8.3. Молекулярные спектры. Энергетические уровни молекул

Структура энергетических уровней молекул значительно сложнее структуры энергетических уровней атомов. Энергетические уровни молекул определяются не только состояниями электронных оболочек Е_э , но и энергиями колебательного движения атомов, входящих в молекулу, относительно друг друга Е_к и вращательного движения групп атомов Е_в . На рисунке 8.5 схематически показаны простейшие энергетические уровни молекул. Для простоты ограничимся только двумя электронными, колебательными и вращательными уровнями. К энергии каждого электронного уровня Э₁ и Э₂ могут добавляться энергии двух колебательных подуровней К₁ и К₂ , таким образом, два электронных уровня уже расщепляются на шесть электронно-колебательных. А так как к энергиям каждого из этих электронно-колебательных уровней могут добавляться ещё энергии двух вращательных подуровней В₁ и В₂ получаем в этом простейшем случае уже восемнадцать электронно-колебательно-вращательных уровней. На самом деле, структура молекулярных энергетических уровней ещё гораздо сложнее! Заметим, что «расстояния» между электронными уровнями Δ Е_э больше, чем между колебательными Δ Е_к , а между колебательными больше, нежели между вращательными Δ Е_в:

Δ Е_э > Δ Е_к > Е_в.

Согласно формуле дё Бройля _Б = h/mv , чем больше масса микрообъекта, тем менее выражены его волновые свойства, и поэтому менее выражена дискретность энергии. Этим и объясняется, что «расстояния» между энергетическими уровнями электронов больше, чем у более массивных колеблющихся атомов, а у атомов больше, чем у вращающихся групп атомов.

Рис. 8.5. Энергетические уровни молекул и квантовые переходы в них. ( Объяснения в тексте).

При поглощении или излучении кванта электромагнитной волны молекулой происходят переходы с одного энергетического уровня на другой:

1) Электронно-колебательно-вращательный переход , когда меняются и электронная, и колебательная и вращательная энергия, сопровождается поглощением или излучением на длинах волн, которые можно найти по формуле:

= hc / ( E_э + E _k+ E_b) (8.2)

2. Колебательно-вращательный переход, когда меняются колебательная и вращательная энергия, сопровождается поглощением или излучением на длинах волн:

= hc / ( E_b + E _k) (8.3)

2. Вращательный переход, когда меняется только вращательная энергия сопровождается поглощением или излучением на длинах волн:

= hc / E_b (8.5)

Так как Δ Е_э  Δ E_k ∆Е_в , λ_э < λ_к < λ_в .

Электронно-колебательно-вращательные переходы связаны с поглощениями и излучениями в ближнем ультрафиолетовом (УФ), видимом (ВИД) и ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн. Колебательно-вращательные в среднем инфракрасном диапазоне. А вращательные – в дальнем ИК и микроволновом (СВЧ) диапазоне (рис. 8.6).

Рис.8.6. Диапазоны длин волн, соответствующих испусканию и поглощению электромагнитного излучения при различных квантовых переходах в молекулах. (Объяснение в тексте).

Рис. 8.7. Полосатые молекулярные спектры. ( Объяснения в тексте).

Рис. 8.8. Сплошные спектры. (Объяснения в тексте).

Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга Е t , энергия микрообъекта может быть определена лишь с некоторой точностью (вернее, неточностью – неопределённостью). В силу некоторой неопределённости энергий энергетических уровней длины волн поглощаемых или испускаемых излучений, соответствующих переходам между уровнями, тоже обладают неопределённостью. Этим объясняется уширение спектральных линий и слияние близко расположенных линий в полосы (см. рис.8.7). Атомарные спектры линейчатые, так как электронные энергетические уровни атомов и, соответственно, спектральные линии расположены относительно далеко друг от друга. А у сложных молекул электронные энергетические уровни расщеплены на близко расположенные колебательно-вращательные подуровни и поэтому соответствующие переходам между уровнями близко расположенные спектральные линии в молекулярных спектрах сливаются в полосы. Молекулярные спектры сложных молекул – полосатые. И линейчатые атомарные и полосатые молекулярные спектры можно наблюдать только для образцов в газообразном состоянии. В конденсированных (сгущённых) жидком или твёрдом состояниях энергетические уровни дополнительно расщепляются вследствие энергий межмолекулярного взаимодействия и спектры становятся сплошными (рис.8.8).

При исследовании сложных молекул и, тем более биомакромолекул неприменим метод эмиссионной спектроскопии, так как он требует сильных воздействий на объект, при которых молекулы могут разрушиться. Напротив, неповреждающая абсорбционная спектроскопия с успехом применяется для исследования различных молекул и даёт разнообразную ценную информацию

По спектру поглощения можно проводить качественный и количественный анализ. Набор длин волн и относительные высоты пиков оптической плотности спектра дают информацию о том, какие вещества входят в исследуемый образец. А значение оптической плотности характерного для данного вещества пика даёт возможность рассчитать концентрацию этого вещества (рис. 8.8). Если, как это практикуется в большинстве случаев, исследуемый образец – раствор, концентрацию вещества можно найти по формуле:

D_max/ ε ℓ (8.6)

Здесь с – искомая концентрация ε – молярный коэффициент поглощения данного вещества при длине волны λ, соответствующей этому пику спектра, а ℓ – толщина кюветы, в которой находится исследуемый раствор.

По виду спектра можно также изучать строение молекул, их конформацию, подвижность молекул и их частей, взаимодействие молекул.

Спектральный анализ обладает рядом преимуществ, определивших его широкое применение в фармации, медицине, биологии, биофизике и биохимии. Это его огромная информативность, быстрота проведения исследований ( экспресс – анализ), высокая чувствительность – до 10^-6 моль/л, малые пробы – небольшое количество материала, требуемого для анализа.