Spektroskopi: Işık ve Maddenin Etkileşimi

Kimyacılar, elektromanyetik radyasyonun farklı türlerinin, atom ve moleküllerle nasıl etkileşime girdiğini incelerler. Bu etkileşim spektroskopi olarak adlandırılır. Elektromanyetik radyasyonun nasıl farklı çeşitleri varsa, kullandığımız ışığın frekansına bağlı olarak spektroskopinin de farklı türleri mevcuttur. Bu makalede, incelememize UV-Görünür bölge spektroskopisi ile başlayacağız. UV-Görünür Bölge spektroskopisi, ışık spektrumunun UV ve görünür bölge aralığında (yaklaşık olarak $10-700\text{ nm}$‍ dalgaboylarında) yer alan fotonlar soğurulduğunda ya da salındığında atomlar ve moleküller içinde gerçekleşen olaylar olarak açıklanabilir.

Atom ve moleküllerin, fotonları ve dolayısıyla da enerjilerini nasıl soğurduğundan bahsetmiştik. Soğurulan ya da salınan fotonun enerjisine bağlı olarak da farklı olaylar gerçekleşir. İşe, nispeten basit bir durum olan, hidrojenin, elektromanyetik spektrumunun UV ya da görünür bölgesinde yer alan ışığı soğurduğunda neler olacağını inceleyerek başlayacağız.

Bir atom, bir UV fotonu ya da bir görünür bölge fotonu soğurduğunda, fotonun enerjisi, atomun elektronlarından birini uyararak daha yüksek bir enerji seviyesine çıkmasını sağlayabilir. Bunun gibi, daha düşük bir enerji seviyesinden daha yüksek bir enerji seviyesine çıkması ya da daha yüksek bir enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesine inmesi geçiş olarak adlandırılır. Böylesine bir geçişin gerçekleşmesi için, soğurulan fotonun enerjisinin, $2$‍ enerji seviyesi arasındaki enerji fakına eşit ya da büyük olması gerekir. Elektron, uyarılarak daha yüksek enerji seviyesine çıktığında, daha düşük enerji seviyesindeki ya da taban durumundaki haline oranla daha kararsız olacaktır. Bunun sonucu olarak da, hızlı bir şekilde daha düşük enerji seviyesine inecek ve bu iki enerji seviyesi arasındaki enerji farkına eşit enerjiye sahip bir foton salacaktır. (Bunu görselleştirmenize yardımcı olmak adına, Youtube'daki şu videya göz atmanızı öneririz: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)

Yukarıdaki şemada, hidrojen atomumuz için geçerli, çeşitli enerji seviyesi geçişlerinin basit bir çizimini görebilirsiniz. Geçiş yapılan enerji seviyeleri arasındaki fark ne kadar büyükse, daha fazla enerjinin soğurulduğuna ya da salındığına dikkatinizi çekmek istiyoruz. Bu da, yüksek frekansa sahip fotonların, daha büyük enerji geçişleri ile alakalı olması anlamına gelir. Örneğin, bir elektron, üçüncü eneji seviyesinden, ikinci enerji seviyesine geçerse, dalgaboyu yaklaşık olarak $700\text{ nm}$‍ olan bir kırmızı ışık fotonu salar. Ancak, altıncı enerji seviyesinden, ikinci enerji seviyesine geçen bir elektronun yaptığı geçiş çok daha büyük olduğundan, geçiş sırasında frekansı ve dolayısıyla da enerjisi kırmızı ışıktan daha büyük ve dalga boyu yaklaşık olarak $400\text{ nm}$‍ bir mor ışık fotonu salınır.

Her elementin elektronlarının enerji geçişleri, kendilerine özgü, dolayısıyla da birbirlerinden farklıdır. Buna bağlı olarak, belirli bir atomun saldığı ışığın renginden yola çıkılarak, emisyon (salınım) spektrumuna göre, elementin hangi element olduğunu belirleyebiliriz. Aşağıda, sıklıkla karşımıza çıkan bazı elementlerin emisyon spektrumlarına dair bazı örnekler yer alıyor:

Her bir emisyon spektrumu, tek bir elemente özgü olduğu için, bu spektrumların, elementlerin "parmak izleri" olduğunu düşünebiliriz. İnce bantlar (çizgiler), elementlerin elektronları, uyarılmış bir seviyeden, düşük bir enerji seviyesine geçiş yaparken salınan ışığın dalgaboyunu gösterir. Bilim insanları, bu farklı dalgaboylarını, uyarılmış atomların yaydıkları ışığı bir prizmadan geçirerek elde ederler. Prizma, kırılma adını verdiğimiz süreçle, bu ışığı, farklı dalgaboylarına ayırır. Bir prizma olmadan, bu farklı renkleri ayrı ayrı elde etmemiz mümkün değildir. Her elementin yaydığı ışığın kendine özgü olması laboratuvarlar ortamları için oldukça faydalı bir özelliktir.

Laboratuvarda, alev testi kullanarak elementleri birbirlerinden ayırabiliriz. Aşağıdaki görselde, bakır metali ya da bakır içeren tuzlar yakıldığında ortaya çıkan tipik yeşil alevi görebilirsiniz. Bunun, bir elektromanyetik radyasyon çeşidi olan ısı enerjisinin, atomların içindeki elektronları uyarması sonucu ortaya çıktığını hatırlatmak isteriz.

İçeriği bilinmeyen bir numunenin, hangi elementleri içerdiğini belirlemek için laboratuvarda bir test yapmak istediğimizde alev testini kullanabilir ve ortaya çıkan alevin rengine bağlı olarak da istediğimiz sonuçlara ulaşabiliriz. (Alev testleri konusunda daha fazla bilgi edinmek isterseniz şu videoya göz atmanızı öneririz: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

Bu anda kadar, atomlar, spektrumun UV ve görünür bölgesinde yer alan fotonları soğurduklarında gerçekleşen elektronik geçişlerden bahsettik. Ancak, spektrumun, kızılötesi (IR) bölgesindeki daha düşük enerjili radyasyon da atomlar ve moleküllerde bazı değişimlere sebep olabilir. Bu radyasyon çeşidi çoğu zaman elektronları uyarabilmek için yeterli enerjiye sahip olmasa da, moleküllerin içindeki bağların farklı şekillerde titreşmesine yol açarlar. Bir atomda yer alan bir elektronu uyarmak için gerekli enerji nasıl sabit bir değere sahipse, belirli bir kimyasal bağın titreşme şeklinin değişmesine sebep olabilecek enerji de sabit bir değere sahiptir. Laboratuvarlarda çalışan kimyacılar, özel araçlar kullanarak, belirli bir molekülün kızılötesi soğurma spektrumunu inceleyebilir ve bu spektrumu kullanarak, molekülde var olan kimyasal bağların ne tür bağlar olduklarını belirleyebilirler. Örneğin, bir kimyacı kızılötesi spektrumu kullanarak, karbon-karbon tekli bağlarına, karbon-karbon ikili bağlarına, karbon-azot tekli bağlarına, karbon-oksijen ikili bağlarıyla kısıtlı olmamak üzere, molekülün hangi bağları sahip olduğunu belirleyebilir. Her bağ diğerlerinden farklı olduğu için, titreştikleri şekiller de farklıdır ve farklı dalgaboyuna sahip kızılötesi radyasyonu soğururlar. Sonuç olarak, bir kimyacı, bir kızılötesi spektrumu inceleyerek, bir molekülün kimyasal yapısı ile önemli bilgiler elde edebilir.

Ele alacağımız son spektroskopi çeşidi, renkli bileşikler içeren çözeltilerin konsantrasyonlarını belirlemek için kullanılır. Daha önce, suya gıda boyası karıştırmayı denediyseniz, eklediğiniz gıda boyasının miktarı arttıkça çözeltinizin daha koyu ve daha renkli olduğunu farketmişsinizdir.

Bir çözeltinin renginin koyulaşması, daha fazla görünür ışığı soğurduğu anlamına gelir. Kimyada sıklıkla kullanılan analitik tekniklerden biri, konsantrasyonu bilinmeyen bir çözeltiyi, çözeltinin absorbansını (soğurmasını) ölçen bir spektrometreye yerleştiririz. Absorbans, $0$‍ ile $1$‍ arasında değerler alır. Absorbansın sıfır olması, ışığın çözeltinin içinden tamamen geçmesi ya da çözeltinin tamamen berrak olması anlamına gelir. Absorbansın $1$‍ olması ise, çözeltinin içinden hiç ışık geçmemesi ya da çözeltinin tamamen opak (ışık geçirmez) olması anlamına gelir. Abosrbans, aşağıda verilen Beer-Lambert Yasası'na göre çözelti içindeki renkli türlerin konsantrasyonuna bağlıdır:

Burada birimi olmayan bir nicelik olan $A$‍, absorbansı, birimi ${\text{M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍ olan $ϵ$‍, her bir maddeye özgü bir değer olan molar soğurma sabitini, birimi $\text{cm}$‍ olan $l$‍, çözelti kabının yol uzunluğunu, birimi molarite$(\text{M}$‍, or ${\displaystyle \frac{\text{mol}}{\text{L}}})$‍ olan $c$‍ ise çözeltinin konsantrasyonunu gösterir.

Konsantrasyonu bilinmeyen bir bakır(II) sülfat çözeltisi, bir spektrometreye yerleştiriliyor. Bir öğrenci, çözeltinin absorbansını $0,462$‍ olarak buluyor. Bakır (II) sülfatın molar soğurması $2,81{\text{ M}}^{-1}{\text{cm}}^{-1}$‍, çözelti kabının yol uzunluğu ise is $1,00\text{ cm}$‍ olarak veriliyor.

İlk olarak, Beer-Lambert Yasasını uygulayacağız.

Sonrasında, konsantrasyonu ($c$‍) bulmak için denklemi düzenleyeceğiz.

Son olarak da, bildiğimiz değerleri denkleme yerleştirip, $c$‍'nin neye eşit olduğunu hesaplayacağız.

Fotonlar, kuanta adı verilen, soğurulduklarında atomlara ya da moleküllere aktarılan kesikli enerji miktarlarına sahiptirler. Kimyacılar, elektromanyetik radyasyonun frekansına bağlı olarak, farklı spektroskopi türleri kullanarak bir atomun ya da molekülün yapısına dair bilgiler elde edebilirler. Elektromanyetik spektrumun UV ya da görünür bölgesinde yer alan fotonlar, elektronları uyarabilmek için yeterli enerjiye sahiptirler. Bu elektronlar, yeniden taban durumlarına geçtiklerinde, foton salınımı yaparlar ve bu fotonlar belirli frekanslara sahip görünür ışık olarak gözlemlenir. Bu atomik emisyon spektrumları kullanılarak, (çoğu zaman resmi olmayan alev testi ile olmak üzere), bir elementin elektronik yapısı ya da kimliği hakkında bilgiler elde edilir.

Atomlar ve moleküller, daha düşük frekanslı kızılötesi (IR) radyasyonu da soğurup, yayabilirler. Kızılötesi soğurma spektrumu, bir molekülün kimyasal yapısı ve içerdiği bağlar hakkında bilgi verdiğinden, kimyacılar için oldukça faydalıdır. Son olarak, spektroskopi, laboratuvar ortamında Beer-Lambert Yasası yardımıyla, çözeltilerin konsantrasyonlarının belirlenmesi için de kullanılabilir.