ABSORPTIONSSPEKTRUM: ATOMARE, SICHTBARE UND MOLEKULARE ABSORPTION - CHEMIE - 2025

Ein Absorptionsspektrum ist das Produkt der Wechselwirkung von Licht mit einem Material oder einer Substanz in einem seiner physikalischen Zustände. Die Definition geht jedoch über ein einfaches sichtbares Licht hinaus, da die Wechselwirkung ein breites Segment des Wellenlängen- und Energiebereichs elektromagnetischer Strahlung umfasst.

Daher können einige Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase Photonen unterschiedlicher Energien oder Wellenlängen absorbieren. von ultravioletter Strahlung, gefolgt von sichtbarem Licht, bis hin zu Infrarotstrahlung oder Licht, das in Mikrowellenwellenlängen eintritt.

Quelle: Circe Denyer über PublicDomainPictures

Das menschliche Auge nimmt nur die Wechselwirkungen von Materie mit sichtbarem Licht wahr. Ebenso ist es möglich, die Beugung von weißem Licht durch ein Prisma oder ein Medium in seinen farbigen Bestandteilen zu betrachten (oberes Bild).

Wenn der Lichtstrahl nach dem Durchlaufen eines Materials "eingefangen" und analysiert würde, würde das Fehlen bestimmter Farbbänder gefunden werden; Das heißt, schwarze Streifen würden im Gegensatz zu ihrem Hintergrund beobachtet. Dies ist das Absorptionsspektrum, und seine Analyse ist von grundlegender Bedeutung für die instrumentelle analytische Chemie und Astronomie.

Atomabsorption

Quelle: Almuazi, aus Wikimedia Commons

Das obere Bild zeigt ein typisches Absorptionsspektrum für Elemente oder Atome. Beachten Sie, dass die schwarzen Bänder die absorbierten Wellenlängen darstellen, während die anderen die emittierten sind. Dies bedeutet, dass ein Atomemissionsspektrum im Gegensatz dazu wie ein schwarzes Band mit Streifen emittierter Farben aussehen würde.

Aber was sind das für Streifen? Wie kann man kurz wissen, ob die Atome absorbieren oder emittieren (ohne Fluoreszenz oder Phosphoreszenz einzuführen)? Die Antworten liegen in den erlaubten elektronischen Zuständen der Atome.

Elektronische Übergänge und Energien

Elektronen können sich vom Kern wegbewegen und ihn positiv laden, während sie von einem Orbital mit niedrigerer Energie zu einem Orbital mit höherer Energie übergehen. Dazu absorbieren sie, erklärt durch die Quantenphysik, Photonen einer bestimmten Energie, um diesen elektronischen Übergang durchzuführen.

Daher wird die Energie quantisiert und sie absorbieren nicht die Hälfte oder Dreiviertel eines Photons, sondern spezifische Frequenzwerte (ν) oder Wellenlängen (λ).

Sobald das Elektron angeregt ist, bleibt es nicht unbegrenzt im elektronischen Zustand höherer Energie; es setzt die Energie in Form eines Photons frei und das Atom kehrt in seinen Grund- oder ursprünglichen Zustand zurück.

Abhängig davon, ob die absorbierten Photonen aufgezeichnet werden, wird ein Absorptionsspektrum erhalten; und wenn die emittierten Photonen aufgezeichnet werden, ist das Ergebnis ein Emissionsspektrum.

Dieses Phänomen kann experimentell beobachtet werden, wenn gasförmige oder zerstäubte Proben eines Elements erhitzt werden. In der Astronomie kann durch Vergleich dieser Spektren die Zusammensetzung eines Sterns und sogar seine Position relativ zur Erde bekannt werden.

Sichtbares Spektrum

Wie in den ersten beiden Bildern zu sehen ist, umfasst das sichtbare Spektrum Farben von Violett bis Rot und alle ihre Schattierungen in Bezug darauf, wie viel das Material absorbiert (dunkle Schattierungen).

Die Wellenlängen des roten Lichts entsprechen Werten ab 650 nm (bis sie in der Infrarotstrahlung verschwinden). Ganz links decken violette und violette Töne Wellenlängenwerte bis zu 450 nm ab. Das sichtbare Spektrum reicht dann ungefähr von 400 bis 700 nm.

Wenn λ zunimmt, nimmt die Frequenz des Photons und damit seine Energie ab. Somit hat violettes Licht eine höhere Energie (kürzere Wellenlängen) als rotes Licht (längere Wellenlängen). Daher beinhaltet ein Material, das lila Licht absorbiert, elektronische Übergänge höherer Energien.

Und wenn das Material die Farbe Violett absorbiert, welche Farbe wird es reflektieren? Es erscheint grünlich-gelb, was bedeutet, dass seine Elektronen sehr energetische Übergänge machen; Wenn das Material die rote Farbe mit niedrigerer Energie absorbiert, reflektiert es eine bläulich-grüne Farbe.

Wenn ein Atom sehr stabil ist, zeigt es im Allgemeinen sehr weit entfernte elektronische Energiezustände; und deshalb müssen Sie Photonen mit höherer Energie absorbieren, um elektronische Übergänge zu ermöglichen:

Quelle: Gabriel Bolívar

Absorptionsspektrum von Molekülen

Moleküle haben Atome, und diese absorbieren auch elektromagnetische Strahlung; Ihre Elektronen sind jedoch Teil der chemischen Bindung, so dass ihre Übergänge unterschiedlich sind. Einer der großen Erfolge der Molekülorbitaltheorie ist ihre Fähigkeit, Absorptionsspektren mit der chemischen Struktur in Beziehung zu setzen.

Somit haben Einfach-, Doppel-, Dreifach-, konjugierte Bindungen und aromatische Strukturen ihre eigenen elektronischen Zustände; und deshalb absorbieren sie sehr spezifische Photonen.

Durch die Anwesenheit mehrerer Atome zusätzlich zu den intermolekularen Wechselwirkungen und den Schwingungen ihrer Bindungen (die auch Energie absorbieren) haben die Absorptionsspektren der Moleküle die Form von "Bergen", die die Banden angeben, aus denen die Wellenlängen bestehen, in denen Es treten elektronische Übergänge auf.

Dank dieser Spektren kann eine Verbindung charakterisiert, identifiziert und sogar durch multivariate Analyse quantifiziert werden.

Methylenblau

Quelle: Wnt, aus Wikimedia Commons

Das obere Bild zeigt das Spektrum des Methylenblau-Indikators. Wie der Name offensichtlich andeutet, hat es eine blaue Farbe; aber kann es mit seinem Absorptionsspektrum überprüft werden?

Beachten Sie, dass es Banden zwischen den Wellenlängen von 200 und 300 nm gibt. Zwischen 400 und 500 nm gibt es fast keine Absorption, dh es absorbiert keine violetten, blauen oder grünen Farben.

Es hat jedoch eine starke Absorptionsbande nach 600 nm und daher energiearme elektronische Übergänge, die Photonen von rotem Licht absorbieren.

Folglich zeigt Methylenblau angesichts der hohen Werte der molaren Absorptionsfähigkeiten eine intensive blaue Farbe.

Chlorophylle a und b

Quelle: Serge Helfrich, aus Wikimedia Commons

Wie im Bild zu sehen ist, entspricht die grüne Linie dem Absorptionsspektrum von Chlorophyll a, während die blaue Linie dem von Chlorophyll b entspricht.

Zunächst müssen die Banden verglichen werden, in denen die molaren Absorptivitäten am größten sind. in diesem Fall die links zwischen 400 und 500 nm. Chlorophyll a absorbiert violette Farben stark, während Chlorophyll b (blaue Linie) blaue Farben absorbiert.

Durch Absorption von Chlorophyll b um 460 nm wird die blaue, gelbe Farbe reflektiert. Andererseits absorbiert es auch orangefarbenes Licht in der Nähe von 650 nm stark, was bedeutet, dass es die Farbe Blau aufweist. Wenn sich Gelb und Blau vermischen, was ist das Ergebnis? Die Farbe grün.

Und schließlich absorbiert Chlorophyll a die blau-violette Farbe und auch ein rotes Licht nahe 660 nm. Daher zeigt es eine grüne Farbe, die durch Gelb "erweicht" wird.

Verweise

1. Observatoire de Paris. (sf). Die verschiedenen Klassen von Spektren. Wiederhergestellt von: media4.obspm.fr
2. Campus der Universität Rabanales. (sf). Spektralphotometrie: Absorptionsspektren und kolorimetrische Quantifizierung von Biomolekülen. . Wiederhergestellt von: uco.es.
3. Day, R. & Underwood, A. (1986). Quantitative Analytical Chemistry (fünfte Ausgabe). PEARSON, Prentice Hall, S. 461-464.
4. Reush W. (nd). Sichtbare und ultraviolette Spektroskopie. Wiederhergestellt von: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorptionsspektrum. Wiederhergestellt von: daviddarling.info
6. Khan Akademie. (2018). Absorptions- / Emissionslinien. Wiederhergestellt von: khanacademy.org