Hlavní obsah
Organická chemie
Unit 14: Lesson 2
Ultrafialovo-viditelná spektroskopieKonjugace a barva
Proč mají konjugované systémy sklon absorbovat světlo ve viditelné oblastí, a tím pádem se nám jeví jako barevné? Tvůrce: Jay.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
Většina organických molekul
je bezbarvá. Příkladem může být
ethen neboli ethylen. Ethen má dva uhlíky. Každý z nich má
hybridizaci sp². Takže každý z těchto
uhlíků má p-orbital. Celkově tu máme dva p-orbitaly
nebo také dva atomové orbitaly. Z těchto dvou atomových orbitalů
vzniknou dva molekulové orbitaly. Vznikne jeden vazebný a jeden
nevazebný molekulový orbital. Vazebný molekulový orbital
má nižší energii. Tady dole je vazebný
molekulový orbital. Antivazebný molekulový
orbital má vyšší energii. Tohle je antivazebný
molekulový orbital. Ethen má dva
pí elektrony. Tyto dva pí elektrony
zvýrazním fialově. Tyto dva pí elektrony obsadí
vazebný molekulový orbital. Takže tento orbital
je obsazený. Také můžeme říct, že tohle je nejvyšší
obsazený orbital, neboli HOMO. Tohle je pak nejnižší neobsazený
molekulový orbital neboli LUMO. Mezi HOMO a LUMO
je tento energetický rozdíl. Tento rozdíl je velmi důležitý,
neboť odpovídá určité vlnové délce světla. Energie se rovná Planckově konstantě krát
rychlost světla děleno vlnovou délkou. Takže energie a vlnová délka
jsou nepřímo úměrné. Takže určité množství energie
odpovídá určité vlnové délce světla. Tento rozdíl energie mezi HOMO
a LUMO odpovídá určité vlnové délce. Ta vlnová délka je asi 171 nm. Když ethen absorbuje světlo
o vlnové délce 171 nm, tak to odpovídá rozdílu energií
mezi HOMO a LUMO. To je dostatek energie
pro jeden z těchto elektronů, aby přeskočil z HOMO do LUMO v rámci
přechodu z orbitalu pí do pí s hvězdičkou. Přechodu
z orbitalu pí do pí s hvězdičkou už jsme se věnovali v prvním videu
zaměřeném na UV/Vis spektroskopii. Určitě se na to video
podívejte před tímto. To je to,
co vidíme u ethenu. Absorbuje světlo
o vlnové délce 171 nm. Teď se pojďme podívat na 1,3-butadien,
který má čtyři uhlíky. Každý z těchto uhlíků
má hybridizaci sp². Takže každý z nich
má p-orbital. Máme tu čtyři p-orbitaly,
takže čtyři atomové orbitaly, ze kterých vzniknou čtyři
molekulové orbitaly. Dva vazebné
a dva antivazebné. Dva vazebné orbitaly mají nižší energii
než dva antivazebné orbitaly. Máme tu celkem
čtyři pí elektrony. Tady jsou dva pí elektrony
a tady jsou další dva, takže celkem
čtyři pí elektrony. Tyto pí elektrony se nachází
ve vazebných molekulových orbitalech. Teď zkusíme najít nejvyšší
obsazený molekulový orbital. Je to tento. A nejnižší neobsazený
molekulový orbital máme tady. Takže tohle je rozdíl energií
mezi HOMO a LUMO. Všimněte si, že tento energetický rozdíl je menší
než tady v předchozím příkladě. Takže když si vzpomeneme na vztah
mezi energií a vlnovou délkou... Energie a vlnová délka
jsou nepřímo úměrné. Pokud se sníží energetický rozdíl,
tak se musí zvýšit vlnový délka. Takže vlnová délka bude delší
než v předchozím případě. Místo 170 nm bude 1,3-butadien bude
absorbovat světlo o vlnové délce 217 nm. Nakonec se podívejme
na 1,3,5-hexatrien. Spočítejme si pí elektrony. Máme tu dva, čtyři,
šest pí elektronů. Těchto šest pí elektronů obsadí
tři vazebné molekulové orbitaly. V dalším kroku určíme nejvyšší
obsazený molekulový orbital a také nejnižší neobsazený
molekulový orbital. Podíváme se na jejich
energetický rozdíl. Všimněte si,
že rozdíl energií se opět zmenšil. Pokud došlo k poklesu
energetického rozdílu, tak se zvýšila vlnová délka
absorbovaného světla. Vlnová délka absorbovaného světla
musí tedy být delší, než je tato. Bude rovna zhruba 258 nm. Takže hexatrien absorbuje světlo
o vlnové délce zhruba 258 nm. To je stále v ultrafialové oblasti
spektra elektromagnetického záření. Takže hexatrien
je také bezbarvý. Aby byla sloučenina barevná, musí
absorbovat světlo ve viditelné oblasti. Toho se dá dosáhnout
pomocí konjugovaných vazeb. Tady tento hexadien
má konjugované vazby. Střídají se dvojná vazba, jednoduchá,
dvojná, jednoduchá a dvojná vazba. Ale stále absorbuje
světlo pouze z UV oblasti. Představte si tedy molekulu, která má mnohem více
konjugovaných vazeb než hexatrien. Více konjugovaných vazeb
vede k prodloužení vlnové délky
absorbovaného světla. Všimněte si toho tady. Zvýšením počtu
konjugovaných vazeb došlo k prodloužení vlnové délky
absorbovaného světla. Pokud budeme mít systém
s velkým množstvím konjugovaných vazeb, tak dojde k absorpci ještě
vyšších vlnových délek. Pokud se dostaneme přes zhruba 400 nm,
tak už to bude ve viditelné oblasti. Taková molekula by se nám
již měla jevit jako barevná. Takhle by to mělo být. Mnoho konjugovaných vazeb
vede k barevnosti molekul. Podívejme se
na betakaroten, o kterém jsem se již
zmínil v předchozím videu. Betakaroten je oranžový. Takže tady máme
oranžovou molekulu. Řekli jsme si, že za barevností
stojí konjugované vazby. Podívejme se na konjugovaný
systém betakarotenu. Prozkoumejme všechny ty střídající se
jednoduché a dvojné vazby. Velké množství konjugovaných
vazeb znamená, že molekula může absorbovat
světlo o delších vlnových délkách. Absorbuje světla ve viditelné oblasti
elektromagnetického spektra. Betakaroten absorbuje modré
světlo a odráží oranžové. Z tohoto důvodu tato molekula
a také mrkev, která ji obsahuje, se jeví jako oranžové. Je za tím konjugace. Pojďme se podívat ještě na jeden příklad,
a to na fenolftalein. Fenolftalein je asi nejznámějším
indikátorem při acidobazických reakcích. Pokud jste absolvovali laboratorní
cvičení z obecné chemie, tak jste určitě používali fenolftalein
jako indikátor při acidobazické titraci. Tak víte, že při nízkém pH, tedy v kyselém
prostředí, je fenolftalein bezbarvý. Ale když přidáme zásadu,
dojde ke zvýšení pH. Při zvýšení pH se objeví
růžové nebo fialové zbarvení. Pojďme si vysvětlit,
proč tomu tak je. Nejprve přidáme
hydroxid sodný. Tady je hydroxidový anion. Sem nakreslím další
hydroxidový anion. Tento kyslík má záporný
náboj minus jedna. Hydroxidový anion
se bude chovat jako zásada. Vezme si tento proton. Takže můžeme vzít tyto elektrony
a přesunout je sem. Tím dojde k přesunu
těchto elektronů sem. Tyto elektrony se
posunou sem. A tyto elektrony
přejdou na kyslík. Další hydroxid si
přitáhne tento proton. A tyto elektrony přejdou
na tento kyslík. Pojďme se zaměřit
na tyto elektrony. Fialové elektrony
se posunou sem. Další elektrony označím modře,
ty se posunou sem. Další elektrony budou zelené,
ty se posunou sem. A máme tu ještě
červené elektrony, které půjdou pryč,
a to na tento kyslík. Takže kyslík bude mít
formální náboj minus jedna. Pokud si hydroxidový anion
přitáhne tento proton, tak tyto elektrony
přejdou na tento kyslík, a ten bude mít formální
náboj minus jedna. Tady se vytvoří ion. Tento ion má růžovou
nebo fialovou barvu. Pokud se na něj podíváme zblízka,
tak uvidíme proč. Podívejte se na
tyto konjugované vazby. Střídá se tu hodně
jednoduchých a dvojných vazeb. Takže dvojná vazba, jednoduchá,
dvojná, jednoduchá a tak dále. Dá se říci,
že celý anion je konjugovaný. Je to velký
konjugovaný systém. Díky tomu může anion
absorbovat světlo ve viditelné oblasti. Proto tu má
růžovou barvu. Můžeme se na to
také podívat z druhé strany. Pokud přidáme kyselinu,
tak bude fenolftalein zase bezbarvý. Důvodem, proč tomu tak je,
je tento uhlík. Zvýrazním ho. Tento uhlík má hybridizaci sp³. Takže nemá p-orbital. V benzenovém jádru
je také několik konjugovaných vazeb. Střídají se tam
jednoduché a dvojné vazby. Ale tyto konjugované vazby jsou
přerušeny na centrálním uhlíku. Konjugované vazby tedy
nejsou na celé molekule. Není tu dost
konjugovaných vazeb, a proto molekula neabsorbuje záření
ve viditelné oblasti spektra. Takže se zdá
být bezbarvá. Podívejme se na tento
uhlík napravo. Označím ho červeně. Tento uhlík má
hybridizaci sp². Takže má p-orbital, který umožňuje
delokalizaci těchto elektronů. Je tu hodně konjugovaných vazeb,
takže molekula bude barevná. Snad vám tohle
video objasnilo, proč jsou konjugované vazby důležité
pro barevnost molekuly.