21.6: Видимий та ультрафіолетовий спектри молекул- молекулярних орбіталів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23439

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Коли молекули поглинають або випромінюють випромінювання в ультрафіолетових і видимих областях спектра, це майже завжди відповідає переходу електрона з низькоенергетичної на високоенергетичну орбіту, або навпаки. Можна очікувати, що спектри молекул будуть схожі на спектри атомних ліній, показані на малюнку\(\PageIndex{1}\), але насправді молекулярні спектри дуже різні. Розглянемо, наприклад, спектр поглинання досить красивого фіолетово-фіолетового газу I ₂. Ця молекула сильно поглинає фотони, довжина хвиль яких становить від 440 до 600 нм, і значна частина оранжевого, жовтого та зеленого компонентів білого світла видаляється. Світло, яке проходить через зразок I ₂, переважно синє та червоне. При аналізі за допомогою спектроскопа середньої якості це світло дає спектр, показаний\(\PageIndex{2}\) на малюнку а. Замість кількох дискретних ліній, характерних для атомів, ми маємо широку, мабуть, безперервну смугу поглинання. Це характерно для молекул.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Ультрафіолетовий і видимий спектри випромінювання газоподібного водню, гелію, натрію і заліза. Для порівняння наведені кольори видимого світла внизу малюнка. Всі спектральні лінії, зазначені кольором, можуть бути отримані з енергетичних рівнів.

Чому існує така різниця між атомним і молекулярним спектрами? Відповідь починає з'являтися, якщо використовувати дещо дорожчий спектроскоп. \(\PageIndex{2b}\)На малюнку показано трасування спектра I ₂, виконане за допомогою такого приладу. Те, що спочатку здавалося йому суцільною смугою, тепер показано, що складається з дуже великої кількості дуже вузьких, близько розташованих ліній. Таким чином, широка смуга поглинання I ₂ фактично складається з дискретних ліній. Причина, чому молекули породжують таку величезну кількість ліній, полягає в тому, що молекули можуть вібрувати і обертатися дуже великою кількістю способів, тоді як атоми не можуть. Крім того, квантуються як обертальні рівні, так і коливальний рух. Коли молекула поглинає фотон світла і електрон збуджується до вищої орбіти, молекула не буде нерухомою ні до, ні після поглинання фотона.

Через велику кількість енергетичних можливостей як до, так і після переходу виходить дуже велика кількість ліній трохи різної довжини хвиль. Ретельний аналіз цих ліній дає багато цінної інформації про те, як молекула обертається і вібрує. Зокрема, дуже точні значення ентальпій зв'язку та довжин зв'язків можна отримати в результаті дослідження тонкої структури смуги поглинання, як показано на малюнку\(\PageIndex{2b}\).