PHỔ HẤP THỤ: HẤP THỤ NGUYÊN TỬ, KHẢ KIẾN ​​VÀ PHÂN TỬ - HÓA HỌC - 2024

Một quang phổ hấp thụ là sản phẩm của sự tương tác của ánh sáng với một loại vật liệu hoặc chất trong bất kỳ của các quốc gia vật lý của nó. Nhưng định nghĩa vượt ra ngoài một ánh sáng nhìn thấy đơn giản, vì sự tương tác bao gồm một phần rộng của dải bước sóng và năng lượng của bức xạ điện từ.

Do đó, một số chất rắn, lỏng hoặc khí, có thể hấp thụ các photon có năng lượng hoặc bước sóng khác nhau; từ bức xạ tử ngoại, tiếp theo là ánh sáng nhìn thấy, đến bức xạ hồng ngoại hoặc ánh sáng, bước vào bước sóng vi ba.

Nguồn: Circe Denyer qua PublicDomainPictures

Mắt người chỉ cảm nhận được sự tương tác của vật chất với ánh sáng khả kiến. Tương tự như vậy, nó có thể chiêm ngưỡng sự nhiễu xạ của ánh sáng trắng qua lăng kính hoặc môi trường trong các thành phần có màu của nó (hình trên).

Nếu tia sáng bị "bắt" sau khi đi qua một vật liệu và được phân tích, sẽ thấy sự vắng mặt của một số dải màu nhất định; nghĩa là, các sọc đen sẽ được quan sát thấy tương phản với nền của nó. Đây là quang phổ hấp thụ, và phân tích của nó là cơ bản trong hóa học phân tích công cụ và thiên văn học.

Sự hấp thụ nguyên tử

Nguồn: Almuazi, từ Wikimedia Commons

Hình trên cho thấy một phổ hấp thụ điển hình cho các nguyên tố hoặc nguyên tử. Lưu ý rằng các dải màu đen đại diện cho các bước sóng hấp thụ, trong khi các dải khác là các bước sóng phát ra. Điều này có nghĩa là, ngược lại, phổ phát xạ nguyên tử sẽ giống như một dải màu đen với các sọc màu phát ra.

Nhưng những sọc này là gì? Làm thế nào để biết ngắn gọn nếu các nguyên tử hấp thụ hoặc phát xạ (mà không giới thiệu huỳnh quang hoặc lân quang)? Câu trả lời nằm ở trạng thái điện tử được phép của nguyên tử.

Chuyển đổi điện tử và năng lượng

Các electron có thể di chuyển khỏi hạt nhân để lại nó mang điện tích dương trong khi chúng chuyển từ quỹ đạo có năng lượng thấp hơn sang quỹ đạo có năng lượng cao hơn. Đối với điều này, được giải thích bởi vật lý lượng tử, chúng hấp thụ các photon của một năng lượng cụ thể để thực hiện quá trình chuyển đổi điện tử nói trên.

Do đó, năng lượng được lượng tử hóa, và chúng sẽ không hấp thụ một nửa hoặc ba phần tư photon, mà là các giá trị tần số cụ thể (ν) hoặc bước sóng (λ).

Một khi điện tử được kích thích, nó sẽ không tồn tại trong thời gian không giới hạn ở trạng thái điện tử có năng lượng cao hơn; nó giải phóng năng lượng dưới dạng một photon, và nguyên tử trở về trạng thái cơ bản hoặc trạng thái ban đầu.

Tùy thuộc vào việc các photon bị hấp thụ có được ghi lại hay không, sẽ thu được một phổ hấp thụ; và nếu các photon phát ra được ghi lại, thì kết quả sẽ là một phổ phát xạ.

Hiện tượng này có thể quan sát được bằng thực nghiệm nếu đun nóng các mẫu nguyên tử hoặc thể khí của một nguyên tố. Trong thiên văn học, bằng cách so sánh các quang phổ này, có thể biết được thành phần của một ngôi sao, và thậm chí cả vị trí của nó so với Trái đất.

Quang phổ nhìn thấy được

Như có thể thấy trong hai hình ảnh đầu tiên, quang phổ khả kiến ​​bao gồm các màu từ tím đến đỏ và tất cả các sắc thái của chúng liên quan đến mức độ hấp thụ của vật liệu (sắc thái tối).

Các bước sóng của ánh sáng đỏ tương ứng với các giá trị từ 650 nm trở đi (cho đến khi chúng biến mất trong bức xạ hồng ngoại). Và ở cực bên trái, tông màu tím và tím bao gồm các giá trị bước sóng lên đến 450 nm. Quang phổ khả kiến ​​sau đó nằm trong khoảng từ 400 đến 700 nm.

Khi λ tăng, tần số của photon giảm và do đó năng lượng của nó. Như vậy, ánh sáng tím có năng lượng cao hơn (bước sóng ngắn hơn) so với ánh sáng đỏ (bước sóng dài hơn). Do đó, một vật liệu hấp thụ ánh sáng tím liên quan đến sự chuyển đổi điện tử của năng lượng cao hơn.

Và nếu vật liệu hấp thụ màu tím thì nó sẽ phản xạ lại màu gì? Nó sẽ xuất hiện màu vàng lục, có nghĩa là các electron của nó tạo ra các chuyển đổi rất năng lượng; Trong khi nếu vật liệu hấp thụ năng lượng thấp hơn màu đỏ, nó sẽ phản chiếu màu xanh lục.

Khi một nguyên tử rất ổn định, nó thường biểu hiện các trạng thái điện tử rất xa về năng lượng; và do đó bạn sẽ cần hấp thụ các photon năng lượng cao hơn để cho phép chuyển đổi điện tử:

Nguồn: Gabriel Bolívar

Phổ hấp thụ của các phân tử

Phân tử có các nguyên tử, và những nguyên tử này cũng hấp thụ bức xạ điện từ; tuy nhiên, các electron của chúng là một phần của liên kết hóa học, vì vậy sự chuyển đổi của chúng là khác nhau. Một trong những thành công lớn của lý thuyết quỹ đạo phân tử là khả năng liên hệ phổ hấp thụ với cấu trúc hóa học.

Do đó, các liên kết đơn, đôi, ba, liên hợp và cấu trúc thơm, có trạng thái điện tử riêng của chúng; và do đó chúng hấp thụ các photon rất cụ thể.

Bằng cách có một số nguyên tử, ngoài các tương tác giữa các phân tử và dao động của các liên kết của chúng (cũng hấp thụ năng lượng), phổ hấp thụ của các phân tử có dạng "núi", cho biết các dải bao gồm các bước sóng ở đó xảy ra quá trình chuyển đổi điện tử.

Nhờ các quang phổ này, một hợp chất có thể được đặc trưng, ​​xác định và thậm chí, thông qua phân tích đa biến, được định lượng.

Xanh metylen

Nguồn: Wnt, từ Wikimedia Commons

Hình ảnh trên cho thấy quang phổ của chỉ thị xanh metylen. Như tên của nó đã chỉ ra rõ ràng, nó có màu xanh lam; nhưng có thể kiểm tra bằng quang phổ hấp thụ của nó không?

Lưu ý rằng có những dải giữa bước sóng 200 và 300 nm. Giữa 400 và 500 nm hầu như không có sự hấp thụ, tức là nó không hấp thụ các màu tím, xanh lam hoặc xanh lục.

Tuy nhiên, nó có dải hấp thụ mạnh sau 600 nm, và do đó có các chuyển tiếp điện tử năng lượng thấp hấp thụ các photon của ánh sáng đỏ.

Do đó, với các giá trị cao của độ hấp thụ mol, xanh metylen thể hiện màu xanh lam đậm.

Chất diệp lục a và b

Nguồn: Serge Helfrich, từ Wikimedia Commons

Như có thể thấy trong hình, vạch màu xanh lá cây tương ứng với quang phổ hấp thụ của diệp lục a, trong khi vạch màu xanh lam tương ứng với quang phổ hấp thụ của diệp lục b.

Đầu tiên, phải so sánh các dải mà độ hấp thụ mol lớn nhất; trong trường hợp này, những cái ở bên trái, giữa 400 và 500 nm. Chất diệp lục a hấp thụ mạnh màu tím, còn chất diệp lục b (vạch lam) hấp thụ màu xanh lam.

Bằng cách hấp thụ diệp lục b ở khoảng 460 nm, màu xanh lam, màu vàng được phản chiếu. Mặt khác, nó cũng hấp thụ mạnh ánh sáng cam gần 650 nm, nghĩa là nó có màu xanh lam. Nếu màu vàng và màu xanh trộn lẫn, kết quả là gì? Màu xanh lục.

Và cuối cùng, chất diệp lục a hấp thụ màu xanh tím, và cả ánh sáng đỏ ở gần 660 nm. Do đó, nó thể hiện một màu xanh được "làm dịu" bởi màu vàng.

Người giới thiệu

1. Observatoire de Paris. (sf). Các lớp khác nhau của quang phổ. Được khôi phục từ: media4.obspm.fr
2. Khuôn viên Đại học Rabanales. (sf). Spectrophotometry: Phổ hấp thụ và định lượng so màu của các phân tử sinh học. . Phục hồi từ: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Hóa phân tích định lượng (xuất bản lần thứ năm). PEARSON, Prentice Hall, trang 461-464.
4. Reush W. (nd). Quang phổ tử ngoại và nhìn thấy được. Được khôi phục từ: 2.chemistry.msu.edu
5. David anh yêu. (2016). Phổ hấp thụ. Khôi phục từ: daviddarling.info
6. Học viện Khan. (2018). Đường hấp thụ / phát xạ. Phục hồi từ: khanacademy.org