Ultrafialovo-viditelná spektroskopie

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.