Hlavní obsah
Organická chemie
Unit 14: Lesson 2
Ultrafialovo-viditelná spektroskopieUltrafialovo-viditelná spektroskopie
Úvod do ultrafialovo-viditelné (UV/VIS) spektroskopie. Jak nám tato analytická metoda pomáhá analyzovat elektrony v pí orbitalech a odhalovat nevazebné orbitaly? Tvůrce: Jay.
Chceš se zapojit do diskuze?
Zatím žádné příspěvky.
Transkript
Molekuly se liší mimo jiné tím,
jaké vlnové délky světla absorbují. Když absorbují světlo z ultrafialové
nebo viditelné oblasti spektra, můžeme absorbované vlnové délky
měřit pomocí UV/Vis spektrofotometru. Jak to funguje? Přístroj vyzařuje světlo o různých vlnových
délkách, obvykle od 200 nm až po 800 nm. Tímto světlem osvětlíme vzorek dané látky,
a získáme absorpční spektrum. Toto je absorpční spektrum
1,3-butadienu. Tato molekula nejsilněji absorbuje tady,
kde má pík. Můžeme odečíst, jaké vlnové délce toto
maximum odpovídá. Je to těsně pod 220 nm. Přesně je to 217 nm. Tuto hodnotu nazýváme
lambda se spodním indexem max. Vlnová délka světla absorbovaného
touto látkou je asi 217 nm. Je to v UV oblasti, proto butadien
nemá žádnou barvu, je bezbarvý. Když se blíže podíváme na jeho
elektronový vzorec, tak vidíme čtyři uhlíky
a všechny mají hybridizaci sp². To znamená,
že každý z nich má p-orbital. Takže tu máme čtyři p-orbitaly
neboli čtyři atomové orbitaly. Z pohledu teorie
molekulových orbitalů (MO-LCAO) mohou ze čtyř atomových orbitalů
vzniknout čtyři molekulové. Vzniknou dva vazebné
a dva antivazebné molekulové orbitaly. Tady na kraji se podíváme
na tyto čtyři molekulové orbitaly. Začneme zleva. Vazebné molekulové orbitaly mají nižší
energii než antivazebné orbitaly. Takže tyto dva molekulové
orbitaly jsou vazebné. A tyto dva molekulové
orbitaly jsou antivazebné. Všímáte si hladin energiií? Energie roste tímto směrem, takže
antivazebné orbitaly mají vyšší energii. Vraťme se k elektronovému
vzorci butadienu a podívejme se,
kolik má pí elektronů. Tady máme dva
a tady také dva. Takže celkem
čtyři pí elektrony. Když uvažujete
o molekulových orbitalech, zajímá nás taky
konfigurace elektronů. Máme čtyři elektrony,
kam je můžeme dát? Dáme je do orbitalů
s nejnižší energií. A budeme
párovat jejich spiny. Máme čtyři elektrony, dva dáme do tohoto vazebného orbitalu
a spárujeme spiny. Druhé dva elektrony jdou do tohoto
vazebného molekulového orbitalu. Takže všechny čtyři pí elektrony
jsou ve vazebných molekulových orbitalech, pokud mluvíme o základním stavu. Tohle je tedy
základní stav butadienu. Když na něj posvítíme,
butadien absorbuje energii ze světla. Podívejme se na ten rozdíl. Energie orbitalů se změnila a zajímá nás hlavně rozdíl
mezi těmito dvěma orbitaly, které teď mají jinou energii. Tento orbital, ve kterém jsou elektrony,
má vyšší energii než tento orbital. Takže tohle je nejvyšší obsazený
molekulový orbital, neboli HOMO. Naopak tento orbital je
neobsazený elektrony. Tento antivazebný molekulový
orbital je neobsazený a má nižší energii
než tento antivazebný orbital. Je to tedy nejnižší neobsazený
molekulový orbital neboli LUMO. Když mluvíme o molekulách
absorbujících energii, zajímá nás hlavně HOMO,
tedy nejvyšší obsazený molekulový orbital, a LUMO,
nejnižší neobsazený molekulový orbital. Konkrétně nás zajímá,
je jejich energetický rozdíl. Molekula absorbuje energii,
takže pí elektrony absorbují energii a přejdou na vyšší
energetickou hladinu. Napíšu to sem. Teď se už bavíme o excitovaném stavu,
tedy stavu po ozáření molekuly světlem. Toto je excitovaný
stav butadienu. A tyto dva pí elektrony
zůstanou zde. Jeden z těch dvou pí elektronů tu zůstane
a druhý absorbuje energii ze světla a přejde na vyšší
energetickou hladinu. Takže tento elektron se dostal
na vyšší energetickou hladinu. Přešel z HOMO do LUMO, ale k tomu potřeboval získat
určité množství energie. Musí absorbovat přesně tolik energie,
aby zvládnul tento přechod. Víme,
že tu energii získá ze světla. A víme, že energie fotonu je rovna "h",
tedy Planckově konstantě, krát frekvence světla,
o které jsme se ještě nebavili. Tady v absorpčním spektru
máme vše ve vlnových délkách, takže si energii přepočítáme
na vlnové délky. Víme, že frekvence světla
a vlnová délka světla jsou spolu provázány přes rychlost světla,
což je vlnová délka krát frekvence. Frekvence je rovna rychlosti
světla děleno vlnová délka. Tento vztah mohu
dosadit sem. Teď tu máme, že energie se rovná
h krát c děleno lambda. Tohle je velmi důležité
si uvědomit, že energie a vlnová délka
jsou nepřímo úměrné. Můžete to brát tak, že jedna vlnová
délka dodává určité množství energie. Tento energetický rozdíl mezi HOMO
a LUMO odpovídá určité vlnové délce. Když se podíváme na absorpční
spektrum butadienu, tak vidíme,
že se jedná o vlnovou délku 217 nm. Z počátku to může být trochu matoucí,
protože se zdá, že je tu široká škála vlnových délek,
které jsou absorbovány. Zkuste to zatím moc neřešit. Je to dáno vlivem
vibracemi a rotacemi molekul, které mohou trochu pozměnit
rozdíly v energiích, takže výsledkem není
jedna vlnová délka. Dochází k absorpci
širokého pásu vlnových délek. Takže najdeme vlnovou délku, která
je absorbována s největší intenzitou, a jí odpovídající energii považujeme za
rozdíl mezi energiemi těchto dvou orbitalů. Tímto způsobem bychom
o tom měli přemýšlet. Podívejme se
na další molekulu. Místo butadienu
tu máme acetaldehyd. Tady je jeho
elektronový vzorec. Když se na tuto molekulu podíváme,
tak vidíme, že acetaldehyd má
dva pí elektrony. Takže dva
pí elektrony. Víme, že tyto dva elektrony budou
ve vazebném molekulovém orbitalu. Nakreslím sem čáru
přímo do tohoto diagramu. Tohle je vazebný orbital. Bavíme se o dvou
pí elektronech. Ty dva pí elektrony
dáme sem. Změním si barvu. Tady máme antivazebný molekulový orbital,
který nazveme pí s hvězdičkou. Vazebný a nevazebný molekulový
orbital mají rozdílnou energii. Rozdíl v energii
označíme delta E. Již jsme se bavili o tom,
že odpovídá určité vlnové délce světla. Pokud tedy u acetaldehydu dojde k přesunu
jednoho z těchto pí elektronů nahoru, bude se jednat o přesun
z orbitalu pí na pí s hvězdičkou. Takže molekula
absorbuje energii. A to energii odpovídající
vlnové délce světla. Takže tohle je rozdíl energií
těchto dvou orbitalů. Přechod mezi orbitaly pí a pí s hvězdičkou
odpovídá vlnové délce asi 180 nm. To je pod rozsahem, ve kterém většinou
funguje UV/Vis spektrofotometr. Ale ještě je tady další
možný elektronový přechod. Zvýrazním tady tento
volný elektronový pár na kyslíku. Máme tu volný elektronový pár,
takže se jedná o nevazebné elektrony. Nevazebné elektrony obsadí
nevazebný orbital, který má trochu vyšší energii
než tento vazebný molekulový orbital. Tento orbital nazýváme
"n" jako nevazebný. Napíši to sem. Můžeme do něj
umístit elektrony. Takže tyto dva elektrony
umístíme do nevazebného orbitalu. Takže tu může dojít
k jinému typu přechodu. Stále se bavíme o orbitalu pí s hvězdičkou,
tedy o tomto antivazebném orbitalu. Může dojít k přechodu z orbitalu
"n" do orbitalu pí s hvězdičkou. K tomuto přechodu může dojít,
protože se jedná o karbonylovou skupinu. Nebavíme se jen
o pí elektronech. Bavíme se o tomto
nevazebném elektronu. Podívejme se na tento
energetický rozdíl. Je menší než předtím. Takže tento rozdíl je menší
než tento rozdíl. Co se stane s vlnovou
délkou absorbovaného světla? Pokud je energetický rozdíl menší a mezi energií a vlnovou
délkou platí nepřímá úměra, tak vlnová délka bude delší. Takže tato molekula absorbuje
světlo s vyšší vlnovou délkou. Změním si barvu. Tento energetický přechod
odpovídá vlnové délce asi 290 nm. Tento přechod z "n"
do pí s hvězdičkou odpovídá menšímu energetickému rozdílu,
a tedy vyšší vlnové délce. Tohle je důležitý princip. Pokud dojde k poklesu energetického
rozdílu mezi dvěma orbitaly, tak dojde k absorbci světla
s větší vlnovou délkou. Víc se tomu budeme věnovat
v následujících videích, kde se budeme
zabývat i barevností.