Студент бакалавриата
  1. Общая химия  1.1. Введение в Химию  1.2. Структура атома  1.2.1. Субатомные частицы  1.2.2. Атомная модель  1.2.3. Квантовые числа  1.2.4. Электронная конфигурация  1.2.5. Периодические тенденции  1.2.6. Изотопы и их применения  1.3. Химическая связь  1.3.1. Ионная связь  1.3.2. Ковалентные связи  1.3.3. Металлическая связь  1.3.4. Гибридизация  1.3.5. Молекулярная геометрия и теория ВЕСЗР  1.3.6. Полярность связи и дипольный момент  1.4. Стехиометрия  1.4.1. Понятие моль  1.4.2. Эмпирическая и молекулярная формула  1.4.3. Ограничивающий реагент и избыток реагента  1.4.4. Процентный выход и чистота  1.4.5. Расчет разведения  1.5. Состояния вещества  1.5.1. Газовые законы  1.5.2. Материя и межмолекулярные силы  1.5.3. Твёрдые тела и кристаллические структуры  1.5.4. Диаграмма фаз  1.5.5. Плазма и сверхкритическая жидкость  1.6. Химические реакции  1.6.1. Типы химических реакций  1.6.2. Балансировка химических уравнений  1.6.3. Термохимические реакции  1.6.4. Энергетические профили реакций  1.7. Растворы и смеси  1.7.1. Единицы измерения концентрации  1.7.2. Свойства синдрома  1.7.3. Растворимость и правила растворимости  1.7.4. Закон Генри и Закон Рауля  1.7.5. Partition coefficient  1.8. Химическое равновесие  1.8.1. Закон действия масс  1.8.2. Принцип Ле Шателье  1.8.3. Реакционный коэффициент  1.8.4. Чтобы воспользоваться этим онлайн-калькулятором для расчета константы равновесия, введите константу равновесия (Eq.) и нажмите кнопку расчета. Вот как можно объяснить расчет константы равновесия с заданными входными значениями -> 0.05 = 0.05/0.  1.8.5. Кислотно-щелочной баланс  1.9. Кислоты и основания  1.9.1. Определения Аррениуса, Брёнстеда–Лоури и Льюиса  1.9.2. pH и pOH  1.9.3. Титрование кислоты и основания  1.9.4. Буферный раствор  1.9.5. Кислотно-основной индикатор  1.9.6. Полипротные кислоты и основания  1.10. Электрохимия  1.10.1. Окислительно-восстановительные реакции  1.10.2. Гальванические и Электролитические Элементы  1.10.3. Уравнение Нернста  1.10.4. Электролиз  1.10.5. Законы электролиза Фарадея  1.11. Термодинамика  1.11.1. Законы термодинамики  1.11.2. Enthalpy, entropy and Gibbs free energy  1.11.3. Спонтанность реакций  1.11.4. Термодинамические циклы (закон Гесса, цикл Карно)  1.12. Кинетика  1.12.1. Закон скорости и порядок реакции  1.12.2. Энергия активации и катализаторы  1.12.3. Collision theory  1.12.4. Механизм реакции  1.12.5. Теория переходного состояния
  2. Органическая химия  2.1. Структура и взаимосвязь  2.1.1. Гибридизация в углеродных соединениях  2.1.2. Резонанс и ароматизация  2.1.3. Molecular orbitals  2.1.4. Индуктивные и мезомерные эффекты  2.2. Углеводороды  2.2.1. Углеводороды  2.2.2. Алкены  2.2.3. Алкины  2.2.4. Ароматические соединения  2.2.5. Циклоалканы и Конформация  2.3. Функциональная группа  2.3.1. Алкоголи и фенолы  2.3.2. Эфиры и эпоксиды  2.3.3. Альдегиды и кетоны  2.3.4. Карбоновые кислоты и их производные  2.3.5. Aмин  2.3.6. Сложные эфиры и амиды  2.3.7. Тиолы и сульфиды  2.4. Стереохимия  2.4.1. Изомерия в стереохимии  2.4.2. Хиральность и оптическая активность  2.4.3. Структурный анализ  2.4.4. Диастереомеры и энантиомеры  2.5.1. Реакции замещения  2.5.2. Реакции элиминирования  2.5.3. Реакции присоединения  2.5.4. Радикальные реакции  2.5.5. Реакции перегруппировки  2.5.6. Перицветные реакции  2.6. Спектроскопия и структурный анализ  2.6.1. Инфракрасная спектроскопия  2.6.2. Ядерный магнитный резонанс  2.6.3. Масс-спектрометрия  2.6.4. УФ-видимая спектроскопия  2.6.5. Рентгеновская кристаллография  2.7. Химия полимеров  2.7.1. Полимеры добавления и конденсации  2.7.2. Механизм полимеризации  2.7.3. Биоразлагаемый полимер  2.7.4. Проводящие и умные полимеры
  3. Неорганическая химия  3.1. Координационная химия  3.1.1. Лиганды и координационные соединения  3.1.2. Теория кристаллического поля  3.1.3. Теория молекулярных орбиталей в координационных соединениях  3.1.4. Искажение Яна–Тейлора  3.2. Main Group Chemistry  3.2.1. Щелочные и щелочноземельные металлы  3.2.2. Галогены и благородные газы  3.2.3. Переходные металлы и их комплексы  3.2.4. Лантаниды и актиниды  3.3. Solid state chemistry  3.3.1. Кристаллические решетки и элементарные ячейки  3.3.2. Дефекты в твердых телах  3.3.3. Электрические и магнитные свойства  3.3.4. Сверхпроводимость  3.4. Биоорганическая химия  3.4.1. Ионы металлов в биологии  3.4.2. Энзиматические реакции с металлами  3.4.3. Отравление металлами и детоксикация  3.4.4. Металлопротеины и Металлоэнзимы
  4. Физическая химия  4.1. Квантовая химия  4.1.1. Дуализм волны и частицы  4.1.2. Уравнение Шрёдингера  4.1.3. Квантовые числа и орбитали  4.1.4. Атомная и молекулярная спектроскопия  4.2. Statistical mechanics  4.2.1. Распределение Максвелла-Больцмана  4.2.2. Функции разложения  4.2.3. Статистика Бозе–Эйнштейна и Ферми–Дирака  4.3. Химическая термодинамика  4.3.1. Энергия Гиббса  4.3.2. Фазовый переход  4.3.3. Термодинамическая эффективность  4.4. Поверхностная химия  4.4.1. Абсорбция и катализ  4.4.2. Коллоиды и эмульсии
  5. Аналитическая химия  5.1. Classical methods  5.1.1. Гравиметрический анализ  5.1.2. титриметр  5.2. Инструментальные методы  5.2.1. Хроматография  5.2.2. Спектроскопия  5.2.3. Электроанализаторные методы  5.2.4. Рентгеновская дифракция
  6. Промышленная химия  6.1. Нефтехимия  6.2. Принципы химической инженерии  6.3. Зеленая химия  6.4. Фармацевтика и синтез лекарств
  7. Биохимия  7.1. Углеводы  7.2. Белки и ферменты  7.3. Липиды и мембраны  7.4. Нуклеиновые кислоты  7.5. Метаболизм и биоэнергетика  7.6. Кинетика и механизм ферментов

Студент бакалавриата → Физическая химия → Квантовая химия ↓


Атомная и молекулярная спектроскопия


Введение

Атомная и молекулярная спектроскопия являются фундаментальными инструментами в области квантовой химии и физической химии. Эти спектроскопические методы предоставляют информацию о структуре атомов и молекул, исследуя, как они взаимодействуют с электромагнитным излучением. Изучение этих взаимодействий помогает нам понять энергетические уровни в атомах и молекулах, что в конечном итоге позволяет узнать много о их электронной конфигурации и свойствах.

Основные принципы

Электромагнитное излучение

Спектроскопия включает изучение того, как электромагнитное излучение, включая свет, взаимодействует с веществом. Свет можно рассматривать как волну и частицу (фотон), где его свойства представлены длиной волны (λ) или частотой (ν). Энергия фотона может быть рассчитана по уравнению Планка:

E = hν = frac{hc}{λ}

Где:

  • E - энергия фотона
  • h - постоянная Планка (6.626 x 10^-34 Джс)
  • ν - частота электромагнитного излучения
  • c - скорость света (3.00 x 10^8 м/с)
  • λ - длина волны электромагнитного излучения

Атомные спектры

Атомы излучают и поглощают свет на определённых длинах волн, создавая атомный спектр. Эти излучения или поглощения вызваны переходами электронов между разными энергетическими уровнями или орбиталями в атоме. Каждый элемент имеет уникальный атомный спектр, часто называемый его "отпечатком пальца". Эта уникальная картина линий позволяет нам идентифицировать присутствие элементов в различных веществах.

Пример: атом водорода

Атом водорода - самый простой атом и имеет характерный спектр, известный как серия Бальмера, которая может быть наблюдаема в видимом диапазоне. Длину волны можно рассчитать по формуле Ридберга:

frac{1}{λ} = R_H (frac{1}{n_1^2} - frac{1}{n_2^2})

Где:

  • λ - длина волны испускаемого света
  • R_H - постоянная Ридберга (1.097 x 10^7 м^-1)
  • n_1 и n_2 - целые числа, представляющие начальные и конечные энергетические уровни электрона
n=3 n=4 n=5

На приведённой выше схеме показаны линии переходов, соответствующие падению электронов на уровень n=2 в атоме водорода.

Молекулярные спектры

В отличие от атомных спектров, молекулярные спектры возникают в результате переходов между различными колебательными и вращательными энергетическими уровнями в молекуле. Молекулярная спектроскопия делится на различные виды в зависимости от рассматриваемой части электромагнитного спектра, такие как инфракрасная (ИК) спектроскопия и ультрафиолетово-видимая (УФ-видимая) спектроскопия.

Разновидности спектроскопии

Инфракрасная (ИК) спектроскопия

ИК спектроскопия - это метод, который имеет дело с инфракрасной областью электромагнитного спектра, которая представляет собой свет с большей длиной волны и меньшей энергией, чем видимый свет. Она в основном используется для исследования колебательных и вращательных переходов в молекулах.

Когда молекулы поглощают инфракрасный свет, энергия вызывает изменения в их колебательных состояниях. Различные связи и функциональные группы поглощают определённые частоты ИК-излучения. Измеряя эти частоты, химики могут получить информацию о молекулярной структуре.

Пример: ИК спектр воды

Поглощение Число волны (см^-1)

На диаграмме выше показано упрощённое представление ИК спектра для молекулы воды. Пики соответствуют растягивающим и изгибным колебаниям связей O-H.

Ультрафиолетово-видимая (УФ-видимая) спектроскопия

УФ-видимая спектроскопия включает поглощение ультрафиолетового или видимого света молекулами, что приводит к электронным переходам. Этот вид спектроскопии особенно полезен для изучения сопряжённых систем и может указать, сколько света вещество поглощает на разных длинах волн.

УФ-видимая спектроскопия может предоставить информацию о электронной структуре молекул, так как поглощение света в этом диапазоне часто приводит к переходу электронов в бимолекулярных орбиталях, таких как из HOMO (высшая занятая молекулярная орбиталь) в LUMO (низшая свободная молекулярная орбиталь).

Пример: УФ-видимый спектр бензола

Поглощение Длина волны (нм)

На рисунке показан типичный УФ-видимый спектр для бензола, с пиками, соответствующими электронным переходам между разными молекулярными орбиталями.

Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопия

ЯМР спектроскопия - это мощный метод, используемый для определения местной среды водородных ядер в молекулах. Он использует магнитные свойства атомных ядер, чтобы предоставить подробную информацию о молекулярной структуре, динамике, состояниях реакции и химической среде.

В ЯМР эксперименте образец помещается в сильное магнитное поле, и когда он подвергается воздействию радиочастотного излучения, ядра резонируют на частоте, специфической для их химической среды.

Пример: ЯМР спектр этанола

ЯМР спектр для этанола включает сигналы от водорода в разных химических средах:

  • синглет для протона –OH
  • триада для группы -CH3
  • квартет для группы -CH2- рядом с группой -OH
Химический сдвиг (м.д)

Применения спектроскопии

Спектроскопия имеет много применений в различных областях благодаря своей способности предоставлять как качественную, так и количественную информацию о структуре и составе вещества. Эти применения включают:

  • Аналитическая химия: определение неизвестных веществ, определение концентраций.
  • Наука об окружающей среде: мониторинг уровней загрязнения.
  • Фармацевтика: анализ состава лекарств и обеспечение контроля качества.
  • Наука о материалах: свойства материалов и наноматериалов.
  • Астрофизика: определение структуры звезд и галактик.

Заключение

Атомная и молекулярная спектроскопия являются незаменимыми методами в области химии для понимания того, как атомы и молекулы взаимодействуют со светом. Изучение этих взаимодействий позволяет химикам получить важную информацию о составе, структуре и динамике различных веществ. С развитием технологий и углублением понимания квантовой механики, сфера спектроскопии продолжает расти, предоставляя всё более точные и детализированные данные, открывающие новые горизонты для открытий и приложений в науке и технике.


Студент бакалавриата → 4.1.4


U
username
0%
завершено в Студент бакалавриата

← Предыдущий (4.1.3)
Квантовые числа и орбитали
Следующий (4.2) →
Statistical mechanics

Комментарии 



Атомная и молекулярная спектроскопия

https://www.chemistryelite.com/ug/4.1.4?ceal=ru