સ્પેકટ્રોસ્કોપી: પ્રકાશ અને દ્રવ્યની આંતરક્રિયા

રસાયણવિજ્ઞાનીઓએ અભ્યાસ કર્યો કે પરમાણુઓ અને અણુઓ સાથે વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણના જુદા જુદા પ્રકાર કઈ રીતે આંતરક્રિયા કરે છે. આ આંતરક્રિયાને સ્પેકટ્રોસ્કોપી કહેવામાં આવે છે. ત્યાં વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણના ઘણા પ્રકાર છે, તે જ રીતે પ્રકાશની આવૃત્તિઓને આધારે સ્પેકટ્રોસ્કોપી જુદા ઘણા પ્રકાર છે. આપણે UV-Vi સ્પેકટ્રોસ્કોપીને ધ્યાનમાં લઈને આ ચર્ચાની શરૂઆત કરીશું – વર્ણપટના UV અને દ્રશ્યમાન વિસ્તારમાં ફોટોનનું શોષણ કે ઉત્સર્જન થાય ત્યારે પરમાણુઓ અને અણુઓની અંદર શું થાય છે ($10-700\text{ nm}$10, minus, 700, start text, space, n, m, end text ની તરંગલંબાઈ).

આપણે ચર્ચા કરી છે કે કઈ રીતે અણુઓ અને પરમાણુઓ ફોટોનનું શોષણ કરી શકે, તેઓ તેની ઊર્જાનું પણ શોષણ કરે છે. શોષણ કે ઉત્સર્જન પામેલા ફોટોનની ઊર્જાના આધારે, જુદી જુદી ઘટના થઈ શકે. જ્યારે હાઇડ્રોજનનો પરમાણુ વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટના દ્રશ્યમાન અથવા UV વિસ્તારમાં પ્રકાશનું શોષણ કરે ત્યારે શું થાય એ ધ્યાનમાં લઈને શરૂઆત કરીશું.

જયારે પરમાણુ દ્રશ્યમાન પ્રકાશના ફોટોન અથવા UV ફોટોનનું શોષણ કરે, ત્યારે તે ફોટોનની ઉર્જા પરમાણુના એક ઇલેક્ટ્રોનને વધુ ઊર્જાવાળા સ્તરમાં ઉત્તેજિત કરે છે. નીચા ઊર્જા સ્તરમાંથી ઊંચા ઊર્જા સ્તરમાં, અથવા ઊંચા ઊર્જા સ્તરમાંથી ફરી પાછું નીચા ઊર્જા સ્તરમાં ઇલેક્ટ્રોનનું હલનચલન સંક્રાંતિ કહેવાય છે. સંક્રાંતિ થવા માટે, શોષણ પામેલા ફોટોનની ઊર્જા $2$2 ઊર્જા સ્તર વચ્ચે ઊર્જાના તફાવત જેટલી કે તેના કરતા વધુ હોય છે. તેમછતાં, એકવાર ઈલેક્ટ્રોન ઉત્તેજિત, વધુ ઊર્જાવાળી અવસ્થામાં હોય, પછી તે ખુબ વધુ અસ્થાયી સ્થાનમાં હોય છે. ઈલેક્ટ્રોન ઝડપથી ફરી પાછો નીચા ઊર્જા સત્રમાં આવી જાય છે—અને આમ કરતા, તે ઊર્જા સ્તર વચ્ચેના તફાવત જેટલી જ ઊર્જા સાથે ફોટોનનું ઉત્સર્જન કરે છે. (આ સમજવા માટે, યુટ્યુબ પરનો આ વિડીયો ઉત્કૃષ્ટ ઉદાહરણ પૂરું પાડે છે: https://www.youtube.com/watch?v=4jyfi28i928)

ઉપરની આકૃતિમાં, અમે ચાર હાઇડ્રોજન પરમાણુ માટે શક્ય સંક્રાંતિ ઊર્જા સ્તરના તફાવતને ચિત્રને સરળ બનાવ્યા છે. નોંધો કે ઊર્જા સ્તર વચ્ચે સંક્રાંતિ જેટલી મોટી, તેટલી જ વધુ ઊર્જા શોષણ/ઉત્સર્જન પામે. તેથી, વધુ આવૃત્તિવાળા ફોટોન વધુ ઊર્જા સંક્રાંતિ સાથે સંકળાયેલા છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન ત્રીજા ઊર્જા સ્તરમાંથી બીજા ઊર્જા સ્તરમાં આવે, ત્યારે તે રાતા પ્રકાશના ફોટોનનું ઉત્સર્જન કરે છે ($700\text { nm}$700, start text, space, n, m, end text તરંગલંબાઈ); તેમછતાં, જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન છઠ્ઠા ઊર્જા સ્તરમાંથી બીજા ઊર્જા સ્તરમાં આવે (મોટી સંક્રાંતિ), ત્યારે તે જાંબલી પ્રકાશના ફોટોનનું ઉત્સર્જન કરે છે ($400\text { nm}$400, start text, space, n, m, end text તરંગલંબાઈ), જે રાતા પ્રકાશ કરતા આવૃત્તિમાં વધુ છે (અને આમ ઊર્જામાં પણ).

દરેક તત્વના ઈલેક્ટ્રોન માટે ઊર્જા સંક્રાંતિઓ અનન્ય હોય છે, અને એકબીજા કરતા જુદી હોય છે. આમ, ચોક્કસ પરમાણુ વડે ઉત્સર્જિત પ્રકાશના રંગનું અવલોકન કરીને, આપણે ઉત્સર્જન વર્ણપટને આધારે તે તત્વને ઓળખી શકીએ. નીચેનું કેટલાક સામાન્ય તત્વો માટે ઉત્સર્જન વર્ણપટના કેટલાક ઉદાહરણ બતાવે છે:

દરેક ઉત્સર્જન વર્ણપટ તત્વ માટે અનન્ય હોય છે, તેથી આપણે દરેક વર્ણપટને દરેક તત્વની ફિંગરપ્રિન્ટ તરીકે વિચારી શકીએ. જ્યારે દરેક તત્વના ઈલેક્ટ્રોન ઉતેજીત અવસ્થામાંથી ઓછી ઊર્જાવાળી અવસ્થામાં જાય ત્યારે ઉત્સર્જિત પ્રકાશની ચોક્કસ તરંગલંબાઈને પાતળા પટ વડે દર્શાવાય છે. વૌજ્ઞાનિકો પ્રિઝમ વડે ઉત્તેજિત પરમાણુમાંથી પ્રકાશ આપાત કરીને જુદી જુદી તરંગલંબાઈઓને અલગ કરે છે, જે વક્રીભવનની પ્રક્રિયા વડે જુદી જુદી તરંગલંબાઈઓને અલગ કરે છે. પ્રિઝમ વગર, આપણે એક જ સમયે પ્રકાશની જુદી જુદી તરંગલંબાઈઓને જોઈ શકતા નથી. દરેક તત્વ વડે ઉત્સર્જિત રંગ હજુ પણ જુદો છે, જેનો ઉપયોગ ઘણી વાર લેબોરેટરીમાં થાય છે.

લેબમાં, આપણે જ્યોત કસોટીનો ઉપયોગ કરીને તત્વને અલગ કરી શકીએ. નીચેનું ચિત્ર બતાવે છે કે જ્યારે કોપર ધાતુ અથવા કોપર ક્ષારને સળગાવવામાં આવે ત્યારે તે લીલી જ્યોત બતાવે છે. (યાદ રાખો કે આ ઉષ્મા ઊર્જા છે—વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણનો પ્રકાર—આ દરેક પરમાણુમાં ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરી શકે છે.)

આપણે કયું તત્વ છે એ નક્કી કરવા લેબમાં અજ્ઞાત નમૂનાનું પરીક્ષણ કરી રહ્યા હોઈએ, તો આપણે હંમેશા જ્યોત કસોટીનો ઉપયોગ કરી શકીએ, અને જ્યોતના રંગને આધારે તારણ દોરી શકીએ. (જ્યોત કસોટીના વધુ ઉપયોગ માટે, આ વિડીયો ચકાસો: https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg)

અત્યાર સુધી, આપણે ઇલેક્ટ્રોનીય સંક્રાંતિ વિશે વાત કરી રહ્યા હતા, વર્ણપટના UV-દ્રશ્યમાન વિસ્તારમાં પરમાણુ વડે ફોટોનનું શોષણ થાય ત્યારે તે થાય છે. તેમછતાં, વર્ણપટના ઇન્ફ્રારેડ (IR) વિસ્તારમાં ઓછી ઊર્જાવાળું વિકિરણ પણ અણુઓ અને પરમાણુઓની અંદર ફેરફાર કરી શકે. આ પ્રકારનું વિકિરણ ઇલેક્ટ્રોનને ઉતેજીત કરવા જેટલી ઊર્જા ધરાવતું નથી, પણ તે જુદી જુદી રીતે અણુઓની અંદર રાસાયણિક બંધનું કંપન કરી શકે છે. જે રીતે ચોક્કસ પરમાણુમાં ઈલેક્ટ્રોનને ઉતેજીત કરવા માટેની જરૂરી ઊર્જા નિશ્ચિત હોય છે, તે જ રીતે ચોક્કસ રસાયણિક બંધમાં કંપન બદલવા માટેની જરૂરી ઊર્જા પણ નિશ્ચિત હોય છે. લેબમાં વિશિષ્ટ સાધનનો ઉપયોગ કરીને, વૌજ્ઞાનિક ચોક્કસ અણુ માટે IR ઉત્સર્જન વર્ણપટ જોઈ શકે અને અણુમાં કયા પ્રકારનો રસાયણિક બંધ હાજર છે એ નક્કી કરવા માટે તે વર્ણપટનો ઉપયોગ કરી શકે. ઉદાહરણ તરીકે, વૈજ્ઞાનિક IR વર્ણપટ પરથી શીખી શકે કે અણુ કાર્બન-કાર્બન એકબંધ, કાર્બન-કાર્બન દ્વિબંધ, કાર્બન-નાઇટ્રોજન એકબંધ, કાર્બન-ઓક્સિજન દ્વિબંધ ધરાવે છે. આ દરેક બંધ જુદા જુદા છે, તેથી દરેક જુદી રીતે કંપન પામશે, અને જુદી જુદી તરંગલંબાઈના IR વિકિરણનું શોષણ કરશે. આમ, IR શોષણ વર્ણપટને જોઈને, વૈજ્ઞાનિક અણુના રાસાયણિક બંધારણ વિશે મહત્વની બાબતો જાણી શકે.

સ્પેકટ્રોસ્કોપીના અંતિમ પ્રકારમાં આપણે ધ્યાનમાં લઈશું કે તેનો ઉપયોગ રંગીન સંયોજનો ધરાવતા દ્રાવણની સાંદ્રતા નક્કી કરવા માટે થાય છે. જો તમે પાણીમાં ક્યારેય ફૂડ કલર નાખ્યો હોય, તો તમે જાણો છો કે તમે જેટલો વધુ ફૂડ કલર નાખો, દ્રાવણ તેટલું જ વધુ ઘેરું બને.

જ્યારે દ્રાવણ ઘેરું બને, ત્યારે તેનો અર્થ થાય કે તે વધુ દ્રશ્યમાન પ્રકાશનું શોષણ કરે છે. રસાયણવિજ્ઞાનમાં એક વધુ સામાન્ય પૃથક્કરણની રીત સ્પેકટ્રોફોટોમીટરમાં અજ્ઞાત સાંદ્રતાના દ્રાવણને મુકવાની છે—સાધન જે દ્રાવણના અભિશોષણનું માપન કરે છે. અભિશોષણનું માપન $0$0 થી $1$1 છે. શૂન્ય અભિશોષણ એટલે પ્રકાશ દ્રાવણમાંથી સંપૂર્ણ પસાર થઈ જાય છે (દ્રાવણ તદ્દન ચોખ્ખું છે), અને $1$1 અભિશોષણ એટલે દ્રાવણમાંથી પ્રકાશ પસાર થઈ શકતો નથી (દ્રાવણ તદ્દન અપારદર્શક છે). બીયર-લેમ્બર્ટના નિયમ વડે અભિશોષણ દ્રાવણમાં રંગીન ઘટકોની સાંદ્રતા સાથે સંબંધિત છે:

જ્યાં $A$A અભિશોષણ છે (પરિમાણરહિત રાશિ), $\epsilon$\epsilon મોલર અભિશોષક અચળાંક છે (દરેક સંયોજન માટે અચળાંક અનન્ય છે, તેનો એકમ $\text{M}^{-1}\text{cm}^{-1}$start text, M, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, c, m, end text, start superscript, minus, 1, end superscript છે), $l$l દ્રાવણ ધરાવતા પાત્રની પથ લંબાઈ છે ($\text{cm}$start text, c, m, end text માં), અને $c$c મોલારિટીમાં દ્રાવણની સાંદ્રતા છે $\Big(\text{M}$left parenthesis, start text, M, end text અથવા $\dfrac{\text{mol}}{\text{L}}\Big)$start fraction, start text, m, o, l, end text, divided by, start text, L, end text, end fraction, right parenthesis).

અજ્ઞાત સાંદ્રતાના કોપર (II) સલ્ફેટ દ્રાવણને સ્પેકટ્રોફોટોમીટરમાં મુકવામાં આવે છે. વિદ્યાર્થી જુએ છે કે દ્રાવણનું અભિશોષણ $0.462$0, point, 462 છે. કોપર (II) સલ્ફેટની મોલર અભિશોષકતા $2.81\text{ M}^{-1}\text{cm}^{-1}$2, point, 81, start text, space, M, end text, start superscript, minus, 1, end superscript, start text, c, m, end text, start superscript, minus, 1, end superscript છે, અને દ્રાવણના પાત્રની પથ લંબાઈ $1.00\text{ cm}$1, point, 00, start text, space, c, m, end text છે.

સૌપ્રથમ, આપણે બીયર-લેમ્બર્ટનો નિયમ લાગુ પાડી શકીએ.

પછી, આપણે સાંદ્રતા, $c$c માટે ઉકેલવા સમીકરણને ફરીથી ગોઠવીએ.

અંતે, આપેલી કિંમતો મૂકીએ અને $c$c માટે ઉકેલીએ.

ફોટોન ઊર્જાનો ચોક્કસ જથ્થો ધરાવે છે જેને ક્વોન્ટા કહેવામાં આવે છે જ્યારે ફોટોનનું અભિશોષણ થાય ત્યારે તે ઊર્જા અણુ કે પરમાણુને આપી શકાય. વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણની આવૃત્તિને આધારે, રસાયણવિજ્ઞાનીઓ જુદી જુદી સ્પેકટ્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને પરમાણુ કે અણુના બંધારણના જુદા જુદા ભાગ વિશે કહી શકે. વિદ્યુતચુંબકીય વર્ણપટના UV અથવા દ્રશ્યમાન વિસ્તારમાં ફોટોન પાસે ઇલેક્ટ્રોનને ઉત્તેજિત કરવા માટે ઊર્જા હોય છે. એકવાર તે ઈલેક્ટ્રોન પાછા ધરા અવસ્થામાં આવી જાય, પછી ફોટોનનું ઉત્સર્જન થાય, અને અણુ અથવા પરમાણુ ચોક્કસ આવૃત્તિનો દ્રશ્યમાન પ્રકાશ આપે. ઈલેક્ટોરનીય રચના અને તત્વની ઓલઝ વિશે માહિતી મેળવવા આ પરમાણ્વીય ઉત્સર્જન વર્ણપટનો ઉપયોગ કરી શકાય (જ્યોત કસોટીનો ઉપયોગ કરીને).

અણુઓ અને પરમાણુઓ ઓછી આવૃત્તિ, IR વિકિરણનું શોષણ અને ઉત્સર્જન પણ કરી શકે. IR અભિશોષણ વર્ણપટ વૈજ્ઞાનિકો માટે ઉપયોગી છે કારણકે તેઓ અણુનું રાસાયણિક બંધારણ અને બંધનો પ્રકાર દર્શાવે છે. અંતે, બીયર-લેમ્બર્ટ નિયમનો ઉપયોગ કરીને અજ્ઞાત દ્રાવણની સાંદ્રતા નક્કી કરવા માટે તેનો લેબમાં ઉપયોગ કરી શકાય.