Spekstroskopiya: yorugʻlik va moddaning oʻzaro taʼsirlashishi

Kimyogarlar elektromagnit nurlarining turli shakllari atomlar va molekulalar bilan oʻzaro qanday taʼsirda boʻlishini oʻrganadilar. Ushbu oʻzaro taʼsir spektroskopiya deb ataladi. Elektromagnit nurlanishning har xil turlari boʻlgani kabi biz foydalanadigan yorugʻlik chastotasiga qarab turli xil spektroskopiya mavjud. Muhokamamizni UB spektroskopiyasidan boshlaymiz, yaʼni spektrning ultrabinafsha (UB) va koʻrinadigan diapazonlarida (toʻlqin uzunligi $10-700\text{ nm}$‍) fotonlar yutilayotgan yoki qaytayotganda atomlar va molekulalar ichida nima sodir boʻlishini koʻrib chiqamiz.

Biz atomlar va molekulalar qanday qilib fotonlarni yutishi va shu tarzda ularning energiyasini oʻziga olishi haqida aytib oʻtdik. Fotonning yutilgan yoki chiqaradigan energiyasiga qarab turli xil hodisalar yuz berishi mumkin. Biz vodorod atomi elektromagnit spektrning koʻrinadigan yoki UB sohasida nurni yutganda sodir boʻlishi mumkin boʻlgan eng oddiy holatni koʻrib chiqishdan boshlaymiz.

Agar atom UB fotoni yoki koʻrinadigan nur fotonini yutsa, bu fotonning energiyasi ushbu atom elektronlaridan birini yuqori energetik sathga koʻtarishi mumkin. Elektronning quyi energetik sathdan yuqori energetik sathga yoki yuqoriroq energiya sathidan pastroq energiya sathiga oʻtishining bunday harakati oʻtish deb ataladi. Oʻtish jarayoni sodir boʻlishi uchun yutilgan fotonning energiyasi $2$‍ energetik sath orasidagi energiya farqidan katta yoki unga teng boʻlishi kerak. Biroq elektron qoʻzgʻalgan va yuqori energiya sathida boʻlganida u tinch va turgʻun holatida boʻlganidan koʻra beqarorroq boʻladi. Shunday qilib, elektron tezda pastroq energiya sathiga qaytadi va shu bilan energiya sathlari farqiga teng boʻlgan foton chiqaradi. (Bularning barchasi haqida tasavvurga ega boʻlishni istasangiz, YouTube dagi ushbu video ajoyib namunadir: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)

Yuqoridagi diagrammada vodorod atomi uchun mumkin boʻlgan turli xil energetik sathdagi oʻtishlarning soddalashtirilgan tasviri mavjud. Eʼtibor bering, energetik sathlari orasidagi oʻtish qanchalik katta boʻlsa, shunchalik koʻproq energiya yutiladi/ajraladi. Shuning uchun yuqori chastotali fotonlar katta energetik oʻtishlari bilan bogʻliq. Masalan, elektron uchinchi energetik sathdan ikkinchi energetik sathga tushganda u qizil nur fotonini chiqaradi (toʻlqin uzunligi taxminan $700\text{ nm}$‍); ammo elektron oltinchi energetik sathdan ikkinchi energetik sathga (katta oʻtish) tushganda u qizil nurga qaraganda chastotasi yuqori boʻlgan (va shuning uchun energiyasi ham kattaroq) binafsha nurning fotonini chiqaradi (toʻlqin uzunligi taxminan $400\text{ nm}$‍).

Har bir elementning elektronlari uchun energetik oʻtishlari oʻziga xosdir va ular bir-biridan ajralib turadi. Shunday qilib, maʼlum bir atom tomonidan chiqarilgan nur ranglarini oʻrganish orqali biz uning elementini uning emission spektri asosida aniqlashimiz mumkin. Quyida baʼzi keng tarqalgan elementlar uchun emission spektrlarning bir nechta namunalari keltirilgan:

Har bir emission spektr ayni bir elementga xos boʻlgani sababli biz har bir spektrni maʼlum elementning “barmoq izi” deb hisoblashimiz mumkin. Ingichka chiziqlar har bir elementdagi elektronlar qoʻzgʻalgan holatdan pastroq energiya holatiga tushganda ajralib chiqadigan nurning maʼlum bir toʻlqin uzunligini bildiradi. Olimlar qoʻzgʻalgan atomlardan tarqalayotgan nurning turli xil toʻlqin uzunliklarini ajratishni prizma orqali uddalaydilar, u refraksiya jarayoni orqali turli xil toʻlqin uzunliklarini ajratib beradi. Biroq prizmasiz, biz yorugʻlikning har xil toʻlqin uzunliklarini alohida birma-bir koʻrmaymiz, ammo barchasi bir-biriga uygʻunlashgan holda boʻladi. Shunday boʻlsa-da, har bir element tomonidan chiqarilgan rang yetarlicha farq qiladi, bu odatda laboratoriyada foyda beradi.

Laboratoriyada biz koʻpincha elementlarni olovda sinash orqali ajratib olishimiz mumkin. Quyidagi rasmda mis metalli yoki tarkibida mis mavjud boʻlgan tuzlar yoqilganda paydo boʻladigan xarakterli yashil olov tasvirlangan. (Yodda tuting, issiqlik energiyasi bu – elektromagnit nurlanishining bir turi boʻlib, u har bir atomdagi elektronlarni qoʻzgʻatishga qodir.)

Agar laboratoriyada tarkibidagi elementlarni aniqlash uchun nomaʼlum namunani sinab koʻrsak, biz har doim olov sinovidan foydalanishimiz mumkin va biz koʻrgan olov rangiga asoslanib xulosa chiqarishimiz mumkin. (Olov sinovlarini qoʻllash haqida koʻproq maʼlumot olish uchun ushbu videoni koʻrib chiqing: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

Hozirga qadar biz spektrning UB koʻrinadigan diapazonidagi fotonlar atomlar tomonidan yutilganda paydo boʻladigan elektron oʻtish haqida gaplashdik. Shuningdek, kam energetik nurlanishli infraqizil (IQ) spektri ham atomlar va molekulalar ichida oʻzgarishlarni keltirib chiqarishi mumkin. Ushbu turdagi nurlanish odatda elektronlarni qoʻzgʻatishi uchun yetarlicha quvvatga ega emas, ammo bu molekulalar ichidagi kimyoviy bogʻlarning turli yoʻllar bilan tebranishiga olib keladi. Muayyan atomda elektronni qoʻzgʻatish uchun talab qilinadigan energiya qanday boʻlsa, maʼlum bir kimyoviy bogʻning tebranishini oʻzgartirish uchun talab qilinadigan energiya ham shunday belgilanadi. Laboratoriyada maxsus jihozlardan foydalangan holda kimyogarlar maʼlum bir molekula uchun IQ yutilish spektrini koʻrib chiqishlari mumkin va keyinchalik bu spektrdan molekulada qanday kimyoviy bogʻlar mavjudligini aniqlash uchun foydalanishlari mumkin. Masalan, kimyogar IQ spektridan molekulada uglerod-uglerodli yakka bogʻlar, uglerod-uglerodli qoʻshbogʻlar, uglerod-azotli yakka bogʻlar, uglerod-kislorodli qoʻshbogʻlar borligini bilib olishi mumkin. Ushbu bogʻlanishlarning har biri har xil boʻlgani sababli har biri oʻzgacha tarzda tebranadi va turli toʻlqin uzunliklarida IQ nurlanishini yutadi. Shunday qilib, kimyoviy IQ yutilish spektriga nazar tashlab, molekulaning kimyoviy tuzilishi haqida bir qancha muhim maʼlumotlarni aniqlash mumkin.

Biz koʻrib chiqadigan spektroskopiyaning soʻnggi turi rangli birikmalarni oʻz ichiga olgan eritmalar konsentratsiyasini aniqlash uchun ishlatiladi. Agar siz oldin oziq-ovqat ranglarini suvga solib koʻrgan boʻlsangiz, oziq-ovqat rangini qancha koʻp qoʻshsangiz, eritma toʻqroq va rangdorroq boʻlishini yaxshi bilasiz.

Eritmaning toʻqroq rangga kirishi koʻrinadigan nurning koʻproq yutilishini anglatadi. Kimyoda eng koʻp qoʻllanadigan analitik usullardan biri bu nomaʼlum konsentratsiyali eritmani spektrofotometr – eritmaning yutuvchanligini oʻlchaydigan asbobga joylashtirishdir. Yutuvchanlik $0$‍ dan $1$‍ gacha oʻlchanadi. Yutuvchanlikning nolga tengligi yorugʻlikning eritma orqali toʻliq oʻtishini anglatadi (eritma mutlaq tiniq) va $1$‍ ga teng yutuvchanlik esa eritma orqali yorugʻlik oʻtmasligini anglatadi (eritma mutlaq xira). Yutuvchanlik Ber-Lambert qonuni boʻyicha rangli zarralarning konsentratsiyasiga bogʻliq, yaʼni:

Bu yerda A – yutuvchanlik (oʻlchovsiz kattalik), $ϵ$‍ – molyar singdiruvchanlik doimiysi (har bir-birikma uchun yagona boʻlgan konstanta, ${\text{M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍ birliklarida berilgan), $l$‍ – eritma idishining uzunligi (cm) va $c$‍ esa eritmaning molyar $(\text{M}$‍ yoki ${\displaystyle \frac{\text{mol}}{\text{L}}})$‍ konsentratsiyasi.

Nomaʼlum konsentratsiyali mis (II) sulfat eritmasi spektrofotometrga joylashtirilgan. Talaba eritmaning yutuvchanlik darajasi $0\text{,}462$‍ ekanini aniqladi. Mis (II) sulfatning molyar singdiruvchanligi $2\text{,}81{\text{ M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍ ni tashkil qiladi, eritma idishining uzunligi esa $1\text{,}00\text{ cm}$‍.

Dastlab biz Ber-Lambert qonunidan foydalanamiz.

Soʻng konsentratsiya ($c$‍) ni topish uchun tenglamani oʻzgartiramiz.

Nihoyat, biz berilgan qiymatlarni qoʻyishimiz va $c$‍ ni hisoblashimiz mumkin.

Fotonlar kvant deb nomlangan diskret hajmdagi energiyani olib yuradi, bu energiya fotonlar yutilganida atomlar va molekulalarga oʻtkazilishi mumkin. Elektromagnit nurlanish chastotasiga qarab kimyogarlar turli xil spektroskopiya yordamida atom yoki molekula tuzilishining turli qismlarini tekshirishlari mumkin. UB yoki EM spektrining koʻrinadigan diapazonidagi fotonlar elektronlarni qoʻzgʻatish uchun yetarli energiyaga ega boʻlishi mumkin. Ushbu elektronlar oʻzlarining dastlabki turgʻun holatiga qaytganida fotonlar ajraladi va atom yoki molekula maʼlum chastotalarning koʻzga koʻrinadigan nurini qaytaradi. Ushbu atom emission spektrlaridan (koʻpincha erkin ravishda olov sinovi qoʻllanganda) elementning elektron tuzilishini oʻrganish va qaysi elementligini aniqlashda foydalanish mumkin.

Atomlar va molekulalar past tebranishli IQ nurlanishni yutishi va chiqarishi mumkin. IQ yutilish spektrlari kimyogarlar uchun foydalidir, chunki ular molekulaning kimyoviy tuzilishini va tarkibidagi bogʻlanish turlarini koʻrsatadi. Va nihoyat, laboratoriyada Ber-Lambert qonunidan foydalanib, spektroskopiya yordamida nomaʼlum eritmalar konsentratsiyasini aniqlashimiz mumkin.