ספקטרוסקופיית UV-Vis של צבעים

ספיגה

כאשר אור בא במגע עם חומר, חלק מהאור נבלע בעוד השאר מוחזר או מועבר דרכו. חומרים שאנו תופסים כבעלי צבע מחזירים אור בטווח הנראה לעין. צבע החומר שאנו מסוגלים לראות תלוי באיזה אורך גל של אור מוחזר. חומר שאנו תופסים ככחול מחזיר אור בתחום הכחול (430 – 480 ננומטר) של הספקטרום הנראה. על פי גלגל הצבעים, אותו חומר בולע אור המשלים את האור המוחזר. לכן, החומר הכחול בולע אור באזור הכתום (590 – 630 ננומטר) של הספקטרום הנראה. לא כל התרכובות נספגות באזור הנראה לעין, וכתוצאה מכך הן נראות חסרות צבע לעין האנושית.

האור מוגדר על ידי האנרגיה שלו, E, ואורך הגל שלו, λ. כאן, h הוא קבוע פלאנק, ו-c היא מהירות האור.

אורך הגל של האור עומד ביחס הפוך לאנרגיה שלו. לכן, לאור באנרגיה גבוהה יותר יש אורך גל קצר יותר.

צבעים

צבעים שונים משתנים באורך הגל של האור שהם בולעים. רוב הצבעים הם תרכובות מצומדות עם קשרים כפולים ובודדים לסירוגין ובדרך כלל בולעים אור באזור הנראה.

החלק המצומד של מולקולת הצבע יכול להיות קצר מאוד, כלומר יש רמה נמוכה של צימוד ומעט קשרים כפולים ובודדים לסירוגין, או ארוכים, כלומר יש רמה גבוהה של צימוד עם הרבה קשרים כפולים ובודדים לסירוגין. קשרים כפולים מתחלפים אלה אינם חייבים בהכרח להיות רק בין שני פחמנים. קשרים מצומדים אלה יכולים לכלול את קבוצות הקרבוניל ואת הקשרים הכפולים בין פחמן וחמצן. מידת הצמידות קובעת את אורך הגל של האור שהתרכובת בולעת. לדוגמה, תרכובות עם רמה גבוהה של צימוד בולעות אורך גל ארוך יותר מאשר תרכובות עם רמה נמוכה יותר של צימוד.

בהתבסס על תורת האורביטלים המולקולריים, אלקטרונים דה-לוקאליים תופסים אורביטלים מולקולריים. האורביטל המולקולרי הכבוש הגבוה ביותר, או HOMO, הוא אורביטל האנרגיה הגבוה ביותר עם אלקטרון. האורביטל המולקולרי הנמוך ביותר שאינו מאוכלס, או LUMO, הוא אורביטל האנרגיה הנמוך ביותר ללא אלקטרון. למולקולות עם צימוד מועט או ללא צימוד יש בדרך כלל פער אנרגיה גדול בין ההומו ל-LUMO. עם זאת, למולקולות מצומדות יש פער אנרגיה קטן יותר בין ההומו ל-LUMO.

כדי לעורר אלקטרון מרמת אנרגיה נמוכה יותר לרמת אנרגיה גבוהה יותר, או מהומו ל-LUMO, המולקולה חייבת לקלוט אור באנרגיה השווה לפער האנרגיה בין שני האורביטלים. מסיבה זו, מולקולות עם פער אנרגיה גדול דורשות אור באנרגיה גבוהה יותר, כגון אור UV, כדי לעורר אלקטרון. לצבעים, לעומת זאת, יש פער אנרגיה קטן יותר והם דורשים אור באנרגיה נמוכה יותר, כגון אור נראה, כדי לעורר אלקטרון.

מסיבה זו, מולקולות עם פער אנרגיה גדול דורשות אור באנרגיה גבוהה יותר, כגון אור UV, כדי לעורר אלקטרון. לצבעים, לעומת זאת, יש פער אנרגיה קטן יותר והם דורשים אור באנרגיה נמוכה יותר, כגון אור נראה, כדי לעורר אלקטרון.

נזכיר כי אנרגיית האור עומדת ביחס הפוך לאורך הגל. לכן, לאור באנרגיה גבוהה יותר יש אורכי גל קצרים יותר מאשר לאור באנרגיה נמוכה יותר שיש לו אורכי גל ארוכים יותר.

ספקטרופוטומטר

באופן ניסיוני, בליעת האור נמדדת באמצעות ספקטרופוטומטר UV-Visible (UV-Vis). מכשיר זה משתמש במקור אור שהופך על ידי מונוכרומטור לאורכי גל ספציפיים של אור שיעברו דרך דגימה ולגלאי בקצה השני. הדגימות חייבות להיות בנוזל, ולכן נדרש ממס אם התרכובת האורגנית היא מוצק. פתרון זה מוחזק במחזיק מדגם המכונה cuvette. בהתאם לדגימה, הקובט עשוי להיות עשוי קריסטל קוורץ, זכוכית, או פלסטיק, ויש לו מסלול מסוים. אורך מסלול זה הוא המרחק שהאור צריך לעבור דרך הדגימה. מכיוון שהממס יספוג גם אור, נדרשת דגימה ריקה של הממס בלבד. לכן, כאשר המכשיר לוכד את ספקטרום הבליעה של תרכובת הדגימה, הוא יכול להחסיר את ספקטרום הרקע של הממס כדי להציג ספיגה הנגרמת רק על ידי הדגימה. טרנסמיטנס, T, הוא החלק של האור המקורי שעובר דרך הדגימה.

כאן, P₀ היא הקרינה, או האנרגיה לשנייה ליחידת שטח, של קרן האור לפני פגיעת הדגימה. P היא הקרינה של קרן האור הפוגעת בגלאי. P בדרך כלל נמוך מ-P₀, מכיוון שחלק מהאור נבלע על ידי הדגימה.

ספיגה, A, מוגדרת כיומן שלילי של העברה.

טווח הערכים של הספיגה נע בין 0 (ללא ספיגה) ל-2 (99% ספיגה). כאשר לא נבלע אור, P₀ שווה ל-P, וההעברה שווה לאחת. לפיכך, הספיגה היא אפס. אם 90% מהאור נספג, אז 10% מועבר ו- T שווה ל -0.1. התוצאה היא ספיגה שווה ל-1. אם 99% מהאור נספג, אז 1% מועבר (T = 0.01), והקליטה שווה ל -2.

הספקטרום המתקבל הוא תרשים של הבליעה לעומת אורך הגל. עבור ספקטרופוטומטר UV-Vis, טווח זה הוא בין 200 ל 800 ננומטר.

חוק באר-למברט

העברה וספיגה של תרכובת מסוימת קשורה לריכוז התרכובת בתמיסה. קשר זה מתואר על ידי חוק באר-למברט.

ספיגת הדגימה שווה למכפלה של ריכוז התרכובת, אורך הנתיב ומקדם ההנחתה המולרי. מקדם זה ייחודי לכל תרכובת וישתנה לפי אורך הגל. עם זאת, אם אורך הגל מוחזק קבוע, מקדם ההנחתה המולרי יהיה זהה ללא קשר לשינויים בריכוז. אורך הגל המתאים לבליעה הגבוהה ביותר של הדגימה, המכונה λ_max, יהיה גם בעל מקדם הנחתה המולרי הגדול ביותר.

הפניות

1. Silberberg, M.S. (2012). כימיה: הטבע המולקולרי של חומר ושינוי. בוסטון, מסצ'וסטס: מקגרו היל.
2. Harris, D.C. (2015). אנליזה כימית כמותית. ניו יורק, ניו יורק: W.H. Freeman and Company.