СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ: АТОМНОЕ, ВИДИМОЕ И МОЛЕКУЛЯРНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Спектр поглощения является то , что продукт взаимодействия света с материалом или веществом в любом из его физических состояний. Но это определение выходит за рамки простого видимого света, поскольку взаимодействие включает широкий сегмент диапазона длин волн и энергии электромагнитного излучения.

Следовательно, некоторые твердые тела, жидкости или газы могут поглощать фотоны разной энергии или длины волны; от ультрафиолетового излучения, за которым следует видимый свет, до инфракрасного излучения или света, переходящего в микроволновые волны.

Источник: Цирце Денайер через PublicDomainPictures

Человеческий глаз воспринимает взаимодействие материи только с видимым светом. Точно так же он может наблюдать дифракцию белого света через призму или среду в своих цветных компонентах (верхнее изображение).

Если бы луч света был «пойман» после прохождения через материал и проанализирован, было бы обнаружено отсутствие определенных цветных полос; то есть наблюдались бы черные полосы, контрастирующие с фоном. Это спектр поглощения, и его анализ является фундаментальным в инструментальной аналитической химии и астрономии.

Атомная абсорбция

Источник: Альмуази, из Wikimedia Commons.

На верхнем изображении показан типичный спектр поглощения элементов или атомов. Обратите внимание, что черные полосы представляют собой поглощенные длины волн, а остальные - излучаемые. Это означает, что, напротив, спектр атомной эмиссии будет выглядеть как черная полоса с полосами излучаемых цветов.

Но что это за полосы? Как вкратце узнать, поглощают ли атомы или излучают (без введения флуоресценции или фосфоресценции)? Ответы лежат в разрешенных электронных состояниях атомов.

Электронные переходы и энергии

Электроны могут удаляться от ядра, оставляя его положительно заряженным, в то время как они переходят с орбитали с более низкой энергией на орбиталь с более высокой энергией. Для этого, как объясняет квантовая физика, они поглощают фотоны определенной энергии для осуществления указанного электронного перехода.

Следовательно, энергия квантуется, и они не будут поглощать половину или три четверти фотона, а будут поглощать определенные значения частоты (ν) или длины волны (λ).

Когда электрон возбужден, он не остается неограниченное время в электронном состоянии с более высокой энергией; он высвобождает энергию в виде фотона, и атом возвращается в свое основное или исходное состояние.

В зависимости от того, регистрируются ли поглощенные фотоны, будет получен спектр поглощения; и если излучаемые фотоны записываются, то результатом будет спектр излучения.

Это явление можно наблюдать экспериментально при нагревании газообразных или распыленных образцов элемента. В астрономии, сравнивая эти спектры, можно узнать состав звезды и даже ее положение относительно Земли.

Видимый спектр

Как видно на первых двух изображениях, видимый спектр включает цвета от фиолетового до красного и все их оттенки в зависимости от того, сколько материала поглощает (темные оттенки).

Длины волн красного света соответствуют значениям от 650 нм и далее (пока они не исчезнут в инфракрасном излучении). А крайний слева фиолетовый и пурпурный тона покрывают значения длины волны до 450 нм. Тогда видимый спектр колеблется приблизительно от 400 до 700 нм.

С увеличением λ частота фотона уменьшается, а следовательно, и его энергия. Таким образом, фиолетовый свет имеет более высокую энергию (более короткие длины волн), чем красный свет (более длинные волны). Следовательно, материал, который поглощает фиолетовый свет, включает электронные переходы более высоких энергий.

И если материал поглотит фиолетовый цвет, какой цвет он будет отражать? Он будет зеленовато-желтым, что означает, что его электроны совершают очень энергичные переходы; Если материал поглощает красный цвет с более низкой энергией, он будет отражать голубовато-зеленый цвет.

Когда атом очень стабилен, он обычно демонстрирует очень далекие электронные состояния по энергии; и, следовательно, вам нужно будет поглощать фотоны с более высокой энергией, чтобы позволить электронные переходы:

Источник: Габриэль Боливар

Спектр поглощения молекул

В молекулах есть атомы, которые также поглощают электромагнитное излучение; однако их электроны являются частью химической связи, поэтому их переходы различны. Одним из величайших достижений теории молекулярных орбиталей является ее способность связывать спектры поглощения с химической структурой.

Таким образом, одинарные, двойные, тройные, сопряженные связи и ароматические структуры имеют свои собственные электронные состояния; и поэтому они поглощают очень специфические фотоны.

Имея несколько атомов, в дополнение к межмолекулярным взаимодействиям и колебаниям их связей (которые также поглощают энергию), спектры поглощения молекул имеют форму «гор», которые указывают полосы, составляющие длины волн, где происходят электронные переходы.

Благодаря этим спектрам соединение можно охарактеризовать, идентифицировать и даже с помощью многомерного анализа дать количественную оценку.

Метиленовый синий

Источник: Wnt, из Wikimedia Commons

На верхнем изображении показан спектр индикатора метиленового синего. Как видно из названия, он синего цвета; но можно ли это проверить по спектру поглощения?

Обратите внимание, что есть полосы между длинами волн от 200 до 300 нм. Между 400 и 500 нм поглощение практически отсутствует, то есть он не поглощает фиолетовый, синий или зеленый цвета.

Однако он имеет сильную полосу поглощения после 600 нм и, следовательно, имеет низкоэнергетические электронные переходы, которые поглощают фотоны красного света.

Следовательно, при высоких значениях молярной поглощающей способности метиленовый синий имеет интенсивный синий цвет.

Хлорофиллы а и б

Источник: Серж Хелфрич, Wikimedia Commons.

Как видно на изображении, зеленая линия соответствует спектру поглощения хлорофилла a, а синяя линия соответствует спектру поглощения хлорофилла b.

Во-первых, необходимо сравнить полосы с наибольшими молярными коэффициентами поглощения; в данном случае те, что слева, между 400 и 500 нм. Хлорофилл a сильно поглощает фиолетовые цвета, а хлорофилл b (синяя линия) поглощает синие цвета.

Поглощая хлорофилл b около 460 нм, синий, желтый цвета отражаются. С другой стороны, он также сильно поглощает оранжевый свет около 650 нм, что означает, что он имеет синий цвет. Если смешать желтый и синий, каков результат? Цвет зеленый.

И, наконец, хлорофилл а поглощает сине-фиолетовый цвет, а также красный свет, близкий к 660 нм. Таким образом, он имеет зеленый цвет, «смягченный» желтым.

Ссылки

1. Observatoire de Paris. (SF). Разные классы спектров. Получено с: media4.obspm.fr
2. Кампус университета Рабаналес. (SF). Спектрофотометрия: спектры поглощения и колориметрическое количественное определение биомолекул. , Получено с: uco.es
3. Дэй Р. и Андервуд А. (1986). Количественная аналитическая химия (пятое изд.). ПИРСОН, Прентис Холл, стр. 461-464.
4. Руш У. (nd). Видимая и ультрафиолетовая спектроскопия. Получено с: 2.chemistry.msu.edu
5. Дэвид Дарлинг. (2016). Спектр поглощения. Получено с: daviddarling.info
6. Ханская академия. (2018). Линии поглощения / излучения. Получено с: khanacademy.org