Физика

за сваког по нешто

Молекулски спектри

Преузми Word документ

Атомски спектри се састоје од раздвојених линија груписаних у серијама. Молекулски спектри се разликују од спектара атома од којих су изграђени. Код молекула се јавља велики број спектралних линија блиских таласних дужина, које су збијене једна уз другу. Спектралне линије су груписане у облику кратких трака – тракасти спектри.

На први поглед спектри изгледају као континуални, у облику трака који се периодично понављају, али када се посматрају помоћу  спектрографа велике моћи разлагања, уочава се да се састоје од великог броја линија.

Разматрања ћемо ограничити на двоатомске молекуле.

Спектралне линије молекула настају због промене енергетског стања молекула. На изглед спектралних линија углавном утичу следећи облици енергије:

  • енергија електронског омотача – Еe;
  • енергија вибрације (осциловања) атома – Ev;
  • енергија ротације молекула – Er .

Сви ови облици енергије су квантовани.

Значи, настанак спектралних линија молекула резултат је промене енергетског стања које настаје на три начина: прелази електрона између енергетских нивоа (електронским скоковима), осцилаторним кретањем атома у молекулима и ротационим кретањем молекула.

 

Енергија електронског омотача:

  • електрони и у молекулима имају дискретан низ енергија;
  • при прелазима са једног на други енергетски ниво емитује се зрачење из видљивог и ултраљубичастог дела спектра.

 

Енергија вибрација:

  • атоми у молекулима не мирују, осцилују око равнотежних положаја;
  • ако су амплитуде осциловања мале, осцилације могу да се сматрају хармонијским, па енергија осцилаторних стања може да се опише вредностима енергије хармонијског осцилатора:

E_{v}=(v+\frac{1}{2})hf_{0}         v=0, 1, 2 ....

 v – вибрациони квантни број

f_{0} – сопствена фреквенција осциловања атома у молекулу

  • енергетски размак између суседних вибрационих нивоа много је мањи од енергетског размака два суседна електронска нивоа;
  • при прелазу са једног на други вибрациони ниво (у оквиру истог електронског стања) емитује се зрачење из инфрацрвеног дела спектра.

 

Енергија ротације:

  • молекул ротира око центра масе;
  • двоатомски молекули који се састоје од два иста атома, чији су диполни моменти једнаки нули немају ротационе спектре (H2, O2, N2…);
  • момент импулса ротационог кретања

L=\hbar \sqrt{J(J+1)}          J=0, 1, 2 ....

Ј – ротациони квантни број

  • енергија ротације молекула

E_{r}=\frac{\hbar^{2}}{2I} J(J+1)

I – момент инерције молекула

  • размак између два суседна ротациона нивоа много је мањи од размака суседних вибрационих нивоа;
  • линије ротационих спектара налазе се у далекој инфрацрвеној области (500-50µm);

 

Све то указује на сложеност молекулских спектара и на појаву веома различитих фреквенција. Све наведено указује да настаје веома сложен спектар емитованог зрачења, који се састоји од великог броја линија, које су веома блиске.

Размак између два електронска стања је реда величине 1eV, осцилаторна стања се разликују за 10-2eV, док је разлика између енергија ротационог кретања је 10-4eV (размак између суседних енергетских нивоа није сталан, већ се повећава са повећањем енергије), тако да може да се напише:

E_{e}\gg E_{v}\gg E_{r}

Молекули се увек налазе у једном од стационарних стања, са одређеним енергијама електрона, енергијом вибрације и енергијом ротације. Укупна енергија молекула једнака је збиру енергија ова три вида кретања (упрошћено гледано да су ова три кретања независна једно од другог):

E=E_{e}+ E_{v}+ E_{r}

Приликом емисије или апсорпције електромагнетног зрачења молекул прелази из једног у друго стање.

Помоћу молекулске спектралне анализе врши се идентификација једињења и мерење њихове концентрације. Од посебног значаја је практична примена молекулске спектроскопије у термодинамици, јер се помоћу ње одређују неке молекулске константе (момент инерције молекула, електронски и нуклеарни моменти…), што је важно за утврђивање топлотног капацитета, ентропије и слободне енергије гаса.

 

 

 

 Јонска и ковалентна веза