Области электромагнитного спектра

Лабораторная работа: фотометрический метод анализа.

Работу выполнил________________________ Работу принял______________________

Дата выполнения________________________ Отметка о зачете____________________

Общая характеристика спектральных методов анализа.

Спектральные методы анализа основаны на взаимодействии веществ с электромаг-

нитным излучением. Результатом такого взаимодействия является изменение энергетическо-

го состояния вещества, что проявляется в его спектрах. Раздел аналитической химии, занимающийся получением и изучением спектров веществ, называется спектроскопией.

Электромагнитное излучение может представлять собой свет, тепловое или ультра-фиолетовое излучение, радио- или микроволны, гамма- или рентгеновские лучи. Любой вид электромагнитного излучения представляет собойособую форму энергии, которая распространяется в вакууме со скоростью света c = 3·10⁸м/с. Электромагнитное излучение обладает двойной природой: волновой и корпускулярной.

Основными характеристиками электромагнитного излучения как волны являются длина волны л и чистота н, связь между которыми устанавливается соотношением:

с = н · л ( 1.1)

При отображении результатов спектрального анализа часто пользуются так же величиной л* = 1/л,называемой волновым числом.

При описании корпускулярных свойств электромагнитного излучения, оно рассматривается как поток частиц – фотонов, обладающих энергией, которая определяется соотношением Е = hv или E = hc/л. (1.2)

где h = 6,6262·10^-34 Дж·с – постоянная планка. Для 1 моля фотонов соотношения (1.2) принимают вид: Е_А = Аhv или Е_А = Аhc/л

где А = 6,0225·10²³ – число Авогадро.

Вся совокупность длин волн и энергий электромагнитного излучения называется электромагнитным спектром. Спектр электромагнитного излучения непрерывен, но для удобства пользования эго делят на несколько областей, каждая из которых соответствует определенному интервалу энергии и волновых характеристик. Электро- магнитный спектр излучения схематически представлен в нижеследующей таблице.

Таблица 1.1.

Области электромагнитного спектра.

λ, м: 3·10³ 0,3 6·10^-4 8·10^-7 4·10^-7 5·10^-9 10^-13

λ*, м^-1 : 3,33·10^-4 3,33 1,67·10³ 1,25·10⁶ 2,5·10⁶ 2·10⁸ 10¹³

ν, с^-1: 10⁵ 10⁹ 5·10¹¹ 3,75·10¹⁴ 7,5·10¹⁴ 6·10¹⁶ 3·10²¹

Е, кДж/моль:39,8·10^-9 39,8·10^-5 0,19 149,79 299,16 23,93·10⁵ 11,97·10⁸

При поглощениичастицы поглощающей среды,взаимодействуя с фотонами, увеличивают свою энергию на величину, равную энергии фотонов, и переходят из стационарного энергетического состояния в возбужденное. Через очень короткое время (10^-8с) частицы самопроизвольно возвращаются в стационарное состояние или в другое возбужденное состояние,характеризующееся меньшей величиной энергии. В любом случае при переходе частиц из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией происходит испускание лучистой энергии.

Согласно квантовой теории, возможные энергетические состояния любой частицы дискретны. Поэтому поглощение и испускание лучистой энергии происходит отдельными пропорциями – квантами,величина которых определяется соотношениями (1.2). при этом исходное квантовое состояние частиц,характеризующее определенным значением их энергии Е₁, изменяется и происходит переход в новое квантовое состояние с энергией Е₂.

Изменение энергетического состояния частиц вещества при поглощении или испускании электроамгнитного излучения отражается его спектром. Спектр вещества представляет собой совокупность всех длин волн (частот, волновыхчисел) испущенного или поглощенного ьвеществом излучения. В первом случае спектр вещества эмиссионным, во втором – абсорбционны. Спектры веществ получают с помощью специальных приборов – спектрометров.

В результате поглощения или испускания энергии в веществе могут происходить различные квантовые переходы, соответствующие различным областям электромагнитног спектра: переходы электронов, изменение энергии колебаний и вращение частиц и другие. С различными облостями электромагнитного спектра связаны различные методы спектрального анализа. В нижеследующей таблицепривнден обзор наиболее распространенныхспектральных методованализа во взаимосвязи с соответствующимиспектральными диапозонами и характером процессов,протекающих в веществе.

Таблица 1.2

В зависимости от природы частиц, образующих спектр, различают атомные и молекулярные спектры.

Для получения атомного спектра вещество путем высокотемпературного воздеиствия переводят в состояние свободных атомов. При этом в процессе атомизации происходит возбуждение атомов, сопровождающееся переходами валентных электронов на более высокие энергетические уровни. Например, в атоме лития, 3 электрона которогов стационарном состоянии распределяются по энергетическим уровням соответственно электронной формуле 1s²2s¹, валентный 2s – электрон при возбуждении может переходить на подуровни 2р, 3s, 3р, 3d и т.д. возбужденные атомы немедленно испускают кванты энергии в виде излучения с определенными длинами волн, соответтвующими переходам валентного электрона на более низкие энергетические уровни.

Если регистрация длин волн испущенного или поглощенного атомами излучения производится н фотопластинке, атомный спектр представляет собой совокупность линий, положение каждой из которых точно соответствует определенному энергетическому переходу и является характеристическим для каждого химического элемента.

Молекулярные спектры намного сложнее, чем атомные, в отличии от которыхони не линейчатые, а состоят из полос поглощения. Сложность молекулярных спектров обусловлена тем, что в веществах, состоящих из молекул, наряду с движением электронов в поле атомных ядер происходит колебательное движение атомов, а также вращательное движение молекул в целом.

Как и электронные энергетические уровни, уровни энергии колебаний и вращения квантованны. Поэтому при возбуждении молекулы может происходить возбуждение и электронных, и колебательных, и вращательных уровней,поэтому энергия ее возбуждения в целом складывается из энергии возбуждения электронных переходов(Е_зл), энергии возбуждения колебаний атомов или атомных групп (Е_кол) и энергии возбуждения вращения (Е_вр):

Е = Е_эл + Е_кол = Е_вр (1.4)

Причем при колебательных квантовых переходах величина изменения энергии на 1÷4 порядка меньше, чем при электронных и еще на 1÷4 порядка происходит уменьшение величины изменения энергии при вращательных переходах, т.е.:

Е_эл >>Е_кол >>Е_вр (1.5)

В виду незначительного различия энергии колебательных и, особенно, вращательных уровней колебательные и вращательные переходы в молекулярных спектрах отражаются не в виде отдельных линий,а в виде полос. Облость молекулярного спектра, соответствующая электронным переходам, также состоит не из спектральных линий, как в атомных спектрах, а из полос поглощения потому, что каждый електронный переход осложняется наложением колебательных и вращательных переходов, т.к. каждое возбужденное электронное состояние молекулы обладает собственным набором колебательных уровней, а у каждого колебательного состояния, в свою очередь, есть собственная система вращательных уровней.

Поиск по сайту: