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Scienze e tecnologie chimiche
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ne infrarossa, visibile, e ultravioletta. Sono riportate le energie
E
1
ed
E
2
, due dei
numerosi stati elettronicamente eccitati di una molecola, e l’energia del suo
stato fondamentale
E
0
. Inoltre, le energie relative di alcuni dei molti stati vibra-
zionali associati con ogni stato elettronico sono indicate dalle linee orizzontali
più leggere.
Un’idea della natura degli stati vibrazionali si può avere disegnando un lega-
me in una molecola come una molla che vibra, con gli atomi attaccati ad en-
trambe le estremità. Con ogni vibrazione, gli atomi prima si avvicinano e poi si
allontanano l’un l’altro. L’energia potenziale di tale sistema ad ogni istante di-
pende dalla misura in cui il legame-molla è stirato o compresso. Per una molla
ordinaria, l’energia del sistema varia in modo continuo e raggiunge un massi-
mo quando la molla è completamente stirata o completamente compressa. Al
contrario, l’energia di un sistema di molle con dimensioni atomiche può assu-
mere solo certe energie discrete chiamate livelli energetici vibrazionali.
Alcuni dei livelli di energia vibrazionale associati ad ogni stato elettronico di
una molecola sono indicati dalle linee orizzontali indicate con 1, 2, 3 e 4 nella
Figura 15.2 (i livelli vibrazionali più bassi sono segnati con 0). Si noti che le
differenze in energia fra gli stati vibrazionali sono significativamente più picco-
le di quelle fra i livelli energetici degli stati elettronici (tipicamente un ordine
di grandezza inferiori). Sebbene non siano mostrati, una molecola ha una mol-
teplicità di stati rotazionali quantizzati, associati al moto rotazionale della mo-
lecola intorno al suo centro di gravità. Questi stati energetici rotazionali sono
sovrapposti su ciascuno degli stati vibrazionali mostrati nel diagramma energe-
tico. Le differenze di energia fra questi stati sono più piccole di quelle fra gli
stati vibrazionali di un ordine di grandezza. L’energia totale
E
associata ad una
molecola è quindi data da
E
=
E
elettronica
+
E
vibrazionale
+
E
rotazionale
dove
E
elettronica
è l’energia associata agli elettroni nei vari orbitali esterni della
molecola, ed
E
vibrazionale
è l’energia della molecola nel suo insieme, dovuta alle
vibrazioni interatomiche. Il termine
E
rotazionale
rende conto dell’energia asso-
ciata alla rotazione della molecola intorno al suo centro di gravità.
Le frecce centrali in Figura 15.2 suggeriscono che le molecole in esame as-
sorbono radiazione visibile di cinque lunghezze d’onda, promuovendo di con-
seguenza gli elettroni ai cinque livelli vibrazionali del livello elettronico
E
1
ec-
citato. Sono richiesti fotoni ultravioletti, che sono più energetici, per produrre
l’assorbimento indicato dalle cinque frecce a destra.
Come suggerito dalla Figura 15.2, l’assorbimento molecolare nelle regioni
del visibile e dell’ultravioletto consiste di
bande di assorbimento
costituite da
linee strettamente ravvicinate. Una molecola reale ha molti più livelli energeti-
ci di quelli qui mostrati; così la tipica banda di assorbimento consiste di un
numero molto elevato di linee. In una soluzione, le specie assorbenti sono cir-
condate dal solvente e la natura a banda dell’assorbimento molecolare spesso
diventa slargata perché le collisioni tendono ad allargare le energie degli stati
quantici, dando così picchi di assorbimento arrotondati e continui.