If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Pokud používáš webový filtr, ujisti se, že domény: *.kastatic.org and *.kasandbox.org jsou vyloučeny z filtrování.

Hlavní obsah

Spektroskopie: Interakce světla a hmoty

Jak lze UV-Vis a IR záření použít pro určování chemické struktury a koncentrace roztoků

Spektroskopie – úvod

Chemici pomocí spektroskopie zkoumají, jak různé formy elektromagnetického záření interagují s atomy a molekulami. Stejně jako existují různé typy elektromagnetického záření, existují různé druhy spektroskopie v závislosti na frekvenci záření, které používáme. Tuto lekci začneme tím, že si představíme spektroskopii UV-Vis, která sleduje, co se děje při interakci atomů, molekul a iontů a záření v UV a viditelné oblasti spektra (vlnové délky asi 10, minus, 700, start text, space, n, m, end text).

UV-Vis spektroskopie

Atomy a molekuly tedy mohou absorbovat fotony, a tím přijmout jejich energii. V závislosti na energii fotonu, která je pohlcena nebo vyzářena, mohou nastat různé jevy. Začneme na něčem jednodušším: co se stane, když atom vodíku absorbuje světlo ve viditelné nebo UV oblasti elektromagnetického spektra.
Pokud atom absorbuje foton, který vlnovou délkou odpovídá UV nebo viditelnému záření, pak tato energie, kterou tak atom získá, se projeví na jednom z jeho elektronů, který přejde na vyšší energetickou úroveň. Tento přesun elektronu z nižší energetické úrovně na vyšší energetickou hladinu, stejně jako opačný děj z vyšší energetické hladiny zpět na nižší je označován jako přechod. Aby mohlo dojít k přechodu, energie pohlceného elektronu musí být větší nebo rovna rozdílu energie mezi 2 úrovněmi energie. Jakmile je však elektron v excitovaném stavu, tedy s vyšším množství energie, je v méně stabilní pozici, než když byl v základním stavu, kterému se také říká relaxovaný. Elektron se jako takový rychle vrátí zpět na nižší úroveň energie – a přitom dochází k vyzáření fotonu s energií, která se rovná rozdílu v energetických hladinách. (Pro lepší představu doporučujeme toto video na YouTube , protože poskytuje vynikající ukázku: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)
Přechod z vyšších úrovní energie na druhou úroveň energie v vodíkového atom je známý jako Balmerova řada. Čím větší je vzdálenost mezi úrovněmi energie, tím vyšší je frekvence fotonů vyzařovaných při návratu elektronu na nižší energetickou hladinu.
Excitované elektrony, které spadnou z vyšších energetických hladin na 2, start superscript, start text, point, end text, end superscript. hladinu v případě vodíkového atomu vyzáří fotony různých frekvencí, a tedy o různé barvě světla.
Ve výše uvedeném diagramu máme zjednodušené znázornění některých různých možností přechodu u vodíkového atomu. Všimněte si, že čím větší je přechod mezi úrovněmi energie, tím větší je energie absorbovaná/emitovaná; proto jsou fotony s vyšší frekvencí přiřazeny k větším přechodům energie. Například pokud elektron přejde ze třetí úrovně energie na druhou úroveň energie, vyzařuje foton červeného světla (vlnová délka asi 700, start text, space, n, m, end text); pokud však elektron klesne ze šesté energetické úrovně na druhou energetickou úroveň (větší přechod), vyzařuje foton fialového světla (vlnová délka asi 400, start text, space, n, m, end text), tedy o vyšší frekvenci (a tedy bohatší na energii) než červené světlo.
Elektronové přechody mezi energetickými hladinami jsou pro elektrony každého prvku jedinečné a navzájem se liší. Zkoumáme-li tedy barvy světla vyzařovaného konkrétním atomem, můžeme tento prvek identifikovat na základě jeho emisního spektra. Tato tabulka ukazuje několik příkladů emisního spektra pro některé běžné prvky:
Atomová emisní spektra různých prvků – H, He, N, O, Ar, Ne, Xe a Hg.
Atomové emisní emisní spektrum pro různé prvky. Každá tenká čára v jednotlivých spektrech odpovídá jednomu typickému přechodu mezi energetickými hladinami v atomu. [Image](http://spiff. it.edu/classes/phys200/lectures/spectra/spectra.html) z Rochester Institute of Technology, CC BY-NC-SA 2.0.
Vzhledem k tomu, že každé emisní spektrum je pro daný prvek jedinečné, můžeme si to přirovnat k tomu, že takové spektrum je jako „otisk prstu“ daného prvku. Tenké čáry odpovídají konkrétním vlnovým délkám světla, které je vyzářeno, když elektron v daném prvku přejde z excitovaného stavu do nižšího energetického stavu. Vědci jsou schopni tyto různé vlnové délky zachytit pomocí hranolu, který rozkládá světlo vyzařované těmito excitovanými atomy. Dochází tak k tomu, že od sebe odděluje různé vlnové délky. Bez hranolu však tyto různé vlnové délky světla splývají, jakoby se smísí. Přesto je barva jednotlivých prvků poměrně odlišná, což je často užitečné pro uplatnění tohoto jevu ve vědě.
V laboratoři můžeme často rozlišovat jednotlivé prvky pomocí plamenové zkoušky. Následující obrázek ukazuje charakteristický zelený plamen, který se objeví při žíhání kovové mědi nebo soli mědi. (Je dobré si pamatovat, že to je tepelná energie – typ elektromagnetického záření, co zde excituje elektrony v každém atomu.)
Kovová měď při žíhání zbarvuje plamen zeleně.
Díky elektronovým přechodům, které jsou charakteristické pro atomy mědi, zbarvuje při žíhání kovová měď plamen charakteristickou zelenou barvu. Image z Wikipedia, CC BY-SA 3.0.
Pokud zkoumáme v laboratoři neznámý vzorek s cílem zjistit, které prvky obsahuje, vždy můžeme použít plamennou zkoušku a podle zbarvení plamene vyvodit závěry. (O používání plamenné zkoušky je toto video: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

Infračervená (IR) spektroskopie: Vibrace molekul

Zatím jsme se zmínili jen o elektronových přechodech, ke kterým dochází, když fotony absorbované atomy mají energii z viditelné oblasti spektra nebo z oblasti ultrafialového záření. Záření s nižší energií, které je v oblasti infračerveného (IR) spektra však také může působit změny v atomech a molekulách. Tento typ záření obvykle není dostatečně bohatý na energii, aby excitoval elektrony, ale způsobí různé vibrace chemických vazeb v molekule. Stejně jako je energie potřebná k vyvolání elektronového záření v určitém atomu daná, je také dána energie potřebná ke změně vibrací určité chemické vazby. Pomocí speciálního vybavení v laboratoři mohou chemici získat a zobrazit absorpční infračervené spektrum pro určitou molekulu, a může z tohoto spektra stanovit typy chemických vazeb v molekule. Například se můžeme z IR spektra dozvědět, že molekula obsahuje jednoduché vazby typu uhlík-uhlík, dvojné vazby uhlík-uhlík, jednoduché vazby uhlík-dusík, dvojné vazby uhlík-kyslík, atd. Protože je každá z těchto vazeb odlišná, každá z nich vibruje jiným způsobem a absorbuje infračervené (IR) záření odlišných vlnových délek. Z těchto spekter se tedy dají vyvodit základní informace o chemické struktuře molekuly.

Spektrofotometrie a Lambertův-Beerův zákon

Poslední typ spektroskopie, který si zde uvedeme, se používá ke stanovení koncentrace roztoků barevných sloučenin. Když přidáváte postupně potravinářské barvivo do vody, zbarvení roztoku bude čím dál intenzivnější.
Roztoky manganistanu draselného mají charakteristickou temně fialovou barvu. Čím větší je koncentrace left parenthesis, start text, K, M, n, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis, tím tmavší je roztok a tím větší je jeho absorpce.
Roztoky manganistanu draselného left parenthesis, start text, K, M, n, O, end text, start subscript, 4, end subscript, right parenthesis s různými koncentracemi. Čím větší koncentrace, tím tmavší je roztok a větší absorpce. Obrázek z Flickru, CC BY 2.0.
Jak roztok barviva tmavne, znamená to, že pohlcuje více viditelného světla. Jednou z nejčastěji používaných analytických metod v chemii je vkládání vzorku roztoku o neznámé koncentraci do spektrofotometru – zařízení, které měří kolik světla se zachytilo v tomto roztoku. Výsledek se přepočítá na veličinu jménem absorbance, která má obvykle kladnou hodnotu. Pokud je absorbance rovna nule, znamená to, že roztokem zcela projde světlo (roztok je čirý), a absorbance 1 znamená, že roztokem světlo téměř neprochází (konkrétně projde jedna desetina). Absorbance je přímo úměrná koncentraci barevné sloučeniny, délce kyvety, kudy prochází záření, což vyjadřuje Lambertův-Beerův zákon (často označovaný jako Lambert-Beerův):
A, equals, \epsilon, l, c
Kde A je absorbance (bezrozměrná veličina), \epsilon je molární absorpční koeficient (konstanta jedinečná pro každou látku, v jednotkách start text, M, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, c, m, end text, start superscript, minus, 1, end superscript), l (často také b) je vzdálenost, kterou světlo urazí roztokem, která záleží na nádobce zvané kyveta (v start text, c, m, end text), a c je molární koncentrace dané látky v roztoku left parenthesis, start text, M, end text, nebo start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, l, end text, end fraction, right parenthesis.

Příklad: Použití Lambertova-Beerova zákona ke stanovení koncentrace roztoku

Do spektrofotometru je umístěn roztok síranu měďnatého o neznámé koncentraci. Studenti zjistili, že absorbance tohoto roztoku je 0, comma, 462. Molární absorpce síranu měďnatého je 2, comma, 1, start text, space, M, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, c, m, end text, start superscript, minus, 1, end superscript a vzdálenost, kterou záření prochází roztokem, je 1, comma, 0, start text, space, c, m, end text.
Jaká je koncentrace látky v roztoku?
Začneme Lambertovým-Beerovým zákonem.
A, equals, \epsilon, l, c
V následujícím kroku rovnici upravíme tak, že si vyjádříme c.
c, equals, start fraction, A, divided by, \epsilon, l, end fraction
Nakonec dosadíme zadané hodnoty a vypočítáme výsledek.
c, equals, start fraction, 0, comma, 462, divided by, left parenthesis, 2, comma, 81, start text, space, M, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, start cancel, start text, c, m, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, end cancel, right parenthesis, dot, left parenthesis, 1, comma, 00, start cancel, start text, space, c, m, end text, end cancel, right parenthesis, end fraction, equals, 0, comma, 164, start text, space, M, end text

Závěr

Foton mají určité množství energie nazývané kvantum, které může být předáno atomům a molekulám, když je foton absorbován. V závislosti na frekvenci elektromagnetického záření mohou chemici získávat informace o atomu nebo o molekulové struktuře. Používají k tomu různé druhy spektroskopie. Fotony v UV nebo viditelné oblasti spektra mívají dostatek energie k excitaci elektronu, neboli přechodu na vyšší hladinu. Když se tyto elektrony vrací zpět do základních stavů (dochází k tzv. relaxaci), uvolňují se opět fotony, a tedy záření o určitých frekvencích. Atomové emisní spektrum lze použít (i jako jednoduchou plamennou zkoušku) ke zjištění přítomnosti určitého prvku.
Atomy a molekuly mohou rovněž absorbovat a uvolňovat záření o nižší frekvenci, infračervané (IR) záření. Infračervené spektrum je pro chemiky užitečné, protože z nich zjišťují chemickou strukturu molekuly přes informace o typech vazeb, které obsahuje. Spektroskopie může být také použita v laboratoři k určení koncentrací roztoků o neznámé koncentraci pomocí Lambertova-Beerova zákona.