If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Եթե գտնվում ես վեբ զտիչի հետևում, խնդրում ենք համոզվել, որ *.kastatic.org և *.kasandbox.org տիրույթները հանված են արգելափակումից։

Հիմնական նյութ

Սպեկտրաչափություն․ լույսի և նյութի փոխազդեցությունը

Ինչպես ուլտրամանուշակագույն, տեսանելի և ինֆրակարմիր ճառագայթումը կարող է օգտագործվել՝ քիմիական կառուցվածքը և լուծույթների կոնցենտրացիան որոշելու համար

Ծանոթություն սպեկտրոսկոպիայի հետ

Քիմիկոսները ուսումնասիրում են, թե ինչպես են ատոմներն ու մոլեկուլները փոխազդում էլեկտրամագնիսական տարբեր ճառագայթների հետ։ Այս փոխազդեցությունների հետազոտությունը հայտնի է որպես սպեկտրոսկոպիա։ Էլեկտրամագնիսական ալիքների ողջ սպեկտրը բաժանվում է միջակայքերի և ըստ այդ միջակայքերի էլ անվանվում են սպեկտրոսկոպիայի տարատեսակները, կախված օգտագործվող ալիքների հաճախությունից։ Մենք կսկսենք քննարկումը UV-Vis սպեկտրոսկոպիայից, որն ուսումնասիրում է ատոմների ու մոլեկուլների հետ փոփոխությունները, երբ նրանց կողմից կլանվում կամ ճառագայթվում են սպեկտրի ուլտրամանուշակագույն կամ տեսանելի միջակայքի էլեկտրամագնիսական ալիքներ (ալիքի երկարությունը10-700նմ)։

Ուլտրամանուշակագույն-տեսանելի սպեկտրոսկոպիա

Մենք նշել ենք, թե ինչպես ատոմներն ու մոլեկուլները կարող են կլանել ֆոտոնները՝ դրանով իսկ կլանելով նրանց էներգիան: Կախված կլանված կամ արձակված ֆոտոնի էներգիայից, կարող են առաջանալ տարբեր երևույթներ: Մենք կսկսենք հաշվի առնելով այն պարզագույն դեպքը, թե ինչ է տեղի ունենում, երբ ջրածնի ատոմը կլանում է լույսը էլեկտրամագնիսական սպեկտրի տեսանելի կամ ուլտրամանուշակագույն շրջանում:
Երբ ատոմը կլանում է ուլտրամանուշակագույն կամ տեսանելի լույսի ֆոտոն, ասում են, որ այն գրգռվում է, ինչը նշանակում է, որ նրա էլեկտրոններից մեկը անցնում է ավելի բարձր էներգիական մակարդակ։ Այսպես, էլեկտրոնի շարժումը երկու էներգիական մակարդակների միջև․ ցածրից բարձր կամ հակառակը, կոչվում է անցում։ Որպեսզի անցումը տեղի ունենա, կլանված ֆոտոնի էներգիան պետք է մեծ կամ հավասար լինի երկու մակարդակների էներգիաների տարբերությունից։ Այնուամենայնիվ, էլեկտրոնը գրգռված վիճակում ավելի անկայուն է, քան իր հանգստի՝ հիմնական վիճակում։ Արդյունքում այն արագ վերադառնում է ավելի ցածր էներգիական մակարդակ, ճառագայթելով ֆոտոն, որի էներգիան հավասար է այդ երկու մակարդակների էներգիաների տարբերությանը։ (YouTube-ում այս տեսանյութը այս ամենը պատկերելու լավ օրինակ է. https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)
Գրգռված էլեկտրոնները էներգիայի ավելի բարձր մակարդակից ընկնելով 2nd էներգիայի մակարդակը՝ ջրածնի ատոմում կարձակեն տարբեր հաճախությունների ֆոտոններ, և այդպիսով լույսի տարբեր գույներ:
Վերը նշված դիագրամում ունենք մեր ջրածնի ատոմի հնարավոր էներգիայի տարբեր մակարդակի անցումների համար պարզեցված նկար: Ուշադրություն դարձրու, որ որքան մեծ է էներգիայի մակարդակի միջև անցումը, այնքան ավելի շատ էներգիա է կլանված/ արձակված: Հետևաբար, բարձր հաճախությամբ ֆոտոններ կապված են ավելի մեծ էներգիայի անցումների հետ: Օրինակ, երբ էլեկտրոնը էներգիայի երրորդ մակարդակից անցնում է էներգիայի երկրորդ մակարդակ, այն արձակում է կարմիր լույսի ֆոտոն (մոտ 700 nm ալիքի երկարություն); ամեն դեպքում երբ էլեկտրոնը անցնում է էներգիայի վեցերորդ մակարդակից երկրորդ էներգիայի մակարդակ (ավելի մեծ անցում), այն արձակում է մանուշակագույն լույսի ֆոտոն (մոտ 400 nm ալիքի երկարություն), որն ավելի բարձր հաճախականությամբ է (և այդպիսով ավելի մեծ էներգիայով), քան կարմիր լույսը:
Յուրաքանչյուր տարրի էլեկտրոնների համար էներգիայի անցումները եզակի են, և տարբերվում են միմյանցից: Այսպիսով՝ որոշակի ատոմի կողմից արձակվող լույսի գույները ուսումնասիրելով , մենք կարող ենք բացահայտել այդ տարրը՝ հիմնվելով դրա արձակման սպեկտրից: Հետևյալը ցույց է տալիս արձակումների սպեկտրի մի քանի օրինակ որոշ ընդհանուր տարրերի համար.
Ատոմային արձակումների սպեկտրը տարբեր տարրերի համար: Յուրաքանչյուր սպեկտրի յուրաքանչյուր բարակ ժապավեն համապատասխանում է ատոմում էներգիայի մակարդակների միջև մեկ, եզակի անցմանը: Image Rochester Institute of Technology-ի կողմից, CC BY-NC-SA 2,0.
Քանի որ արձակման յուրաքանչյուր սպեկտրը յուրահատուկ է տարրի համար, մենք կարող ենք մտածել, որ այս սպեկտրներից յուրաքանչյուրը նման է յուրաքանչյուր տարրի «մատնահետքին»: Բարակ ժապավենները ցույց են տալիս արձակված լույսի որոշակի ալիքի երկարությունները, երբ յուրաքանչյուր տարրի էլեկտրոնները անցնում են գրգռված վիճակից էներգիայի ավելի ցածր վիճակի: Գիտնականները ի վիճակի են առանձնացնել այս տարբեր ալիքի երկարությունները՝ գրգռված ատոմների լույսը անցկացնելով պրիզմայի միջով, ինչը բաժանում է տարբեր ալիքների երկարությունները բեկման ընթացքում: Առանց պրիզմայի, ամեն դեպքում մենք միանգամից չենք տեսնում լույսի այս տարբեր ալիքների երկարությունները, բայց բոլորը միասին խառնված: Այնուամենայնիվ, յուրաքանչյուր տարրի կողմից արձակված գույնը բավականին հստակ է, ինչը հաճախ օգտակար է լաբորատոր պայմաններում:
Լաբորատորիայում մենք հաճախ կարող ենք տարբերակել տարրերը բոցավառման փորձով: Հետևյալ նկարում երևում է բնորոշ կանաչ բոցը, որը հայտնվում է պղնձի մետաղի կամ պղինձ պարունակող աղերի այրման ժամանակ: (Հիշիր, որ դա ջերմային էներգիան է՝ էլեկտրամագնիսական ճառագայթման մի տեսակ, որը կարող է գրգռել յուրաքանչյուր ատոմում առկա էլեկտրոնները):
Պղնձի յուրաքանչյուր ատոմին յուրահատուկ էլեկտրոնային անցումների շնորհիվ պղնձի մետաղը բոցավառման ենթարկվելիս այրվում է իրեն բնորոշ կանաչ գույնով: Image Wikipedia-ից, CC BY-SA 3,0.
Եթե ​​մենք լաբորատորիայում անհայտ նմուշ ենք փորձարկում, որպեսզի որոշենք, թե որ տարրերն է այն պարունակում, մենք միշտ կարող ենք օգտագործել բոցավառման թեստը և եզրակացություն անել՝ ելնելով մեր կողմից տեսած բոցի գույնից: (Բոցավառման թեստերի օգտագործման վերաբերյալ ավելին իմանալու համար դիտեք այս տեսանյութը. https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

Ենթակարմիր (ԵԿ) սպեկտրոսկոպիա․ Մոլեկուլային տատանումներ

Մինչ այժմ խոսեցինք էլեկտրոնային անցումների մասին, որոնք տեղի են ունենում, երբ սպեկտրի ուլտրամանուշակագույն տեսանելի միջակայքում ֆոտոնները կլանվում են ատոմների կողմից: Այնուամենայնիվ, սպեկտրի ենթակարմիր (ԵԿ) շրջանում ցածր էներգիայի ճառագայթումը կարող է նաև փոփոխություններ առաջացնել ատոմների և մոլեկուլների մեջ: Ճառագայթման այս տեսակը սովորաբար էներգետիկորեն բավարար չէ էլեկտրոնները գրգռելու համար, բայց դա կհանգեցնի մոլեկուլներում քիմիական կապերի տատանմանը տարբեր եղանակներով: Ճիշտ այնպես, ինչպես որոշակի ատոմում էլեկտրոնը գրգռելու համար անհրաժեշտ էներգիան է հաստատուն, այնպես էլ որոշակի քիմիական կապի տատանումը փոխելու համար պահանջվող էներգիան է հաստատուն: Լաբորատորիայում օգտագործելով հատուկ սարքավորումներ՝ քիմիկոսները կարող են դիտել ԵԿ կլանման սպեկտրը որոշակի մոլեկուլի համար և այնուհետև կարող են օգտագործել այդ սպեկտրը մոլեկուլում առկա քիմիական կապերը որոշելու համար։ Օրինակ՝ քիմիկոսը կարող է ԵԿ սպեկտրից իմանալ, որ մոլեկուլը պարունակում է ածխածին-ածխածին միակի կապեր, ածխածին-ածխածին կրկնակի կապեր, ածխածին-ազոտ միակի կապեր, ածխածին-թթվածին կրկնակի կապեր և այլն։ Քանի որ այս կապերը տարբեր են, յուրաքանչյուրը կտատանվի այլ կերպ և լկլանի տարբեր ալիքի երկարության ԵԿ ճառագայթներ: Այսպիսով՝ նայելով ԵԿ կլանման սպեկտրին, քիմիկոսը կարող է որոշ կարևոր եզրակացություններ անել մոլեկուլի քիմիական կառուցվածքի մասին:

Սպեկտրոֆոտոչափություն․ Բիիր-Լամբերտի օրենք

Սպեկտրոսկոպիայի վերջին տեսակը, որը մենք կքննարկենք, այն է, որ օգտագործվում է գունավոր միացություններ պարունակող լուծույթների կոնցենտրացիան որոշելու համար: Եթե ​​երբևէ սննդի ներկանյութ ես լցրել ջրի մեջ, ապա արդեն գիտես, որ որքան ավելի շատ սննդի ներկանյութ լցնես, այնքան ավելի մուգ և ավելի գունավոր է քո լուծույթը դառնում:
Տարբեր կոնցենտրացիաների կալիումի պերմանգանատի (KMnO4) լուծույթներ: Որքան ավելի մեծ է լուծույթի կոնցենտրացիան, այնքան մուգ է դառնում լուծույթը, և այնքան ավելի մեծ է դրա կլանումը: Image Flickr-ից, CC BY 2,0.
Երբ լուծույթը ավելի մուգ է դառնում, դա նշանակում է, որ այն կլանում է ավելի շատ տեսանելի լույս: Քիմիայում ամենատարածված վերլուծական մեթոդներից մեկը անհայտ կոնցենտրացիայի լուծույթը սպեկտրոֆոտաչափի (սարք, որը չափում է լուծույթի կլանումը) մեջ դնելն է։ Կլանումը չափվում է 0-ից մինչև 1։ Զրո կլանումը նշանակում է, որ լույսն ամբողջությամբ անցնում է լուծույթի միջով (լուծոիյթը ամբողջությամբ թափանցիկ է), և 1 կլանումը նշանակում է, որ լուծույթի միջով լույս չի անցնում (լուծումը ամբողջությամբ անթափանց է): Կլանումը կապված է լուծույթում գունավոր հատվածների կոնցենտրացիայի հետ Բիիր-Լամբերտի օրենքով, որը հետևյալն է.
A=ϵlc
Այն դեպքում, երբ A-ն կլանումն է (անսահման քանակություն), ϵ-ը մոլյար կլանման հաստատունն է (հաստատունը եզակի է յուրաքանչյուր միացության համար, որը տրված է M1cm1 միավորներով), l-ն լուծույթի տարայի ուղու երկարությունն է (cm-ով), և c-ն լուծույթի կոնցենտրացինա է մոլյարականությամբ (M, or molL)։

Օրինակ. Գտնել ուծույթի կոնցենտրացիան՝ օգտագործելով Բիիր-Լամբերտի օրենքը։

Անհայտ կոնցենտրացիայով պղնձի (II) սուլֆատի լուծույթը տեղադրվում է սպեկտրոֆոտաչափի մեջ: Աշակերտը գտնում է, որ լուծման կլանումը 0,462 է։ Պղնձի (II) սուլֆատի մոլային կլանումը 2,81 M1cm1 է, և լուծույթի տարայի ուղու երկարությունը 1,00 cm։
Որքա՞ն է լուծույթի կոնցենտրացիան:
Նախ, մենք կարող ենք կիրառել Բիիր-Լամբերտի օրենքը:
A=ϵlc
Հաջորդը, մենք վերադասավորում ենք հավասարումը՝ կոնցենտրացին՝ c, լուծելու համար
c=Aϵl
Վերջում, կարող ենք տեղադրել մեզ տրված արժեքներ ու լուծել c
c=0,462(2,81 M1cm1)×(1,00 cm)=0,164 M

Ամփոփում

Ֆոտոնները կրում են դիսկրետ քանակով էներգիա, որը կոչվում է քվանտ, որը կարող է փոխանցվել ատոմներին և մոլեկուլներին, երբ կլանվեն ֆոտոններ: Կախված էլեկտրամագնիսական ճառագայթման հաճախությունից, քիմիկոսները կարող են հետազոտել ատոմի կամ մոլեկուլի կառուցվածքի տարբեր մասերը՝ օգտագործելով սպեկտրեսկոպիայի տարբեր տեսակներ։ Ֆոտոնները ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների կամ էլեկտրամագնիսական սպեկտրի տեսանելի միջակայքում կարող են ունենալ բավարար էներգիա էլեկտրոնները գրգռելու համար: Երբ այդ էլեկտրոնները վերադառնան իրենց հիմնական վիճակներին, ֆոտոններ կարձակվեն, և ատոմը կամ մոլեկուլը կարձակեն հատուկ հաճախությունների տեսանելի լույս: Այս ատոմային արձակումների սպեկտրները կարող են օգտագործվել (հաճախ ոչ ֆորմալ բոցավառման փորձն օգտագործելով)տարրի էլեկտրոնային կառուցվածքի և ինքնության մասին պատկերացում կազմելու համար:
Ատոմներն ու մոլեկուլները կարող են նաև կլանել և արձակել ավելի ցածր հաճախություն՝ ԵԿ ճառագայթում: ԵԿ կլանման սպեկտրը քիմիկոսների համար օգտակար է, քանի որ նրանք ցույց են տալիս մոլեկուլի քիմիական կառուցվածքը և պարունակած կապերի տեսակները։ Վերջապես, սպեկտրոսկոպիան կարող է օգտագործվել նաև լաբորատորիայում՝ անհայտ լուծումների կոնցենտրացիաները որոշելու համար՝ օգտագործելով Բիիր-Լամբերտի օրենքը:

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Առայժմ հրապարակումներ չկան։
Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: