Ысқаша теориялық кiрiспе

1. Электромагниттiк сәуле спектрi. Көрiнетiн сәуле мен радиотолқындар, рентген ультракүлгiн, инфрақызыл және g-сәулелерi-бұлар бiр-бiрiнен толқын ұзындығы (жиiлiгi) бойынша өзгеше электромагниттiк сәуле түрлерi. Толқын ұзындығының (жиiлiгiнiң) өсуi бойынша орналастырғанда бұлар электромагниттiк толқындардың толық спектрiн құрайды, сонда толқын ұзындығы нанометрдiң бөлiгiнен бастап бiрнеше км-ге дейiн өзгеретiн өте кең аралықты алып жатады (1.1-кесте).

1.1-кесте

Электромагниттiк толқындар спектрi

Атомдар мен молекулалардың энергетикалық күйлерi шартты түрде горизонтал түзулер - энергетикалық деңгейлер (1.1-сурет) түрiнде кескiнделедi. Ең төменгi деңгей-негiзгi Е₀ деңгей микробөлшектiң негiзгi күйiне сәйкес келедi. Бұдан жоғары Е₁, Е₂, Е₃,... және т.б. деңгейлерi орналасады; бұлардың әр қайсысы нақты қозған күйге сәйкес келедi. Және де жоғарырақ (биiгiрек) энергетикалық деңгейге атомның не молекуланың iшкi энергиясының молырақ қоры сәйкес келедi.

1.1-сурет. Атомның энергиялық деңгейлерi схемасы. Стрелкалармен мүмкiн болатын ауысулар көрсетiлген.

Микробөлшектi негiзгi деңгейден қозған деңгейге ауыстыру үшiн микробөлшекке берiлетiн энергия қоздыру энергиясы деп аталады. Қоздыру энергиясы көбiнесе электрон-вольтпен (эВ) өлшенедi.

Зат бөлшектерiнiң энергияны жұту процесi жоғары бағытталған стрелкалармен, ал энергия шығару процесi-төмен бағытталған стрелкалармен белгiленедi (1.1-сурет).

Зат бөлшектерi энергияны екi деңгей энергиясының айырмасына тең энергия үлестерiмен (кванттар) жұтып және шығара алады.

Әрбiр ауысу нақты жиiлiгi бар квантты қажет етедi, ал оны араларында ауысу болатын деңгейлердiң энергиясы белгiлi болса есептеп табуға болады. Мысалы, ; .

Берiлген заттың деңгейлерi арасында қанша кванттық ауысу мүмкiн болса, ол теория жүзiнде жиiлiктерi әртүрлi сонша квантты жұта алады. Осы жиiлiктер жиынтығы заттың жұтылу спектрiн бередi. Заттың шығару спектрi осы заттың атомдары (молекулалары) жоғарырақ деңгейлерден төменiрек деңгейлерге ауысқан кезде шығара алатын барлық жиiлiктердiң (толқын ұзындықтарының) жиынтығы болып табылады. Заттың шығару спектрiндегi жиiлiктер оның жұтылу спектрiндегi жиiлiктермен дәл келетiндiгi айтпаса да түсiнiктi.

Әрбiр заттың өзiнiң деңгейлер саны және деңгейлер энергияларының айырмасы бойынша басқа заттардан өзгеше энергетикалық деңгейлер жиынтығы болады. Сондықтан әр түрлi заттың спектрлерi шығаратын немесе жұтылатын кванттарының (фотондарының) жиiлiктерi бойынша да, бұлардың саны бойынша да бiрiнен-бiрi өзгеше болады. Осы жағдай зат спектрiн зерттеп оның химиялық құрамы жөнiнде қорытынды жасауға мүмкiндiк бередi.

3. Спектр түрлерi: сызықтық, жолақ және тұтас.

Сызықтық спектрлер бiр-бiрiнен бiршама қашықтықтарда орналасқан жеке-жеке сызықтардан тұрады. Сызықтық спектрлер молекулаға бiрiкпеген және бiр-бiрiмен әсерлеспейтiн жеке атомдар жарық шығарған жағдайда алынады. Сызықтық спектр беретiн көп тараған жарық көздерi: солғын, доғалық және ұшқындық разрядтар, жалын.

Жолақ спектрлер әрқайсысы өте жиi орналасқан, кей жағдайда бiрiгiп кеткен сызықтар жиынтығы болып табылатын енi үлкенiрек немесе кiшiрек болып келетiн жолақтардан тұрады. Жолақ спектрлер молекулаларға тән.

Үздiксiз (тұтас) спектр тұтас кең жолақ түрiнде бiр-бiрiмен қосылып кеткен өте көп сызықтар болып табылады. Тұтас спектр қыздырылған қатты немесе сұйық зат шығаратын сәуленi толқын ұзындықтары бойынша жiктеген кезде алынады.

Зат үлгiсiнiң тiркелген спектрiн талдау керек болады. Өйткенi әрбiр элементтiң және әрбiр заттың өзiнiң нақты толқын ұзындықтарына сәйкес сызықтардан немесе жолақтардан тұратын сипаттауыш спектрi болады. Сондықтан спектрлiк талдау жүргiзгенде сызықтардың (жолақтардың) толқын ұзындықтары анықталады және бұлардың қандай элементтердiкi екендiгi анықтама әдебиет арқылы тағайындалады.

Зат үлгiсi спектрiн зерттеудi және талдауды мүмкiн ету үшiн жиiлiктерi әртүрлi кванттарды кеңiстiкте бiр-бiрiнен ажырату керек, басқаша айтқанда, электромагниттiк сәуленi жиiлiк (толқын ұзындық) бойынша жiктеу керек. Осы процесс жарықты спектрге жiктеу деп аталады. Бұл спектрлiк аспаптарда iске асырылады.

Толқын ұзындықтары бойынша жiктелген сәуле әйтеуiр бiр амалмен тiркелуi керек. Бұл үшін жарықты тiркеудiң әр түрлi әдiстерi қолданылады, көп тарағаны фотографиялық және фотоэлектрлiк әдiстер.

Фотографиялық тiркеу әдiсi фотопленка немесе фотопластинкаға түскенде жарық бұлардың қараюын тудыруына негiзделген. Шығару спектрi осы жағдайда пластинканың (әйнектiң) бетiнде қара сызықтар (сызықтық спектр) немесе қара жолақтар (жолақ спектр) түрiнде алынады.

5. Атомдық спектрлер. Атомдар электромагниттiк сәуленi шығарған және жұтқан жағдайда сәуле жұтқан немесе шығарған әрбiр атомның iшкi энергиясы өзгередi.

Атомның iшкi энергиясы оның ядросының энергиясы мен электрондарының энергиясынан құралады. Егер атомға сырттан әсер етiлмесе, онда оның ядросы мен электрондары атомның iшкi энергиясы ең аз болатындай энергетикалық күйлерге жайғасады, яғни атом қозбаған болады. Бiр элементтiң барлық атомдарының iшкi энергиялары бiрдей болады.

Ядромен берiк байланысқан толған iшкi электрондық қабықтағы электронды қоздыру немесе жұлып шығару үшін едәуiр жоғары мөлшерде (жүздеген эВ болатын) энергия қажет. Iшкi электрондық қабықтар өзгерiске ұшырағанда атомдар рентген сәулесi кванттарын жұтып немесе шығаратын болады, бұлар элементтiң рентгендiк спектрiн құрайды.

Атомның сыртқы және толмаған iшкi электрондық қабықтарының электрондары ядромен едәуiр әлсiз байланысқан. Бұларды қоздыру үшiн, тiптi жұлып шығару үшiн бар болғаны бiрнеше эВ энергия жеткiлiктi. Көрiнетiн, ультракүлгiн, инфрақызыл сәуле фотондарының энергиясы осы шамалас болады және де осындай энергияны атомдар доғалық, ұшқындық разряд сияқты жарық көздерiнде қабылдай алады.

Сонымен, оптикалық спектрлер алынатын жағдайларда атом энергиясының өзгерiсi тек оптикалық электрондар энергиясының өзгеруiне байланысты болады. Сыртқы және толмаған iшкi қабықтардағы электрондар осылай аталады. Химияда осы электрондар валенттiк деп аталады, өйткенi бұлар химиялық байланысқа қатысады және элементтердiң валенттiлiгiн анықтайды.

Мысалы, натрийдың қоздырылмаған атомында ₁₁Na 1s²2s²2p⁶3s¹ сыртқы қабықтын 3s күйдегi электрон оптикалык болып табылады.

Алюминий атомында үш оптикалык электрон бар: Al 1s²2p²2p⁶3s²3p¹.

Бұлардың бәрi сыртқы қабықта, бiрақ екеуi 3s күйде (n=3, l=0), ал бiреуi 3p күйде (n=3, l=1).

6. Химиялық элементтердiң атомдық спектрi сызықтық. Әрбiр элементтiң басқа элементтердiң спектрлерiнен сызық саны және бұлардың толқын ұзындығы басқаша өзiне тән спектрi болады. Элемент спектрiнiң құрылымы оның атомдарының iшкi энергиясының мүмкiн мәндерiмен анықталады. Оптикалық спектрлердi алу жағдайларында атомның iшкi энергиясы оптикалық электрондардың энергиясына ғана тәуелдi, басқа iшкi энергия түрi сияқты ол тек дискреттi өзгере алады.

Мысалы, қоздырылмалған натрий атомындағы оптикалық электрон 3s күйде орналасқан, ал атом қоздырылған кезде ол 3s күйден 3p,4s,3d,4p,5s және т.б. күйлерiне көше алады.

Бiр элемент атомдарының құрылысы бiрдей, сондықтан да оптикалық электрондарының мүмкiн болатын күйлерiнiң жиынтығы да бiрдей болады. Ал әртүрлi элемент атомдарының құрылысы әртүрлi, сондықтан да бұлардың деңгейлерi мен спектрлерi бiр-бiрiнен өзгеше болады.

Шығару (эмиссиялық) спектрiндегi әрбiр сызық қозу энергиясымен (немесе қозу потенциалымен) сипатталады. Мәселен, сутегiнiң бiрiншi резонанстық сызығының қозу энергиясы 10,2 эВ (1.2-кесте). Сутегi спектрiндегi сызықтардың бәрi серияларға топтасады. Бiр серияға жататын сызықтардың бәрiнiң төменгi деңгейi бiрдей, ал жоғарғы деңгейлерi әртүрлi болады.

Бiр серияға жататын сызықтар спектрдiң қысқа толқынды бөлiгiне қарай бiр-бiрiне жақындай бередi де, толқын ұзындықтың едәуiр аумағын алып жататын тұтас спектрге ауысады.

Сутегi тәрiздi иондар, яғни бiр электроны бар иондар (Не⁺, Li²⁺, Be³⁺,B⁴⁺⁺,...) спектрi құрылымы бойынша сутегi спектрiне ұқсас, сызықтардың толқын ұзындығында ғана айырмашылық болады. Не⁺, Li²⁺,... қатарында ядро заряды өскен кезде жалғыз электрон мен ядро арасындағы байланыс энергиясы артады да осыған сәйкес энергиясы өседi. Сондықтан ионның заряды неғұрлым үлкен болса соғұрлым оның деңгейлерiнiң ара қашықтығы үлкен, ал спектрiндегi сызықтардың толқын ұзындығы қысқа болады (1.2-кесте).

1.2-кесте

Сонымен, көп электронды атомдардағы электрондар арасында әсерлесудiң болуы оптикалық электрондардың мүмкiн энергетикалық күйлер санының көбеюiне, демек атомның энергетикалық деңгейлерi санының көбеюiне әкелiп соғады.