його фізичних станів. Але визначення виходить за рамки простого видимого світла, оскільки взаємодія включає широкий сегмент діапазону довжин хвиль та енергії електромагнітного випромінювання.

Тому деякі тверді речовини, рідини або гази можуть поглинати фотони різної енергії або довжини хвилі; від ультрафіолетового випромінювання з подальшим видимим світлом, до інфрачервоного випромінювання або світла, що переходить у довжину хвиль НВЧ.

Джерело: Circe Denyer через PublicDomainPictures

Людське око сприймає лише взаємодії речовини з видимим світлом. Так само він здатний споглядати дифракцію білого світла через призму або середовище в його кольорових компонентах (верхнє зображення).

Якби промінь світла був «упійманий» після проїзду через матеріал і проаналізований, буде виявлено відсутність певних смуг кольорів; тобто чорні смуги спостерігатимуться контрастно з її фоном. Це спектр поглинання, і його аналіз є основним в інструментальній аналітичній хімії та астрономії.

Атомне поглинання

Джерело: Альмуазі, із Вікімедіа

На верхньому зображенні показаний типовий спектр поглинання елементів або атомів. Зауважимо, що чорні смуги представляють поглинені довжини хвилі, а інші - випромінювані. Це означає, що, навпаки, спектр атомної емісії виглядав би як чорна смуга з смужками випромінюваних кольорів.

Але що це за смуги? Як коротше дізнатись, чи атоми поглинають чи випромінюють (не вводячи флуоресценцію чи фосфоресценцію)? Відповіді лежать у дозволених електронних станах атомів.

Електронні переходи та енергії

Електрони здатні відійти від ядра, залишаючи його позитивно зарядженим під час переходу з орбіталі нижчої енергії до вищої енергії. Для цього, пояснюючи квантовою фізикою, вони поглинають фотони певної енергії для здійснення зазначеного електронного переходу.

Тому енергія квантована, і вони не будуть поглинати половину чи три чверті фотона, а швидше конкретні значення частоти (ν) або довжини хвилі (λ).

Після того, як електрон збуджений, він не залишається необмежений час в електронному стані більш високої енергії; він вивільняє енергію у вигляді фотона, і атом повертається у свій основний або початковий стан.

Залежно від того, записані поглинені фотони, буде отриманий спектр поглинання; і якщо записані фотони записані, то результатом буде спектр випромінювання.

Це явище можна спостерігати експериментально при нагріванні газоподібних або атомізованих зразків елемента. В астрономії, порівнюючи ці спектри, може бути відомий склад зірки та навіть її розташування відносно Землі.

Видимий спектр

Як видно на перших двох зображеннях, видимий спектр включає кольори від фіолетового до червоного та всі їх відтінки щодо того, наскільки матеріал поглинає (темні відтінки).

Довжини хвиль червоного світла відповідають значенням від 650 нм і далі (поки вони не зникнуть в інфрачервоному випромінюванні). А в крайній лівій частині фіолетові та фіолетові тони охоплюють значення довжини хвилі до 450 нм. Тоді видимий спектр коливається приблизно від 400 до 700 нм.

Зі збільшенням λ частота фотона зменшується, а отже, і його енергія. Таким чином, фіолетове світло має більшу енергію (коротша довжина хвилі), ніж червоне світло (більша довжина хвилі). Тому матеріал, який поглинає фіолетове світло, передбачає електронні переходи вищих енергій.

І якщо матеріал поглинає фіолетовий колір, то який колір він буде відображати? Він з’явиться зеленувато-жовтим, що означає, що його електрони здійснюють дуже енергійні переходи; Якщо матеріал поглинає червоний колір нижчої енергії, він буде відображати синювато-зелений колір.

Коли атом дуже стійкий, він, як правило, проявляє дуже віддалені електронні стани в енергії; і тому вам потрібно буде поглинати фотони більш високої енергії, щоб дозволити електронні переходи:

Джерело: Габріель Болівар

Спектр поглинання молекул

Молекули мають атоми, і вони також поглинають електромагнітне випромінювання; однак їхні електрони є частиною хімічного зв’язку, тому їх переходи відрізняються. Одним з найбільших тріумфів теорії молекулярної орбіти є її здатність співвідносити спектри поглинання з хімічною будовою.

Таким чином, одинарні, подвійні, потрійні, сполучені зв’язки та ароматичні структури мають свої електронні стани; і тому вони поглинають дуже специфічні фотони.

Маючи кілька атомів, окрім міжмолекулярних взаємодій та коливань їх зв’язків (які також поглинають енергію), спектри поглинання молекул мають вигляд "гір", які вказують на смуги, що складаються з довжин хвиль, де відбуваються електронні переходи.

Завдяки цим спектрам сполуку можна охарактеризувати, ідентифікувати та навіть за допомогою багатофакторного аналізу оцінити кількісно.

Метиленовий синій

Джерело: Wnt, з Wikimedia Commons

На верхньому зображенні показаний спектр метиленового синього індикатора. Як видно з назви, він синього кольору; але чи можна перевірити його спектром поглинання?

Зауважимо, що між довжинами хвиль 200 та 300 нм є смуги. Між 400 і 500 нм майже не поглинається, тобто він не поглинає фіолетовий, синій або зелений кольори.

Однак він має сильну смугу поглинання після 600 нм, і тому має низькоенергетичні електронні переходи, які поглинають фотони червоного світла.

Отже, і зважаючи на високі значення молярної поглинальної здатності, метиленовий синій проявляє інтенсивний синій колір.

Хлорофіли a і b

Джерело: Серж Гельфріх, з Wikimedia Commons

Як видно із зображення, зелена лінія відповідає спектру поглинання хлорофілу a, тоді як синя лінія відповідає хлорофілу b.

По-перше, слід порівняти смуги, де молярна поглинальна здатність найбільша; в цьому випадку - ліворуч, між 400 і 500 нм. Хлорофіл a сильно вбирає фіолетові кольори, тоді як хлорофіл b (синя лінія) поглинає сині кольори.

Поглинаючи хлорофіл b близько 460 нм, відбивається синій, жовтий колір. З іншого боку, він також сильно поглинає близько 650 нм, помаранчеве світло, а це означає, що він проявляє синій колір. Якщо жовтий і синій змішуються, який результат? Колір зелений.

І нарешті, хлорофіл a поглинає синьо-фіолетовий колір, а також червоне світло, близьке до 660 нм. Тому він виявляє зелений колір, "пом'якшений" жовтим.

Список літератури

1. Обсерваторія Парижа. (sf). Різні класи спектрів. Відновлено з: media4.obspm.fr
2. Кампус університету Рабаналеса. (sf). Спектрофотометрія: спектри поглинання та колориметричне кількісне визначення біомолекул. . Відновлено з: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Кількісна аналітична хімія (п. Ред.). PEARSON, Prentice Hall, p 461-464.
4. Reush W. (другий). Видима та ультрафіолетова спектроскопія. Відновлено з: 2.chemistry.msu.edu
5. Девід Дарлінг. (2016). Спектр поглинання. Відновлено з: daviddarling.info
6. Академія хана. (2018). Лінії поглинання / викидів. Відновлено з: khanacademy.org