სპექტროსკოპია: სინათლისა და ნივთიერების ურთიერთქმედება

ქიმიკოსები შეისწავლიან, თუ როგორ ურთიერთქმედებს სხვადასხვა ტიპის ელექტრომაგნიტური რადიაცია ატომებთან და მოლეკულებთან. ამ ურთიერთქმედებას სპექტროსკოპია ეწოდება. ისევე, როგორც არსებობს სხვადასხვა სახის ელექტრომაგნიტური რადიაცია, ასევე არსებობს სპექტროსკოპიის განსხვავებული სახეები, იმის მიხედვით, თუ სინათლის რომელ სიხშირეს ვიყენებთ. პირველ ყოვლისა, ჩვენ განვიხილავთ ულტრაიისფერი სხივების სპექტროსკოპიას, რომელიც მიმდინარეობს ატომებსა და მოლეკულებში, როდესაც ფოტონები ულტრაიისფერი სპექტრიდან (ტალღის სიგრძე $10-700\text{ ნმ}$‍) გამოიყოფიან ან შთაინთქმებიან.

ჩვენ უკვე განვიხილეთ, თუ როგორ შთანთქავენ ატომები და მოლეკულები ფოტონებს, ანუ მათ ენერგიას. ფოტონის მიერ შთანთქმული ან გამოყოფილი ენერგიის მიხედვით, სხვადასხვა მოვლენა შეიძლება მოხდეს. ჩვენ განვიხილავთ მარტივ პროცესს და ვნახავთ, თუ რა მოხდება, როდესაც წყალბადის ატომი შთანთქავს ელექტრომაგნეტური სპექტრის ხილულ ან ულტრაიისფერ რეგიონში არსებულ სინათლეს.

როდესაც ატომი შთანთქავს ულტრაიისფერ ფოტონს ან ხილული სინათლის ფოტონს, ამ ფოტონის ენერგიას შეუძლია, აღაგზნოს ამ ატომის ელექტრონები და გადაიყვანოს უფრო მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე. ელექტრონის ამ მოძრაობას, ანუ დაბალი ენერგეტიკული დონიდან მაღალ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლას, ან მაღალი ენერგეტიკული დონიდან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლას, ტრანზიცია ეწოდება. იმისთვის, რომ ტრანზიცია მოხდეს, შთანთქმული ფოტონის ენერგია უნდა იყოს $2$‍ ენერგეტიკულ დონეს შორის არსებული ენერგიის განსხვავებაზე მეტი ან ტოლი. მიუხედავად ამისა, როდესაც ელექტრონი აღიგზნება, რაც უფრო დიდია ენერგეტიკული დონე, მით უფრო არასტაბილურია ელექტრონის პოზიცია საწყის, რელაქსირებულ მდგომარეობასთან შედარებით. ელექტრონი სწრაფად დაუბრუნდება დაბალ ენერგეტიკულ დონეს და ამის გაკეთებით ის გამოყოფს ფოტონს, რომლის ენერგიაც ენერგეტიკულ დონეების ენერგიებს შორის არსებული განსხვავების ტოლია (ამ ყველაფრის მარტივად წარმოსადგენად, იუთუბის ამ ვიდეოს საკმაოდ კარგი მაგალითი მოჰყავს: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928).

ზედა დიაგრამში გამარტივებულადაა ასახული ჩვენი წყალბადის ატომისთვის შესაძლო გადასვლები სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეს შორის. ყურადღება მიაქციეთ, რომ, რაც უფრო დიდია გადასვლა ენერგეტიკულ დონეებს შორის, მით მეტი ენერგია გამოიყოფა/შთაინთქმება. აქედან გამომდინარე, მაღალსიხშირული ფოტონები გადასცემენ უფრო დიდ ენერგიას. მაგალითად, როდესაც ელექტრონი ჩამოვარდება მესამე ენერგეტიკული დონიდან მეორე ენერგეტიკულ დონეზე, გამოყოფს წითელი სინათლის (ტალღის სიგრძე დაახლოებით $700\text{ ნმ}$‍) ფოტონს; მიუხედავად ამისა, როცა ელექტრონი ვარდება მეექვსე ენერგეტიკული დონიდან მეორე ენერგეტიკულ დონეზე (უფრო დიდი ტრანზიცია), გამოყოფს იისფერი სინათლის ფოტონს (ტალღის სიგრძე დაახლოებით $400\text{ ნმ}$‍), რაც უფრო მეტად მაღალი სიხშირისაა (და მეტი ენერგიის), ვიდრე წითელი სინათლე.

სხვადასხვა ელემენტისთვის ენერგეტიკულ დონეებზე გადასვლის პროცესი განსხვავებული და უნიკალურია. აქედან გამომდინარე, კონკრეტული ატომის მიერ გამოსხივებული სინათლის ფერის მიხედვით, შეგვიძლია, დავადგინოთ, თუ რომელი ელემენტს ეკუთვნის იგი სინათლის გამოყოფის სპექტრის მიხედვით. შემდგომში ნაჩვენებია ფართოდ გავრცელებული ელემენტების გამოსხივების სპექტრების რამდენიმე მაგალითი:

რადგანაც ყოველ ელემენტს გამოსხივების უნიკალური სპექტრი აქვს, თითოეული სპექტრი შეგვიძლია ელემენტის "ანაბეჭდად" წარმოვიდგინოთ. თხელი სალტეები აღნიშნავენ თითოეულ ელემენტში აგზნებული ელექტრონის მაღალი ენერგეტიკული დონიდან დაბალ ენერგეტიკულ დონეზე გადასვლისას გამოყოფილი სინათლის კონკრეტული ტალღის სიგრძეს. მეცნიერებს შეუძლიათ განსხვავებული ტალღის სიგრძეების იზოლაცია აგზნებულ ატომებზე პრიზმის გავლით სინათლის დანათებით. ეს პროცესი გარდატეხვის საშუალებით ერთმანეთისგან გამოაცალკევებს განსხვავებულ ტალღის სიგრძეებს. პრიზმის გარეშე, სინათლის ამ განსხვავებული ტალღების სიგრძეებს არა ცალ-ცალკე, არამედ შერეულად დავინახავთ. მიუხედავად ამისა, თითოეული ელემენტის მიერ გამოსხივებული ფერი საკმაოდ ცხადია, რაც ლაბორატორიაში ხშირად გამოსადეგია.

ლაბორატორიაში სხვადასხვა ელემენტის ერთმანეთისგან გარჩევისთვის შეგვიძლია ალის ტესტის გამოყენება. მომდევნო სურათი გვიჩვენებს სახასიათო მწვანე ფერს, რომელიც სპილენძის ან მისი შემცველი მარილის წვის დროს გვხვდება (გახსოვდეთ, რომ ეს არის სითბოს ენერგია — ელექტრომაგნიტური რადიაციის ერთ-ერთი ტიპის — რომელსაც შეუძლია, აღაგზნოს ელექტრონები თითოეულ ატომში).

როდესაც ლაბორატორიაში გვაინტერესებს, თუ რა ელემენტს შეიცავს ჩვენი ნიმუში, ყოველთვის შეგვიძლია ალის ტესტის ჩატარება და ალის ფერის მიხედვით დასკვნის გამოტანა ნივთიერების შესახებ (ალის ტესტის გამოყენებაზე იხილეთ ეს ვიდეო: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg).

ჯერჯერობით ვილაპარაკეთ ელექტრონული ტრანზიციის შესახებ, რომელიც ხდება ატომების მიერ ულტრაიისფერ ხილულ სპექტრში არსებული ფოტონების შთანთქმის შედეგად. მიუხედავად ამისა, ინფრაწითელ რეგიონში არსებულ დაბალენერგეტიკულ გამოსხივებასაც შეუძლია ატომებსა და მოლეკულებს შორის ცვლილებების გამოწვევა. ამ ტიპის გამოსხივება ელექტრონების აგზნებისთვის საკმარისად ენერგეტიკული არაა, თუმცა შეუძლია მოლეკულათაშორის არსებული ქიმიური ბმების სხვადასხვანაირად რხევა. ისევე, როგორც კონკრეტულ ატომში არსებული ელექტრონის აღგზნებისთვის აუცილებელი ენერგია არის რაღაც განსაზღვრული სიდიდე, კონკრეტული ქიმიური ბმის რხევის ცვლილებისთვის საჭირო ენერგიაც განსაზღვრული სიდიდეა. ლაბორატორიაში სპეციალური მოწყობილობების საშუალებით მეცნიერებს შეუძლიათ, დააკვირდნენ კონკრეტული მოლეკულის ინფრაწითელი აბსორბციის სპექტრს და ეს სპექტრი გამოიყენონ, რათა განსაზღვრონ, თუ რა ტიპის ბმები იქნება მოცემულ მოლეკულაში. მაგალითად, ინფრაწითელი სპექტრის გამოყენებით, ქიმიკოსმა შეიძლება გაიგოს, რომ მოლეკულა შეიცავს ნახშირბად-ნახშირბადის ერთმაგ ბმას, ნახშირბად-ნახშირბადის ორმაგ ბმას, ნახშირბად-აზოტის ერთმაგ ბმას, ნახშირბად-ჟანგბადის ორმაგ ბმას და ა.შ. იმის გამო, რომ ყველა ეს ბმა განსხვავებულია, ყოველი მათგანი სხვადასხვანაირად დაიწყებს რხევას და სხვადასხვა ტალღის სიგრძის ინფრაწითელ გამოსხივებას შთანთქავს. აქედან გამომდინარე, ინფრაწითელ შთანთქმის სპექტრზე დაკვირვებით, ქიმიკოსი მნიშვნელოვან დასკვნებს გააკეთებს მოლეკულის ქიმიური სტრუქტურის შესახებ.

ჩვენ მიერ განხილული სპექტროსკოპიების ბოლო ტიპი გამოიყენება შეფერილი ნაერთების შემცველი ხსნარების კონცენტრაციის დასადგენად. თუ ოდესმე საჭმლის საღებავი წყალში ჩაგისხამთ, ალბათ, უკვე იცით, რომ, რაც უფრო მეტ საღებავს ჩაასხამთ შიგნით, მით უფრო მუქი და მკვეთრი შეფერილობის მქონე ხსნარი გექნებათ.

როდესაც ხსნარი მუქდება, ეს ნიშნავს, რომ ის შთანთქავს უფრო მეტ ხილულ სინათლეს. ყველაზე ცნობილი ანალიზური მეთოდი არის უცნობი კონცენტრაციის მქონე ხსნარის მოთავსება სპექტროფოტომეტრში — აპარატში, რომელიც ზომავს ხსნარის შთანთქმას. შთანთქმა იზომება $0$‍-დან $1$‍-მდე. ნული შთანთქმა ნიშნავს, რომ ხსნარი სრულად ატარებს სინათლეს (ხსნარი აბსოლუტურად სუფთაა). როდესაც შთანთქმა $1$‍-ის ტოლია, ეს ნიშნავს, რომ ხსნარი არ ატარებს არანაირ სინათლეს და სრულად შთანთქავს მას. ხსნარის შთანთქვას კონცენტრაციასთან ბირ-ლამბერტის კანონი აკავშირებს, რაც მდგომარეობს შემდეგში:

სადაც $A$‍ არის შთანთქმა (საზომი ერთეულის გარეშე), $ϵ$‍ არის მოლარული შთანთქმის მუდმივა (თითოეული ნაერთისთივის უნიკალური მუდმივა რომელიც მოცემულია ერთეულში: ${\text{M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍, $l$‍ არის ხსნარის კონტეინერის სიგრძე (იზომება $\text{სმ}$‍-ში) და $c$‍ არის ხსნარის კონცენტრაცია მოლარობაში $(\text{მ}$‍ ან ${\displaystyle \frac{\text{მოლ}}{\text{ლ}}})$‍.

სპილენძ (II)-ის სულფატის უცნობი კონცენტრაციის ხსნარი მოთავსებულია სპექტროფოტომეტრში. სტუდენტმა დაადგინა, რომ ხსნარის შთანთქმა არის $\mathrm{0,462}$‍. სპილენძ (II)-ის სულფატის მოლარული შთანთქმა არის $2,81{\text{ მ}}^{-1}{\text{სმ}}^{-1}$‍-ს ტოლი, ხოლო კონტეინერის სიგრძე $1,00\text{ სმ}$‍-ია.

პირველ ყოვლისა, შეგვიძლია, გამოვიყენოთ ბირ-ლამბერტის კანონი.

შემდგომ სხვანაირად გამოვსახავთ განტოლებას, რათა შევძლოთ კონცენტრაციის, $c$‍-ს პოვნა.

საბოლოოდ, შეგვიძლია, ჩავსვათ ფორმულაში ჩვენთვის ცნობილი მნიშვნელობები და ვიპოვოთ $c$‍.

ფოტონები შეიცავენ გარკვეული რაოდენობის ენერგიას, რომელსაც ჰქვია „კვანტი“ და რომელიც შეიძლება გადაეცეს ატომებსა და მოლეკულებს ფოტონების შთანთქმის დროს. ელექტრომაგნიტური რადიაციის სიხშირიდან გამომდინარე, ქიმიკოსებს შეუძლიათ, სხვადასხვა სახის სპექტროსკოპიით გამოიკვლიონ ატომებისა და მოლეკულების ქიმიური სტრუქტურა. ელექტრომაგნიტური სპექტრის ულტრაიისფერ და ხილულ რეგიონებში არსებულ ფოტონებს აქვთ საკმარისი ენერგია ელექტრონების აგზნებისთვის. როცა ელექტრონები აგზნებულიდან საწყის მდგომარეობას უბრუნდებიან, ისინი გამოასხივებენ ფოტონებს და ატომი ან მოლეკულა გამოსცემს სპეციფიკური სიხშირის ხილულ სინათლეს. ამ ატომური გამოსხივების სპექტრს ხშირად იყენებენ (ხანდახან არაფორმალურად - ალის ტესტის გამოყენებით) ელემენტის ელექტრონული სტრუქტურის შესახებ მეტი ინფორმაციის გასაგებად და ელემენტის ამოსაცნობად.

ატომებსა და მოლეკულებს შეუძლიათ, შთანთქონ ან გამოყონ დაბალი სიხშირის ინფრაწითელი გამოსხივება. ინფრაწითელი გამოსხივების სპექტრი მნიშვნელოვანია ქიმიკოსებისთვის, რადგან ის წარმოდგენას გვიქმნის მოლეკულის ქიმიური სტრუქტურისა და მასში არსებული ქიმიური ბმების შესახებ. საბოლოოდ, სპექტროსკოპია, ბირ-ლამბერტის კანონის მეშვეობით, შეიძლება, გამოვიყენოთ უცნობი ხსნარების კონცენტრაციის დასადგენად.