Սպեկտրաչափություն․ լույսի և նյութի փոխազդեցությունը

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)։

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)

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 $700\text{ nm}$‍ ալիքի երկարություն); ամեն դեպքում երբ էլեկտրոնը անցնում է էներգիայի վեցերորդ մակարդակից երկրորդ էներգիայի մակարդակ (ավելի մեծ անցում), այն արձակում է մանուշակագույն լույսի ֆոտոն (մոտ $400\text{ nm}$‍ 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.

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):

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)

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:

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:

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.

Այն դեպքում, երբ $A$‍-ն կլանումն է (անսահման քանակություն), $ϵ$‍-ը մոլյար կլանման հաստատունն է (հաստատունը եզակի է յուրաքանչյուր միացության համար, որը տրված է ${\text{M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍ միավորներով), $l$‍-ն լուծույթի տարայի ուղու երկարությունն է ($\text{cm}$‍-ով), և $c$‍-ն լուծույթի կոնցենտրացինա է մոլյարականությամբ $(\text{M}$‍, or ${\displaystyle \frac{\text{mol}}{\text{L}}})$‍։

Անհայտ կոնցենտրացիայով պղնձի (II) սուլֆատի լուծույթը տեղադրվում է սպեկտրոֆոտաչափի մեջ: Աշակերտը գտնում է, որ լուծման կլանումը $\mathrm{0,462}$‍ է։ Պղնձի (II) սուլֆատի մոլային կլանումը $2,81{\text{ M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍ է, և լուծույթի տարայի ուղու երկարությունը $1,00\text{ cm}$‍։

Նախ, մենք կարող ենք կիրառել Բիիր-Լամբերտի օրենքը:

Հաջորդը, մենք վերադասավորում ենք հավասարումը՝ կոնցենտրացին՝ $c$‍, լուծելու համար

Վերջում, կարող ենք տեղադրել մեզ տրված արժեքներ ու լուծել $c$‍-ը

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: