SPECTRUL DE ABSORBȚIE: ABSORBȚIE ATOMICĂ, VIZIBILĂ ȘI MOLECULARĂ - CHIMIE - 2025

Un spectru de absorbție este acel produs al interacțiunii luminii cu un material sau o substanță în oricare dintre stările sale fizice. Dar definiția depășește o lumină vizibilă simplă, deoarece interacțiunea include un segment larg al gamei de lungimi de undă și a energiei radiațiilor electromagnetice.

Prin urmare, unele solide, lichide sau gaze, pot absorbi fotoni de diferite energii sau lungimi de undă; de la radiații ultraviolete, urmată de lumină vizibilă, până la radiații infraroșii sau lumină, pășind în lungimi de undă cu microunde.

Sursa: Circe Denyer prin PublicDomainPictures

Ochiul uman percepe doar interacțiunile materiei cu lumina vizibilă. De asemenea, este capabil să contemple difracția luminii albe printr-o prismă sau un mediu în componentele sale colorate (imaginea superioară).

Dacă raza de lumină ar fi „prinsă” după ce a călătorit printr-un material și analizată, s-ar constata absența anumitor benzi de culori; adică s-ar observa dungi negre contrastând cu fundalul său. Acesta este spectrul de absorbție, iar analiza sa este fundamentală în chimia analitică instrumentală și în astronomie.

Absorbție atomică

Sursa: Almuazi, de la Wikimedia Commons

Imaginea superioară arată un spectru tipic de absorbție pentru elemente sau atomi. Rețineți că benzile negre reprezintă lungimile de undă absorbite, în timp ce celelalte sunt cele emise. Aceasta înseamnă că, în schimb, un spectru de emisii atomice ar arăta ca o bandă neagră cu dungi de culori emise.

Dar ce sunt aceste dungi? Cum să știi pe scurt dacă atomii absorb sau emit (fără a introduce fluorescență sau fosforescență)? Răspunsurile se află în stările electronice permise ale atomilor.

Tranziții și energii electronice

Electronii sunt capabili să se îndepărteze de nucleu lăsându-l încărcat pozitiv în timp ce trece de la o orbită cu energie mai mică la una energetică mai mare. Pentru aceasta, explicate de fizica cuantică, ei absorb fotoni dintr-o energie specifică pentru a realiza tranziția electronică menționată.

Prin urmare, energia este cuantificată și nu vor absorbi jumătate sau trei sferturi dintr-un foton, ci mai degrabă valori specifice ale frecvenței (ν) sau lungimi de undă (λ).

Odată ce electronul este excitat, acesta nu rămâne timp nelimitat în starea electronică de energie mai mare; el eliberează energia sub forma unui foton, iar atomul revine la pământ sau la starea inițială.

În funcție de dacă sunt înregistrați fotonii absorbiți, se va obține un spectru de absorbție; și dacă fotonii emiți sunt înregistrați, atunci rezultatul va fi un spectru de emisie.

Acest fenomen poate fi observat experimental dacă probele gazoase sau atomizate ale unui element sunt încălzite. În astronomie, prin compararea acestor spectre, compoziția unei stele poate fi cunoscută, și chiar locația ei în raport cu Pământul.

Spectru vizibil

După cum se poate observa în primele două imagini, spectrul vizibil include culori de la violet la roșu și toate nuanțele lor în ceea ce privește cât de mult absoarbe materialul (nuanțe întunecate).

Lungimile de undă ale luminii roșii corespund valorilor de la 650 nm înainte (până când dispar în radiații infraroșii). Și pe extrema stângă, tonurile violet și violet acoperă valori ale lungimii de undă de până la 450 nm. Spectrul vizibil variază apoi între 400 și 700 nm aproximativ.

Pe măsură ce λ crește, frecvența fotonului scade și, prin urmare, energia acestuia. Astfel, lumina violetă are o energie mai mare (lungimi de undă mai scurte) decât lumina roșie (lungimi de undă mai lungi). Prin urmare, un material care absoarbe lumina violetă implică tranziții electronice de energii mai mari.

Și dacă materialul absoarbe culoarea violetă, ce culoare va reflecta? Va apărea galben verzui, ceea ce înseamnă că electronii săi fac tranziții foarte energice; În timp ce materialul absoarbe culoarea roșie a energiei inferioare, va reflecta o culoare verde-albăstrui.

Când un atom este foarte stabil, în general prezintă stări electronice foarte îndepărtate în energie; și, prin urmare, va trebui să absorbiți fotoni cu energie mai mare pentru a permite tranziții electronice:

Sursa: Gabriel Bolívar

Spectrul de absorbție al moleculelor

Moleculele au atomi, iar acestea absorb și radiații electromagnetice; cu toate acestea, electronii lor fac parte din legătura chimică, deci tranzițiile lor sunt diferite. Unul dintre marile triumfuri ale teoriei orbitalului molecular este capacitatea sa de a relaționa spectrele de absorbție cu structura chimică.

Astfel, legăturile unice, duble, triple, conjugate și structuri aromatice, au propriile lor stări electronice; și, prin urmare, absorb fotoni foarte specifici.

Având mai mulți atomi, pe lângă interacțiunile intermoleculare și vibrațiile legăturilor lor (care absorb și energie), spectrele de absorbție ale moleculelor au forma de „munți”, care indică benzile care cuprind lungimile de undă unde au loc tranziții electronice.

Datorită acestor spectre, un compus poate fi caracterizat, identificat și chiar, prin analize multivariate, cuantificat.

Albastru de metil

Sursa: Wnt, de la Wikimedia Commons

Imaginea superioară arată spectrul indicatorului albastru de metilen. După cum indică în mod evident numele său, are culoare albastră; dar poate fi verificat cu spectrul său de absorbție?

Rețineți că există benzi între lungimile de undă de 200 și 300 nm. Între 400 și 500 nm nu există aproape nici o absorbție, adică nu absoarbe culorile violete, albastre sau verzi.

Cu toate acestea, are o bandă de absorbție puternică după 600 nm și, prin urmare, are tranziții electronice cu energie redusă care absorb fotoni de lumină roșie.

În consecință, și având în vedere valorile ridicate ale absorbției de molar, albastrul de metilen prezintă o culoare albastră intensă.

Clorofilele a și b

Sursa: Serge Helfrich, de la Wikimedia Commons

După cum se poate observa în imagine, linia verde corespunde spectrului de absorbție al clorofilei a, în timp ce linia albastră corespunde cu cea a clorofilei b.

În primul rând, trebuie comparate benzile în care sunt cele mai mari absorptivitățile molare; în acest caz, cele din stânga, între 400 și 500 nm. Clorofila a absoarbe puternic culorile violet, în timp ce clorofila b (linia albastră) absoarbe culorile albastre.

Prin absorbția clorofilei b în jur de 460 nm, se reflectă culoarea albastră, galbenă. Pe de altă parte, absoarbe puternic și aproape 650 nm, lumină portocalie, ceea ce înseamnă că prezintă culoarea albastru. Dacă se amestecă galben și albastru, care este rezultatul? Culoarea verde.

Și în sfârșit, clorofila a absoarbe culoarea albastru-violet și, de asemenea, o lumină roșie de aproape 660 nm. Prin urmare, prezintă o culoare verde „înmuiată” de galben.

Referințe

1. Observatoire de Paris. (Sf). Diferitele clase de spectre. Recuperat din: media4.obspm.fr
2. Campusul universitar Rabanales. (Sf). Spectrofotometria: spectre de absorbție și cuantificarea colorimetrică a biomoleculelor. . Recuperat din: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Chimie analitică cantitativă (ediția a cincea). PEARSON, Sala Prentice, p 461-464.
4. Reush W. (nd). Spectroscopia vizibilă și ultravioletă. Recuperat din: 2.chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Spectrul de absorbție. Recuperat din: daviddarling.info
6. Academia Khan. (2018). Linii de absorbție / emisii. Recuperat de la: khanacademy.org