ABSORPČNÍ SPEKTRUM: ATOMOVÁ, VIDITELNÁ A MOLEKULÁRNÍ ABSORPCE - CHEMIE - 2025

Absorpční spektrum je produktem interakce světla s materiálu nebo látky v některé z jejích fyzikálních stavů. Definice však přesahuje pouhé viditelné světlo, protože interakce zahrnuje široký úsek vlnových délek a energii elektromagnetického záření.

Proto některé pevné látky, kapaliny nebo plyny mohou absorbovat fotony různých energií nebo vlnových délek; od ultrafialového záření, po němž následuje viditelné světlo, po infračervené záření nebo světlo, které vstupuje do mikrovlnných vlnových délek.

Zdroj: Circe Denyer prostřednictvím PublicDomainPictures

Lidské oko vnímá pouze interakce hmoty s viditelným světlem. Stejně tak je schopna uvažovat o difrakci bílého světla hranolem nebo médiem v jeho barevných složkách (horní obrázek).

Pokud by paprsek světla byl „zachycen“ poté, co prošel materiálem a byl analyzován, byla by nalezena absence určitých pruhů barev; to znamená, že černé pruhy by byly pozorovány v kontrastu s jeho pozadím. Toto je absorpční spektrum a jeho analýza je zásadní v instrumentální analytické chemii a astronomii.

Atomová absorpce

Zdroj: Almuazi, z Wikimedia Commons

Horní obrázek ukazuje typické absorpční spektrum pro elementy nebo atomy. Všimněte si, že černé pruhy představují absorbované vlnové délky, zatímco ostatní jsou emitované. To znamená, že na rozdíl od toho by atomové emisní spektrum vypadalo jako černý pás s pruhy emitovaných barev.

Ale jaké jsou tyto pruhy? Jak zkrátka vědět, zda atomy absorbují nebo emitují (bez zavedení fluorescence nebo fosforescence)? Odpovědi leží v povolených elektronických stavech atomů.

Elektronické přechody a energie

Elektrony jsou schopny se vzdálit od jádra a ponechat jej kladně nabité, zatímco přecházejí z nižšího orbitálního na vyšší energetický. Za tímto účelem, vysvětlené kvantovou fyzikou, absorbují fotony o specifické energii k provedení uvedeného elektronického přechodu.

Proto je energie kvantována a nebudou absorbovat polovinu nebo tři čtvrtiny fotonu, ale spíše měrné hodnoty frekvence (ν) nebo vlnové délky (λ).

Jakmile je elektron vzrušený, nezůstává po neomezenou dobu v elektronickém stavu vyšší energie; uvolňuje energii ve formě fotonu a atom se vrací do svého základního nebo původního stavu.

V závislosti na tom, zda jsou absorbované fotony zaznamenány, bude získáno absorpční spektrum; a pokud jsou emitované fotony zaznamenány, výsledkem bude emisní spektrum.

Tento jev lze pozorovat experimentálně, pokud se zahřívají plynné nebo atomizované vzorky prvku. V astronomii, porovnáním těchto spekter, může být známo složení hvězdy, a dokonce i její umístění vzhledem k Zemi.

Viditelné spektrum

Jak je vidět na prvních dvou obrázcích, viditelné spektrum zahrnuje barvy od fialové do červené a všechny jejich odstíny týkající se toho, kolik materiálu absorbuje (tmavé odstíny).

Vlnové délky červeného světla odpovídají hodnotám od 650 nm (dokud nezmizí v infračerveném záření). A na krajní levé straně fialové a fialové tóny pokrývají hodnoty vlnové délky až 450 nm. Viditelné spektrum se potom pohybuje v rozmezí přibližně 400 až 700 nm.

Jak se A zvětšuje, frekvence fotonu klesá, a proto jeho energie. Fialové světlo má tedy vyšší energii (kratší vlnové délky) než červené světlo (delší vlnové délky). Proto materiál absorbující fialové světlo zahrnuje elektronické přechody vyšších energií.

A pokud materiál pohlcuje fialovou barvu, jakou barvu bude odrážet? Objeví se zelenožlutě, což znamená, že jeho elektrony dělají velmi energetické přechody; Zatímco materiál absorbuje nižší energetickou červenou barvu, bude odrážet modrozelenou barvu.

Když je atom velmi stabilní, obvykle vykazuje velmi vzdálené elektronické stavy v energii; a proto budete muset absorbovat fotony s vyšší energií, abyste umožnili elektronické přechody:

Zdroj: Gabriel Bolívar

Absorpční spektrum molekul

Molekuly mají atomy, které také absorbují elektromagnetické záření; jejich elektrony jsou však součástí chemické vazby, takže jejich přechody jsou odlišné. Jednou z velkých triumfů molekulární orbitální teorie je její schopnost spojit absorpční spektra s chemickou strukturou.

Jednoduché, dvojité, trojné, sdružené vazby a aromatické struktury tedy mají své vlastní elektronické stavy; a proto absorbují velmi specifické fotony.

Absorbční spektra molekul mají kromě intermolekulárních interakcí a vibrací jejich vazeb (které také absorbují energii) několik tvarů „hor“, které označují pásy, které obsahují vlnové délky dochází k elektronickým přechodům.

Díky těmto spektrům lze sloučeninu charakterizovat, identifikovat a dokonce kvantifikovat pomocí vícerozměrné analýzy.

Methylenová modř

Zdroj: Wnt, z Wikimedia Commons

Horní obrázek ukazuje spektrum indikátoru methylenové modři. Jak jeho název jasně naznačuje, má modrou barvu; ale lze jej zkontrolovat pomocí absorpčního spektra?

Všimněte si, že existují vlnové délky mezi vlnovými délkami 200 a 300 nm. Mezi 400 a 500 nm není téměř žádná absorpce, to znamená, že neabsorbuje fialové, modré nebo zelené barvy.

Má však silné absorpční pásmo po 600 nm, a proto má nízkoenergetické elektronické přechody, které absorbují fotony červeného světla.

V důsledku toho a vzhledem k vysokým hodnotám molární absorptivity vykazuje methylenová modrá intenzivní modrou barvu.

Chlorofyly aab

Zdroj: Serge Helfrich, z Wikimedia Commons

Jak je vidět na obrázku, zelená čára odpovídá absorpčnímu spektru chlorofylu a, zatímco modrá čára odpovídá spektru chlorofylu b.

Nejprve musí být porovnány pásy, kde jsou molární absorptivity největší; v tomto případě vlevo, mezi 400 a 500 nm. Chlorofyl a absorbuje fialové barvy silně, zatímco chlorofyl b (modrá čára) absorbuje modré barvy.

Absorpcí chlorofylu b kolem 460 nm se odráží modrá a žlutá barva. Na druhé straně také absorbuje silně blízko 650 nm, oranžové světlo, což znamená, že má modrou barvu. Pokud se smíchá žlutá a modrá, jaký je výsledek? Barva zelená.

A konečně chlorofyl a absorbuje modrofialovou barvu a také červené světlo blízké 660 nm. Proto vykazuje zelenou barvu „změkčenou“ žlutou barvou.

Reference

1. Observatoire de Paris. (sf). Různé třídy spektra. Obnoveno z: media4.obspm.fr
2. Univerzitní kampus Rabanales University. (sf). Spektrofotometrie: Absorpční spektra a kolorimetrická kvantifikace biomolekul.. Obnoveno z: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kvantitativní analytická chemie (páté vydání). PEARSON, Prentice Hall, str. 461-464.
4. Znovu spusťte W. (nd). Viditelná a ultrafialová spektroskopie. Obnoveno z: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorpční spektrum. Obnoveno z: daviddarling.info
6. Khan Academy. (2018). Absorpční / emisní potrubí. Obnoveno z: khanacademy.org