ABSORPTIESPECTRUM: ATOMAIRE, ZICHTBARE EN MOLECULAIRE ABSORPTIE - CHEMIE - 2025

Een absorptiespectrum is dat product van de interactie van licht met een materiaal of substantie in een van zijn fysieke toestanden. Maar de definitie gaat verder dan een eenvoudig zichtbaar licht, aangezien de interactie een breed deel van het golflengtebereik en de energie van elektromagnetische straling omvat.

Daarom kunnen sommige vaste stoffen, vloeistoffen of gassen fotonen met verschillende energieën of golflengten absorberen; van ultraviolette straling, gevolgd door zichtbaar licht, tot infrarode straling of licht dat in microgolflengten stapt.

Bron: Circe Denyer via PublicDomainPictures

Het menselijk oog neemt alleen de interacties van materie met zichtbaar licht waar. Evenzo is het in staat om de diffractie van wit licht door een prisma of een medium in zijn gekleurde componenten te beschouwen (bovenste afbeelding).

Als de lichtstraal zou worden 'opgevangen' nadat hij door een materiaal was gereisd en geanalyseerd, zou de afwezigheid van bepaalde kleurbanden worden gevonden; dat wil zeggen, er zouden zwarte strepen worden waargenomen die contrasteren met de achtergrond. Dit is het absorptiespectrum en de analyse ervan is fundamenteel in instrumentele analytische chemie en astronomie.

Atoomabsorptie

Bron: Almuazi, van Wikimedia Commons

De bovenste afbeelding toont een typisch absorptiespectrum voor elementen of atomen. Merk op dat de zwarte banden de geabsorbeerde golflengten vertegenwoordigen, terwijl de andere de uitgezonden golflengten zijn. Dit betekent dat een atomair emissiespectrum er daarentegen uitziet als een zwarte band met strepen van uitgezonden kleuren.

Maar wat zijn deze strepen? Hoe weet je in het kort of de atomen absorberen of uitzenden (zonder fluorescentie of fosforescentie te introduceren)? De antwoorden liggen in de toegestane elektronische toestanden van de atomen.

Elektronische overgangen en energieën

Elektronen zijn in staat om weg te bewegen van de kern, waardoor deze positief geladen blijft terwijl ze overgaan van een baan met een lagere energie naar een hogere energie. Hiervoor, verklaard door de kwantumfysica, absorberen ze fotonen van een specifieke energie om de elektronische overgang uit te voeren.

Daarom wordt de energie gekwantiseerd en zullen ze niet de helft of driekwart van een foton absorberen, maar eerder specifieke frequentiewaarden (ν) of golflengten (λ).

Als het elektron eenmaal is geëxciteerd, blijft het niet onbeperkt in de elektronische toestand van hogere energie; het geeft de energie vrij in de vorm van een foton, en het atoom keert terug naar zijn grond of oorspronkelijke staat.

Afhankelijk van het feit of de geabsorbeerde fotonen worden geregistreerd, wordt een absorptiespectrum verkregen; en als de uitgezonden fotonen worden geregistreerd, dan zal het resultaat een emissiespectrum zijn.

Dit fenomeen kan experimenteel worden waargenomen als gasvormige of verstoven monsters van een element worden verwarmd. In de astronomie kan door vergelijking van deze spectra de samenstelling van een ster worden bepaald, en zelfs zijn locatie ten opzichte van de aarde.

Zichtbare spectrum

Zoals te zien is in de eerste twee afbeeldingen, omvat het zichtbare spectrum kleuren van violet tot rood en al hun tinten met betrekking tot hoeveel het materiaal absorbeert (donkere tinten).

De golflengten van rood licht komen overeen met waarden vanaf 650 nm (totdat ze verdwijnen in infraroodstraling). En uiterst links dekken violette en paarse tinten golflengtes tot 450 nm. Het zichtbare spectrum varieert dan ongeveer van 400 tot 700 nm.

Als λ toeneemt, neemt de frequentie van het foton af, en dus zijn energie. Violet licht heeft dus een hogere energie (kortere golflengten) dan rood licht (langere golflengten). Daarom omvat een materiaal dat paars licht absorbeert elektronische overgangen van hogere energieën.

En als het materiaal de kleur violet absorbeert, welke kleur zal het dan weerkaatsen? Het zal groenachtig geel lijken, wat betekent dat zijn elektronen zeer energetische overgangen maken; Als het materiaal de rode kleur met lagere energie absorbeert, zal het een blauwgroene kleur reflecteren.

Wanneer een atoom erg stabiel is, vertoont het in het algemeen zeer verre elektronische toestanden in energie; en daarom zul je fotonen met hogere energie moeten absorberen om elektronische overgangen mogelijk te maken:

Bron: Gabriel Bolívar

Absorptiespectrum van moleculen

Moleculen hebben atomen, en deze absorberen ook elektromagnetische straling; hun elektronen maken echter deel uit van de chemische binding, dus hun overgangen zijn anders. Een van de grote triomfen van de moleculaire orbitaaltheorie is het vermogen om absorptiespectra te relateren aan de chemische structuur.

Zo hebben enkele, dubbele, drievoudige, geconjugeerde bindingen en aromatische structuren hun eigen elektronische toestanden; en daarom absorberen ze zeer specifieke fotonen.

Door meerdere atomen te hebben, naast de intermoleculaire interacties, en de trillingen van hun bindingen (die ook energie absorberen), hebben de absorptiespectra van de moleculen de vorm van 'bergen', die de banden aangeven die de golflengten vormen waar elektronische overgangen komen voor.

Dankzij deze spectra kan een verbinding worden gekarakteriseerd, geïdentificeerd en zelfs, door middel van multivariate analyse, gekwantificeerd.

Methyleenblauw

Bron: Wnt, van Wikimedia Commons

De bovenste afbeelding toont het spectrum van de methyleenblauwindicator. Zoals de naam duidelijk aangeeft, is hij blauw van kleur; maar kan het worden gecontroleerd met zijn absorptiespectrum?

Merk op dat er banden zijn tussen de golflengten van 200 en 300 nm. Tussen 400 en 500 nm is er bijna geen absorptie, dat wil zeggen dat het geen violette, blauwe of groene kleuren absorbeert.

Het heeft echter een sterke absorptieband na 600 nm en heeft daarom laag-energetische elektronische overgangen die fotonen van rood licht absorberen.

Dientengevolge, en gezien de hoge waarden van molaire absorptievermogen, vertoont methyleenblauw een intens blauwe kleur.

Chlorofyl a en b

Bron: Serge Helfrich, van Wikimedia Commons

Zoals op de afbeelding te zien is, komt de groene lijn overeen met het absorptiespectrum van chlorofyl a, terwijl de blauwe lijn overeenkomt met dat van chlorofyl b.

Ten eerste moeten de banden waar de molaire absorptie het grootst is, worden vergeleken; in dit geval links tussen 400 en 500 nm. Chlorofyl a absorbeert paarse kleuren sterk, terwijl chlorofyl b (blauwe lijn) blauwe kleuren absorbeert.

Door chlorofyl b op te nemen rond 460 nm, wordt de blauwe, gele kleur weerkaatst. Aan de andere kant absorbeert het ook sterk nabij 650 nm oranje licht, wat betekent dat het de kleur blauw vertoont. Als geel en blauw mengen, wat is dan het resultaat? De kleur groen.

En tot slot absorbeert chlorofyl a de blauw-violette kleur, en ook een rood licht dichtbij 660 nm. Daarom vertoont het een groene kleur "verzacht" door geel.

Referenties

1. Observatoire de Paris. (sf). De verschillende klassen spectra. Hersteld van: media4.obspm.fr
2. Rabanales Universiteitscampus. (sf). Spectrofotometrie: absorptiespectra en colorimetrische kwantificering van biomoleculen. . Hersteld van: uco.es
3. Day, R., & Underwood, A. (1986). Kwantitatieve analytische chemie (vijfde ed.). PEARSON, Prentice Hall, p 461-464.
4. Reush W. (zd). Zichtbare en ultraviolette spectroscopie. Hersteld van: 2. chemistry.msu.edu
5. David Darling. (2016). Absorptiespectrum. Hersteld van: daviddarling.info
6. Khan Academy. (2018). Absorptie / emissielijnen. Hersteld van: khanacademy.org