Farò quella cosa da insegnante e ti rivolgerò la tua domanda. Perché lo spettro dell'atomo di litio non è solo lo spettro dell'atomo di idrogeno più lo spettro dell'atomo di elio? E, del resto, perché lo spettro dell'elio non è semplicemente due copie, in qualche modo, dello spettro dell'idrogeno? Perché gli atomi hanno spettri unici in primo luogo?

La risposta alla mia domanda è che un atomo con numero di protoni $ Z $ può avere uno spettro di eccitazione fondamentalmente diverso (e la chimica ) da qualche altro atomo con numero di protoni $ Z + 1 $ perché quell'elettrone in più interagisce con tutti gli altri elettroni che erano già nell'atomo.

Questa è anche la risposta a la tua domanda. Allo stesso modo, quando combini due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno per creare l'acqua, non c'è un "elettrone di idrogeno" allo stesso modo di un atomo di idrogeno nudo, o anche una molecola di idrogeno. Un "elettrone di idrogeno" in una molecola d'acqua sta interagendo con entrambi i nuclei di idrogeno, e il nucleo di ossigeno, e gli altri nove elettroni nel sistema , che rende il suo spettro di eccitazione fondamentalmente diverso dallo spettro di un elettrone che interagisce con un protone libero.

Le molecole non sono solo somme sui loro atomi costituenti. Ci sono molti diversi tipi di legami che coinvolgono diversi modelli nella sovrapposizione degli orbitali degli elettroni e che influenzano i livelli di energia che questi elettroni possono occupare: presumo che il video QP che hai visto spieghi come il "colore" si relaziona ai livelli di energia degli elettroni.

Il caso dell'atomo (simile all'idrogeno) è solo lo scenario più semplice possibile: è effettivamente possibile calcolare esattamente . Gli ioni / atomi con più di un elettrone sono un po ' più complicati, quindi possiamo solo approssimarli. Gli elettroni negli orbitali interagiscono non solo con il nucleo (che può essere approssimato per essere una carica puntiforme per il nostro scenario), ma anche tra loro - e questa è la parte difficile. Ora, quando leghi due atomi insieme per formare una molecola, hai aggiunto un altro gruppo di elettroni di cui preoccuparti; si "deformeranno" a vicenda gli orbitali, anche quelli che non sono coinvolti direttamente nel legame (anche se solo leggermente).

Ad esempio, si consideri la molecola di idrogeno "semplice" :

Mentre gli atomi di idrogeno costituenti da soli normalmente hanno orbitali semplici 1s, che sono "sferici", puoi vedere che gli elettroni nella molecola sono in orbitali che sono "schiacciati". Questo ovviamente significa che i livelli di energia che questi elettroni possono occupare sono cambiati, e quindi anche il modo in cui interagiscono con i fotoni incidenti. E questa è solo una semplice molecola, composta da due atomi di idrogeno. Non c'è niente di più facile di così. Ora immagina qualcosa di un po 'più complesso, come i rodopinidi che ci danno una visione monocromatica: quelle sono proteine ​​composte da migliaia di singoli atomi. Anche se solo una piccola parte di questa proteina partecipa effettivamente all'assorbimento della luce incidente, questo evidenzia solo quanto sia complicato per gli scopi del mondo reale.

Allora, perché ci preoccupiamo anche degli spettri degli atomi, quando in natura non troviamo davvero troppi atomi "liberi"? A parte la semplice comprensione della fisica coinvolta, la ragione principale dell'astronomia è il plasma . La superficie di una stella è formata da ioni individuali, non da molecole. Quindi possiamo effettivamente vedere di cosa è fatta la stella osservando il suo spettro. E, naturalmente, non sei limitato a utilizzare solo spettri atomici: puoi notare che quando si determina ad es. la composizione dell'atmosfera di Giove, stiamo effettivamente cercando la "firma" di cose come il metano o l'anidride carbonica - ognuna lascia il suo segno distinto. Allo stesso modo, possiamo distinguere tra atomi di idrogeno e molecole di idrogeno. Allo stesso modo, l'ozono ha uno spettro di assorbimento diverso dalla semplice molecola di ossigeno, motivo per cui l'ozono ci protegge dalla luce ultravioletta mentre il diossigeno no.

La risposta è che il colore è determinato dalle transizioni di elettroni tra diversi stati energetici. Questi livelli sono diversi nelle molecole da quanto lo sono negli atomi componenti dove c'è solo una forza centrale negli atomi, mentre le molteplici cariche positive nelle molecole creano un campo potenziale più complesso in cui gli elettroni possono muoversi all'interno.

Le molecole si formano perché c'è una riduzione dell'energia elettronica consentita dall'adiacenza dei loro nuclei positivi. Essenzialmente gli elettroni esterni in una molecola sono condivisi da nuclei adiacenti e questa condivisione significa che possono avere un'energia totale inferiore. (Gli elettroni strettamente legati hanno energie più elevate.) La più ampia "gamma di movimento" consente anche a questi elettroni di avere transizioni di energia inferiori. Gli elettroni interni in genere non contribuiscono molto al colore, che è in realtà la capacità di assorbire i fotoni nella gamma visibile, mentre gli elettroni esterni diventano condivisi o delocalizzati tra i nuclei. La maggior parte delle molecole che consideriamo "colorate" in realtà sono molecole più grandi in cui le transizioni elettroniche si verificano effettivamente sulla lunghezza di più nuclei. Pensa al carotene (il composto che dà alle carote il loro colore) dove più doppi legami adiacenti alternati a legami singoli forniscono una lunga "pista" per gli elettroni per "scorrere" avanti e indietro.

http: / /www.800mainstreet.com/elsp/Elsp.html

I "colori" delle molecole non sono comunque determinati dalle interazioni con i nuclei, ma piuttosto da una "nuvola" elettronica attorno a più nuclei. Gli elettroni sono "condivisi" tra i nuclei che è la fonte delle energie di legame. La ragione per cui il modello a guscio delle transizioni elettroniche è inadeguato è che il potenziale "movimento" degli elettroni viene delocalizzato attorno ai vari nuclei in una molecola legata in modo covalente. È uno di quei concetti che rende la chimica organica così ... qual è il termine giusto ... vibrante ?.

È forse utile pensare agli elettroni nelle molecole come "elastici" in 3 dimensioni e le loro frequenze di risonanza sono determinate dai confini dei loro "orbitali" elettronici. La pagina di Wikipedia sugli orbitali molecolari ha molti background e illustrazioni utili. I composti organici con diversi doppi legami vicini l'uno all'altro sono spesso colorati nella gamma visibile dello spettro. Fai ulteriori ricerche sui "carotenoidi", le sostanze chimiche colorate nelle foglie che danno loro i colori rosso, giallo e arancione dell'autunno. Allo stesso modo la più famosa molecola fotosintetica clorofilla ha una risonanza abbastanza ampia che è accoppiata a una squisita cascata chimica per raccogliere l'energia dei fotoni visibili.