Спектроскопия: Взаимодействие на светлината и материята

Химиците изучават как различните форми на електромагнитни лъчения взаимодействат с атомите и молекулите. Това взаимодействие е известно като спектроскопия. Както има различни видове елктромагнитно лъчение, така има и различни видове спектроскопия в зависимост от честотата на светлината, която използваме. Първо ще разгледаме UV-Vis спектроскопия - какво се случва в атомите и молекулите, когато фотони във UV и видимата област на спектъра (с дължина на вълната около $10-700\text{ nm}$‍) бъдат абсорбирани или излъчени.

Вече споменахме, че атомите и молекулите могат да абсорбират фотони и така да абсорбират тяхната енергия. В зависимост от енергията на абсорбирания или излъчен електрон, могат да протекат различни събития. Ще започнем с прост пример, който се случва, когато един водороден атом абсорбира светлина във видимата или УВ област на електромагнитния спектър.

Когато един атом абсорбира УВ фотон или фотон от видимата светлина, енергията на този фотон може да възбуди един от електроните на атома до по-високо енергийно ниво. Това преместване на електрона от по-ниско към по-високо енергийно ниво се нарича преход. За да се получи преход, енергията на абсорбирания фотон трябва да бъде по-голяма или равна на разликата между $2$‍ енергийни нива. След като електронът е възбуден до по-високо енергийно ниво, той е в по-нестабилна позиция, отколкото в основното си ниво. При това положение електронът бързо достига по-ниското енергийно ниво – и правейки това, той отдава фотон с енергия, равна на разликата между енергийните нива. (Това видео в YouTube е чудесен пример за това: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)

В диаграмата горе имаме опростена картина на някои от различните енергийни преходи, които са възможни в нашия водороден атом. Забележи, че колкото по-голям е преходът между енергийните нива, толкова повече енергия се поглъща/отделя. Следователно с по-високоенергийните преходи са свързани фотони с по-висока честота. Например, когато един електрон се премести от трето на второ енергийно ниво, той отделя фотон с червена светлина (с дължина около $700\text{ nm}$‍); когато електрон се премести от шесто енергийно ниво на второ енергийно ниво (по-голям преход), той отделя фотон с лилава светлина (дължина около $400\text{ nm}$‍), която е с по-висока честота (и по-висока енергия) от червената светлина.

Енергийните преходи за електроните на всеки елемент са уникални и различни един от друг. Така с изследване на цветовете на излъчената светлина от определен атом можем да идентифицираме елемента според емисионния спектър. Следват няколко примера за емисионните спектри за някои елементи:

Тъй като всеки емисионен спектър е уникален за даден елемент, можем да мислим за всеки от тези спектри като за "пръстов отпечатък" на този елемент. Тесните ленти индикират конкретната дължина на вълната на излъчената светлина, когато електроните от всеки елемент преминават от възбудено в спокойно състояние. Учените могат да изолират различните дължини на вълните от възбудените атоми през призма, която разделя различните дължини на вълните чрез процеса на рефракция. Без призма не виждаме тези различни дължини на вълните на светлината една по една, а виждаме смес от всички тях. Цветът, отделен от всеки елемент, е различен и често е полезен в лабораторни условия.

В лабораторията често можем да разграничим елементите с помощта на тест пламъка. На изображението е показан характерният зелен пламък, който се получава при изгарянето на мед-съдържащи соли. (Запомни, че това е топлинна енергия - вид електроманитна радиация - която може да възбуди електроните във всеки атом.)

Ако тестваме неизвестна проба в лабораторни условия, за да определим какви елементи съдържа, винаги можем да използваме теста с пламък и да направим заключение според цвета на пламъка. (За повече информация за приложението на тест с пламък гледай това видео: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

Досега говорихме за електронните преходи, които настъпват, когато фотоните в UV-видимата част на спектъра се абсорбират от атоми. Обаче по-ниско енергийната радиация от инфрачервената област (IR) на спектъра може също да предизвика промени в атомите и молекулите. Този вид радиация не е достатъчен, за да възбуди електроните, но химичните връзки в молекулите започват да вибрират по различен начин. Точно както енергията, необходима, за да бъде възбуден електрон от определен атом, е фиксирана, енергията, която е необходима за промяна във вибрацията на конкретна химична връзка, също е фиксирана. С помощта на специално оборудване химиците могат да разгледат абсорбционния IR спектър на конкретна молекула и след това да използват този спектър, за да определят какви видове химични връзки има в тази молекула. Например един химик може да научи от IR спектъра, че молекулата съдържа единични връзки въглерод-въглерод, двойни връзки въглерод-въглерод, единични връзки въглерод-азот, двойни връзки въглерод-кислород и др. Тъй като всяка от тези връзки е различна, всяка ще вибрира по различен начин и ще абсорбира IR радиация с различна дължина на вълната. Така с разглеждането на IR абсорбционния спектър, химикът може да направи важни заключения за структурата на молекулата.

Последният вид спектроскопия, който ще разгледаме, е този, който се използва за определяне на концентрацията на разтвори, които съдържат оцветени съединения. Ако се е случвало да поставиш във вода боя за храна, то вече знаеш, че колкото повече боя слагаш, толкова по-тъмен става разтворът.

Когато разтворът стане по-тъмен, това означава, че абсорбира повече видима светлина. Една от най-често използваните аналитични техники в химията е да се постави разтвор с неизвестна концентрация в спектрометър – устройство, което измерва абсорбцията на разтвора. Абсорбцията се измерва от $0$‍ до $1$‍. Абсорбция нула означава, че цялата светлина преминава през разтвора (разтворът е напълно чист), а абсорбция $1$‍ означава, че светлината не преминава през разтвора (разтворът е напълно непрозрачен). Абсорбцията е свързана с концентрацията на цветни съединения в разтвора според закона на Беер-Ламберт:

Тук $A$‍ е абсорбцията (безразмерно количество), $ϵ$‍ е моларната абсорбционна константа (константа, уникална за всяко съединение, дадена в единици ${\text{M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍), $l$‍ е дължината на контейнера на разтвора (в $\text{cm}$‍), а $c$‍ е концентрацията на разтвора в мол на литър $(\text{M}$‍ или ${\displaystyle \frac{\text{mol}}{\text{L}}})$‍.

Разтвор на меден сулфат с неизвестна концентрация е поставен в спектрометър. Един от учениците намира, че абсорбцията на разтвора е $\mathrm{0,462}$‍. Моларната абсорбционна способност на медния сулфат е $2,81{\text{ M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍, а дължината на пропускане през съда с разтвора е $1,00\text{ cm}$‍.

Първо можем да приложим закона на Беер-Ламберт.

След това разместваме уравнението, за да намерим концентрацията $c$‍.

Накрая можем да заместим дадените стойности и да намерим $c$‍.

Фотоните носят дискретни количества енергия, наречени кванти, които могат да се прехвърлят към атомите и молекулите, когато абсорбират фотоните. В зависимост от честотата на електромагнитното лъчение химиците могат да тестват различни части от структурата на атома или молекулата, като използват различни видове спектроскопия. Фотоните на ултравиолетовата или видимата област на електромагнитния спектър могат да имат достатъчно енергия, за да възбудят електроните. След като тези електрони се върнат в спокойно състояние, се излъчват фотони, а атомът или молекулата ще отделят видима светлина със специфична честота. Тези атомни спектрални емисии могат да се използват (често неформално използвани с тест пламък) за определяне на структурата и идентичността на елемента.

Атомите и молекулите могат да абсорбират и да емитират инфрачервено лъчение с по-ниска честота. ИЧ абсорбционните спектри са полезни на химиците, защото индикират химичната структура на молекулите и видовете връзки в тях. Накрая спектроскопията може да се използва в лабораторни условия за определяне на концентрацията на неизвестни разтвори с прилагането на закона на Беер-Ламберт.