Основно съдържание
Курс: Органична химия > Раздел 14
Урок 2: УВ и спектроскопия във видимата област (UV-Vis)УВ спектроскопия и спектроскопия във видимата област (UV-Vis)
Въведение в UV/Vis спектроскопия. Как тази техника се използва за анализ на молекули с електрони в pi орбитали и несвързващи орбитали. Създадено от Джей.
Искаш ли да се присъединиш към разговора?
Все още няма публикации.
Видео транскрипция
Различните съединения абсорбират
различни дължини на вълната на светлината и ако молекулата абсорбира светлина в ултравиолетовата
или видимата част на електромагнитния спектър, можем да определим дължината
или дължините на светлината, които са абсорбирани от това
съединение, като използваме UV/Vis
спректрофотометър. Това, което той прави, е
да излъчи сноп светлина с набор от дължини на вълната. Дължините на вълната варират
от около 200 нанометра до 800 нанометра. Пропускаме светлина с тези
дължини на вълната през проба от съединението и получаваме
абсорбционен спектър. Това е абсорбционният спектър
за това съединение – 1,3-бутадиен. Ако погледнем тук, ще видим, че това съединение абсорбира
най-изразено ето тук, и като спусна надолу, виждам
дължината на вълната на светлината, която се абсорбира най-силно
от съединението. Виждаме, че това е точно
под 220 нанометра. Изглежда е 217 нанометра. Наричаме това ламбда максимално. Дължината на вълната на
светлината, абсорбирана от това съединение,
е около 217 нанометра. То абсорбира в UV-областта,
следователно бутадиенът няма цвят, той е безцветен. Сега да разгледаме по-внимателно
структурната му формула. Имаме четири въглеродни атома
и всички тези въглеродни атоми са sp2-хибридизирани. Което означава, че всеки от
тези въглеродни атоми има р-орбитала. Следователно има четири
р-орбитали или четири атомни орбитали. Съгласно теорията
на молекулните орбитали (МО), тези четири атомни орбитали се обединяват
в четири молекулни орбитали. Две свързващи молекулни
орбитали и две антисвързващи МО. Нека да погледнем тук
тези четири молекулни орбитали, като ще започнем от лявата страна. Свързващите МО имат по-ниска
енергия от антисвързващите МО. Тази орбитала и тази орбитала
са свързващите молекулни орбитали, а тази тук и тази тук са
антисвързващите молекулни орбитали. И тук виждаме енергията, нали? Енергията се увеличава ето така
и затова антисвързващите МО
имат по-висока енергия. Сега да разгледаме структурата
на бутадиена отново и да видим колко пи-електрона
има в нея. Тук имаме два пи-електрона и тук
имаме два пи-електрона. Това са общо четири пи-електрона. Когато разглеждаме МО, можем да си представим
електронните конфигурации. Имаме четири електрона. Къде ще поставим тези електрони. Ще ги поставим в орбиталите
с най-ниска енергия първо. Като също така трябва
да направим двойки по спин. Така че тези четири електрона –
първо ще поставим два в тази свързваща МО, като
те ще имат противоположни спинове. После два в тази свързваща МО. Значи четирите пи-електрона
попадат в тези свързващи молекулни орбитали, които можем да приемем
за основно състояние. Това е основното състояние
на бутадиена. След това пропускаме светлина
през бутадиена и тогава молекулата ще абсорбира
енергия от светлината. Да видим тук, тук има разлика в енергията между орбиталите
и по-точно ни интересуват тези две орбитали ето тук.
Значи тук има разлика в енергията на тези
две орбитали. Тази орбитала тук долу е заета
от електрони и има по-висока енергия от
тази орбитала. Това е най-високата заета МО. Най-високата заета МО или НОМО
(англ. абревиатура). Тази орбитала ето тук е незаета. Антисвързващата МО тук е незаета и има по-ниска енергия
от тази антисвързваща МО. Това е най-ниската незаета МО
(LUMO - англ. абревиатура). Когато молекулата абсорбира енергия, разглеждаме НОМО, най-високата
заета молекулна орбитала, и LUMO, най-ниската незаета
молекулна орбитала. Разликата в енергията между тези две
орбитали е това, което ни интересува. Така че молекулата абсорбира енергия и един пи-електрон абсорбира
енергия от светлината и се изкачва на ниво
с по-висока енергия. Ще го запиша ето тук. Сега говорим за възбудено състояние, когато пропуснем светлина
през веществото. Това е възбуденото състояние
на бутадиена и тези два пи-електрона остават тук. Единият от тези пи-електрони остава тук, а другият пи-електрон абсорбира
енергия от светлината и отива на ниво с по-висока енергия. Значи този ето тук отива
на ниво с по-висока енерегия. Премества се от НОМО в LUMO, като абсорбира определено
количество енергия, за да стане това. Така че той трябва да абсорбира
подходящото количество енергия, за да направи този преход. Знаем, че енергията идва от светлината и също така знаем, че
енергията на един фотон светлина е равна на h, което е
константата на Планк, по честотата на светлината,
което е ново. Тук в абсорбционния спектър всичко е дадено в дължини
на вълната, така че трябва да представим енергията
чрез дължината на вълната. Знаем, че честотата на светлината и дължината на вълната са свързани. Скоростта на светлината е равна на
дължината по честотата. Честотата е равна на
скоростта на светлината върху дължината на вълната.
Можем да вземем това – честотата е равна на 'c' върху ламбда,
и да го заместим ето тук. Сега имаме енергията. Енергията е равна на h по с
върху ламбда. Това е много важно:
енергията и дължината на вълната са обратно пропорционални
едно на друго. Това означава, че една
дължина на вълната съответства на специфично
количество енергия. Разликата в енергията на
НОМО и LUMO съответства на дължина на вълната
и ако се върнем тук при абсорбционния спектър
на бутадиена, виждаме, че имаме
дължина на вълната 217 нанометра. На пръв поглед може
да е малко объркващо, защото изглежда, че имаме
много голяма област от дължини, които са абсорбирани. Но не се притеснявай за това,
това просто е резултат от различни вибрации и ротации
в молекулата, които могат малко да променят
разликата в енергията. Затова не виждаме точно
определена дължина на вълната, а виждаме тази широка ивица от дължини на вълната, които
се абсорбират. Тук просто трябва да определиш
тази дължина, която се абсорбира най-силно и да
я приемеш като дължината на вълната, която
съответства на разликата в енергията между
тези две орбитали тук. Ето така трябва
да го тълкуваме. Сега да видим друго вещество. Вместо бутадиен ще разгледаме това съединение, което е етанал. Това е структурната му формула,
и ако разгледаме тази молекула, виждаме, че тук имаме два
пи-електрона в етанала. Значи два пи-електрона. Знаем, че тези електрони
ще отидат в свързваща молекулна орбитала. Сега ще поставя една линия
тук на тази диаграма. Това е свързващата МО тук долу. Имаме два пи-електрона. Нека да поставя нашите
пи-електрони тук. Само първо ще сменя цветовете. Това тук е антисвързващата МО, която ще означа с пи*. Това е разликата в енергията
между свързващата МО и антисвързващата МО. Това е делта Е и ние
казахме, че съответства на определена дължина
на вълната на светлината. Когато един от тези електрони
премине в по-горната орбитала, в етанала се извършва преход
от пи към пи*. Тази молекула ще абсорбира
енергия, която... Ще взема друг цвят. Енергията съответства на
дължината на вълната, това е разликата в енергията
между тези две орбитали. Оказва се, че този преход от пи до пи* е около 180 нанометра, което под областта, която обикновено
измерваме, когато използваме
UV/Vis спректрометър. Но тук има и друга възможност. Ще оцветя една несподелена
електронна двойка при кислорода. Имаме несподелена електронна
двойка, това са несвързващи електрони. Несвързващите електрони се намират
на несвързваща МО, която всъщност има малко
по-висока енергия от свързващата молекулна орбитала. Тази друга възможност тук
означаваме като n. Това е несвързваща МО. Можем да поставим някои
електрони на нея. Поставяме тези два електрона
в тази несвързваща МО. Тук може да има друг вид преход. Отново говорим за пи*, антисвързващата МО ето тук. Можем да имаме преход
от n във пи*. Можем да имаме преход n – пи*, тъй като имаме
карбонилно съединение. Тук не говорим просто за пи-електрони. Говорим за тези несвързващи
електрони тук. Да разгледаме тази
разлика в енергията. Тази разлика в енергията
е по-малка от преди. Тази енергийна разлика е
по-малка от тази енергийна разлика. Какво се случва с
дължината на вълната на светлината, която се абсорбира? Щом имаме по-малка
енергийна разлика, енергията и дължината на вълната
са обратно пропорционални, така че това трябва да е
по-голяма дължина на вълната. Тук се абсорбира светлина
с различна дължина на вълната, по-висока дължина, което
се оказва, че... Пак ще сменя цветовете. Така че този енергиен преход
съответства на дължина на вълната от около 290 нанометра. Това е n – пи* преход, по-малка
енергийна разлика, която съответства на
по-висока дължина на вълната. Това е много важно. Когато намалява енергийната
разлика между орбиталите, се увеличава дължината на
вълната, която се абсорбира. Ще говорим повече за това
в следващите видеа, защото това е свързано
с понятието цвят.