Spektroskopia dla (nie) kompletnie zielonych #7 Energie: Wstęp i Energia rotacyjna

Brak internetu wyzwala w ludziach kreatywność, kreatywność w walce z nudą. Doświadczyłem tego niefortunnego zdarzenia w ostatnim czasie. Odkurzyłem wtedy moje stare płyty z czasopism dla graczy które kiedyś zbierałem. Zawierały w tamtych czasach często poza programami, demami i grami coś co można nazwać "internetem na płytach" Czasopisma wydawane przez amatorów zamieszczane po prostu na płytach zaprzyjaźnionych redakcji. Mało kto do nich zaglądał, ale pewnie miały swoich w fanów. Lektura tych zinów wciągnęła mnie na długie godziny, wszak wszystko było lepsze niż rozpoczęcie prac nad kolejną częścią SDKZ. Jednak czas goni i musiałem napisać ten artykuł korzystając z pakietu internetu, przy okazji nauczyłem się nowej funkcji jaką jest tethering.

Jeśli ten wstęp jeszcze Cię nie znudził, a trafiłeś tutaj przypadkiem, to z całego serca polecam zamknięcie tej karty i zrobienie czegokolwiek innego ponieważ treści które tutaj znajdziesz sprawią, że zapragniesz aby jak najszybciej odcięto Ci internet. Moim obowiązkiem jest opisanie Wam tej historii, jednak nie musicie jej czytać. Jeśli jednak zapragniecie, polecam przeczytanie poprzednich części celem zdobycia odporności, ponieważ ta jest najgorsza, a będzie jeszcze gorzej.

W poprzednim odcinku zakończyliśmy termy, możliwe, że ktoś zrozumiał, jednak dla większości pozostaje to dalej czarną magią. Cóż, oni mają 2 wyjścia, albo pozostawić to tak jak jest, jeśli nie jest im to potrzebne do życia, lub przeczytać raz jeszcze zastanawiając się, co autor miał na myśli. Dotarliśmy jednak do pewnego przyczółka z którego będziemy kontynuować podróż w różnych, czasami niezwiązanych kierunkach.

Dziś opowiemy sobie o rodzajach energii w cząsteczkach. Jest ona w większości przypadków skwantowana, bez tego nie byłoby spektroskopii bo opiera się ona właśnie o badanie zmian konkretnych wartości celem wyznaczenia różnych danych, jak zawartość związku, budowa cząsteczki itp.

Wyróżniamy kilka zasadniczych typów energii:

Energia translacji, ruchów termicznych - odpowiada za to jak cząsteczka porusza się w przestrzeni, mowa tutaj o całej cząsteczce, nie o jednym atomie, z tego powodu nie ma większego znaczenia w spektroskopii i nie będziemy się nią zajmować. Energia ta nie jest skwantowana, tzn. według niektórych źródeł jest, ale tych stanów jest tak wiele, że zasadniczo można mówić o ciągłości a nie kwantowaniu

To tak jak porównywać film i zdjęcia. Zdjęcie to zdjęcie, każde jest inne i niepowtarzalne, film natomiast to cała seria takich pojedynczych zdjęć gdzie każde jest bardzo podobne do poprzedniego i następnego. Puszczane w szybkim tempie dają nam złudzenie poruszania się.

Ciekawostka: niektórzy fizycy uważają, że czas też jest kwantowany, ale dla nas nie ma to większego znaczenia bo nie jesteśmy w stanie tego zaobserwować.

Energia Rotacji - Odpowiada za to jak cząsteczki się obracają. Można ją porównać do wirowania bąka. Spektroskopia która wykorzystuje zmiany w wirowaniu cząsteczek, to Spektroskopia mikrofalowa. Nie jest ona zbyt częsta w użyciu ale dostarcza nam informacji np. na temat długości wiązań. Ma jednak ograniczenie do fazy gazowej ponieważ w cieczy, rotacje zanikają.

A teraz powiecie: Zaraz zaraz, ale ja mam w domu mikrofale i działa! No rzeczywiście działa, ale właśnie przez to, że fale mikrofalowe powodują rotację wody, tzn powodowałyby gdyby nie były tłumione a, że są to energia musi się gdzieś podziać, najłatwiej jest jej się pozbyć poprzez ciepło. Swoją drogą te siatki z drobnymi oczkami w mikrofali nie są dla ozdoby, tylko po to aby odbijały mikrofale do środka, bo inaczej wasze mózgi ugotowałyby się szybciej niż zupa którą podgrzewacie.

Energia Oscylacji - To już jest ciekawsza energia, są to przede wszystkim większe wartości energii, więc nie jesteśmy ograniczeni tylko do fazy gazowej, ale też do cieczy. Ten fakt znacznie zwiększa możliwości prowadzenia badań ponieważ ciecz jest bardzo wygodnym stanem skupienia z punktu widzenia chemika. Oscylacje można wyobrazić sobie jak ciała połączone sprężyną. Będą one przybliżać się i oddalać od siebie w czasie. Wykorzystuje się nią np. w IR i Ramanie.

Energia elektronów walencyjnych - Czyli energia związana z tym jak poruszają się elektrony wokół jądra, Omawialiśmy sobie nią pośrednio przy termach. Odpowiedzialna ona jest np. za absorpcję i promieniowanie czyli to, że niektóre przedmioty świecą lub pochłaniają promieniowanie widzialne. Wykorzystuje się nią w spektroskopii UV-VIS czyli światła widzialnego i bliskiej podczerwieni. Jest ona tanią metodą pomiaru stężeń substancji barwnych.

Energia jąder atomowych - Jest to energia która jest zmagazynowana w jądrach, to raczej dział fizyków niż chemików, więc nie będziemy się nią zajmować.

Teraz kiedy mamy przedstawione rodzaje energii, kolejno omówimy sobie 3 z nich.

Na pierwszy ogień idzie Energia rotacyjna. Wyobraźmy sobie huśtawkę taką jak na zdjęciu, po obu stronach będą atomy, a w pewnym miejscu od nich, tzn w punkcie podparcia będzie ich środek masy. Do tego wyobraźmy sobie, że dzieci na tych huśtawkach wcale się nie huśtają w górę i w dół, lecz obracają wokół środka masy. Jako, że mają pewien ciężar i oddalone są o pewną odległość, to będą miały moment bezwładności.

Jest to pojęcie z mechaniki klasycznej, więc nie będę go tłumaczył dokładnie. W prostych słowach, jeśli ciało się obraca wokół pewnego punktu, to nie zmieni ono obrotu ot tak sobie i nie zacznie się nagle obracać w drugą stronę. Odpowiada za to właśnie bezwładność. Ciężko jest rozpędzić ciało i ciężko jest je zatrzymać. Moment bezwładności jest tutaj bardzo ważny ponieważ występuje on w wzorach na energię i dozwolone wartości tej energii. Oznaczamy go za pomocą litery: "I"

Co do samej energii to musimy spojrzeć jeszcze na cząsteczkę. Otóż nie jest tak, że rotuje ona w jednej osi, zasadniczo ma ona 3 stopnie swobody według których może się kręcić, ponieważ jest umiejscowiona w 3 wymiarach, tzn x,y,z.

Celem znalezienia Energii rotatora należałoby rozwiązać równanie tego gościa co zamykał koty w pojemnikach z gazem. My jednak jesteśmy leniwi i nie będziemy tego robić. Podamy sobie gotowy wzór na Energię.

Żeby być jeszcze bardziej leniwymi, oznaczymy sobie pierwszy człon jako B - ponieważ jest to wartość stała dla danego typu rotatora. W takim wypadku, nasz wzór będzie miał postać: BJ(J+1)

J natomiast jest to rotacyjna liczba kwantowa która jest skwantowana. Wynika z tego więc, że przyjścia będą odbywać się w oparciu o J, i rzeczywiście tak jest. W Przypadku rotacji, zmiana o każde 1 J powoduje wejście na wyższy poziom energetyczny. Wartości tych termów wyraża się z pomocą B i tak dla:

J = 0 -> B0(0+1) = 0 = Erot
J =1 -> B1(1+1) = 2B = Erot
J=2 -> B*2(2+1) = 6B = Erot

Z tym, że to są tylko wartości energii poszczególnych termów. Została nam jeszcze do omówienia kwestia różnic w poziomach energetycznych, ale tutaj sprawa też jest dosyć prosta. Okazuje się (a jakże), że różnice te są skwantowane, ale nie są identyczne. Określa je wzór 2B(J+1) który bierze się z prostego równania: Ej+1 -Ej czyli B(J+1)(J+1+1) - BJ(J+1) =2B(J+1) Zobaczmy teraz na przykładzie:

J = 0 -> 2B0(0+1) = 0 = Erot
J =1 -> 2B1(1+1) = 4B = Erot
J=2 -> 2B*2(2+1) = 12B = Erot

Źródło

Z tego co widać na grafice przerwa zwiększa się wraz z wartościami J, po lewej stronie jest energia.

Żeby jednak nie było zbyt prosto to, każde J, może być być też zdegenerowane na 3 różne stany, ale tym się już zajmować nie będziemy. Ogólnie rzecz biorąc, to rotacje nie są zbyt istotne dla początkujących chemików, jednak warto znać podstawy i wiedzieć z czym to się je. Możliwe, że wrócimy do tego w okolicy kilkudziesięciokrotnego odcinka i omówimy sobie to dokładniej np. przy spektroskopii mikrofalowej.

Na ten moment to tyle, W następnym odcinku omówimy sobie oscylację i może liźniemy nieco elektronowej, chociaż absorpcji i transmisji poświęcę osobny artykuł, podobnie jak wykresowi Jabłońskiego.

Źródła:
https://pl.wikipedia.org/wiki/Kuchenka_mikrofalowa
https://www.wattpad.com/1116935-energia-oscylacyjna-i-rotacyjna
http://tiger.chem.uw.edu.pl/staff/chalbie/books/16.pdf
https://pl.wikipedia.org/wiki/Widmo_oscylacyjno-rotacyjne
https://enauczanie.pg.edu.pl/moodle/pluginfile.php/38975/mod_resource/content/1/W5_RotSztywny.pdf
https://pl.wikipedia.org/wiki/Spektroskopia_rotacyjna
http://260h.pbworks.com/w/page/47489275/Rotation%20of%20Linear%20Diatomic%20Molecules