מתכונת 5 בכימיה - שיווי משקל, פולימרים וכימיה פיזיקלית 037282

כל הגזים חסרי צבע, ולכן אי אפשר לעקוב אחר צבע. אבל מספר מולי הגז משתנה בתגובה: מ- 4 מול גז מגיבים ($1\ \text{mol}\ \text{N}_2 + 3\ \text{mol}\ \text{H}_2$) נוצרים 2 מול גז תוצר ($\text{NH}_3$).

בכלי סגור שנפחו וטמפרטורתו קבועים, לחץ הגז תלוי במספר חלקיקי הגז: ככל שיש פחות חלקיקים, יש פחות התנגשויות של חלקיקים בדפנות הכלי ביחידת זמן, והלחץ קטן. לכן כל עוד התגובה מתרחשת, הלחץ בכלי יורד; כשהמערכת מגיעה לשיווי משקל, הלחץ נעשה קבוע.

תגובה (1) אקסותרמית ($\Delta H^o_{(1)} < 0$): חום עובר מהמערכת לסביבה. האנרגיה הנוספת מגדילה את תנועת החלקיקים בסביבה ואת מספר האפשרויות לפיזור האנרגיה בה, ולכן האנטרופיה של הסביבה עולה. לפי הנוסחה:

לפי החוק השני של התרמודינמיקה, בתהליך ספונטני האנטרופיה של היקום עולה:

$\Delta S^o_{מערכת} < 0$ (נתון; מספר מולי הגז קטן מ- 4 ל- 2) ו- $\Delta S^o_{סביבה} > 0$ (תת-סעיף i). כדי שהסכום יהיה חיובי, העלייה באנטרופיה של הסביבה חייבת להיות גדולה מהירידה באנטרופיה של המערכת: $\Delta S^o_{סביבה} > |\Delta S^o_{מערכת}|$.

ריכוז התוצר בחזקת המקדם שלו (2) במונה, ומכפלת ריכוזי המגיבים, כל אחד בחזקת המקדם שלו, במכנה:

(הריכוזים הם ריכוזים בשיווי משקל, ביחידות $\text{mol/L}$.)

1. ריכוזי המגיבים בשיווי משקל, לפי $C = \frac{n}{V}$:

2. מביטוי קבוע שיווי המשקל:

טעות נפוצה: להציב את מספר המולים במקום הריכוז, או לשכוח להעלות את ריכוז המימן בחזקת 3.

מיד לאחר ההוספה ריכוז $\text{H}_2$ גדל, ולכן מנת הריכוזים $Q = \frac{[\text{NH}_3]^2}{[\text{N}_2]\cdot[\text{H}_2]^3}$ קטנה ונעשית קטנה מ- $K_c$ (הטמפרטורה לא השתנתה, ולכן $K_c$ נשאר 0.50).

ברמת החלקיקים: כשריכוז $\text{H}_2$ גדל, גדל מספר ההתנגשויות האפקטיביות בין מולקולות $\text{H}_2$ למולקולות $\text{N}_2$ ביחידת זמן, ומהירות התגובה הישירה גדלה ונעשית גדולה ממהירות התגובה ההפוכה.

לכן מתרחשת בעיקר התגובה הישירה: $\text{N}_2$ (ו- $\text{H}_2$) נצרכים ונוצר $\text{NH}_3$, עד ש- $Q$ שווה שוב ל- $K_c$. בשיווי המשקל החדש ריכוז $\text{N}_2$ קטן מבשיווי המשקל הקודם.

(מניחים ש- $\Delta H^o$ ו- $\Delta S^o_{מערכת}$ כמעט אינם תלויים בטמפרטורה.)

1. השינוי באנטרופיה של הסביבה:

2. השינוי באנטרופיה של היקום:

לפי החוק השני של התרמודינמיקה, בתהליך ספונטני האנטרופיה של היקום עולה. ב- $700\ \text{K}$ מתקבל $\Delta S^o_{יקום} < 0$, ולכן התגובה אינה ספונטנית בטמפרטורה זו: בטמפרטורה גבוהה העלייה באנטרופיה של הסביבה קטנה, והיא אינה מפצה על הירידה הגדולה באנטרופיה של המערכת (2 מול גז הופכים למוצק).

טעות נפוצה: לשכוח להמיר $\text{kJ}$ ל- $\text{J}$ לפני החלוקה בטמפרטורה.

אנתלפיית ההתהוות התקנית של יסוד במצבו התקני ($\text{N}_{2(g)}$, $\text{O}_{2(g)}$) היא אפס.

טעות נפוצה: לשכוח להכפיל את אנתלפיית ההתהוות במקדם של החומר בניסוח.

המגיבים בשתי התגובות זהים, ולכן גם סכום האנטרופיות שלהם זהה. ההבדל הוא במצב הצבירה של 6 מול המים שבתוצרים.

האנטרופיה של חומר במצב גז גדולה מהאנטרופיה שלו במצב נוזל: בגז החלקיקים רחוקים זה מזה ונעים בחופשיות בכל הנפח, ויש הרבה יותר אפשרויות לפיזור החלקיקים והאנרגיה שלהם (יותר מצבים מיקרוסקופיים) מאשר בנוזל.

לכן סכום האנטרופיות של התוצרים בתגובה (5) קטן מזה שבתגובה (4), ו- $\Delta S^o_{מערכת} = \Sigma S^o_{תוצרים} - \Sigma S^o_{מגיבים}$ קטן יותר. גם לפי מספר מולי הגז: בתגובה (4) מספר מולי הגז עולה מ- 7 ל- 8, ובתגובה (5) הוא יורד מ- 7 ל- 2.

- מספר מולי הגז: במגיבים יש 3 מול גז ($3\text{O}_{2(g)}$), ובתוצרים 5 מול גז ($2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)}$) – מספר מולי הגז גדל.

- מצבי הצבירה: המגיב אתנול נמצא במצב נוזל, וכל התוצרים במצב גז.

בגז החלקיקים נעים בחופשיות בכל נפח הכלי, ויש להם מספר רב יותר של מצבים מיקרוסקופיים אפשריים – פיזור החלקיקים והאנרגיה גדול יותר. לכן האנטרופיה של המערכת עולה.

באידוי החומר עובר ממצב נוזל למצב גז, והמולקולות עצמן אינן משתנות:

בנוזל המולקולות קרובות זו לזו ומוחזקות בקשרי מימן ובאינטראקציות ואן דר ואלס; חופש התנועה שלהן מוגבל. בגז המולקולות רחוקות זו מזו ונעות בחופשיות בכל נפח הכלי. לכן בגז מספר המצבים המיקרוסקופיים האפשריים גדול יותר – פיזור החלקיקים והאנרגיה גדול יותר, והאנטרופיה המולרית גבוהה יותר.

תגובה (2) אקסותרמית ($\Delta H^0_{(2)} < 0$): המערכת משחררת חום לסביבה. האנרגייה שעוברת לסביבה מגבירה את תנועת החלקיקים בסביבה ואת פיזור האנרגייה בה – האנטרופיה של הסביבה עולה. (בהתאם לנוסחה $\Delta S^0_{\text{סביבה}} = -\frac{\Delta H^0}{T}$: כאשר $\Delta H^0 < 0$, $\Delta S^0_{\text{סביבה}} > 0$.)

נמיר את $\Delta H^0$ ל־J: $\Delta H^0_{(2)} = -1277\ \text{kJ} = -1277\cdot10^{3}\ \text{J}$

(ערך מדויק יותר: $3423.6\ \frac{\text{J}}{\text{K}}$.)

טעות נפוצה: לשכוח להמיר kJ ל־J, ולקבל ערך קטן פי 1000.

הערך חיובי, בהתאם לעלייה במספר מולי הגז בתגובה (2) (מ־4 ל־5).

התוצרים של שתי התגובות זהים ($2\text{CO}_{2(g)} + 3\text{H}_2\text{O}_{(g)}$), ולכן בשני הגרפים הם באותה רמה. ההבדל הוא במגיבים: בתגובה (1) אתנול נוזל ובתגובה (2) אתנול גז.

לפי סעיף ב ii, האנטרופיה של אתנול נוזל נמוכה מזו של אתנול גז. לכן רמת המגיבים של תגובה (1) צריכה להיות נמוכה מרמת המגיבים של תגובה (2), והשינוי באנטרופיה בתגובה (1) גדול יותר: $\Delta S^0_{(1)} > \Delta S^0_{(2)}$.

בגרף b רמת המגיבים (1) היא הנמוכה והחץ $\Delta S^0_{(1)}$ הארוך – מתאים. בגרף a הסדר הפוך.

- (1) אחוז גבישיות גבוה – באזורים הגבישיים השרשרות צפופות ומסודרות והקשרים הבין־מולקולריים ביניהן רבים, ולכן הסיב חזק.

- (4) שרשרות שאפשר ליישר ולסדר במקביל במתיחה – כך גדלים הסידור והגבישיות לאורך ציר הסיב, והסיב מתחזק.

- (5) רצף סדיר של יחידות חוזרות – שרשרות סדירות יכולות להתאים זו לזו ולהסתדר במבנה גבישי.

התכונות שנפסלו: (2) הסתעפויות רבות מונעות התקרבות של השרשרות וסידור מקביל – הגבישיות נמוכה והסיב חלש; (3) אם $T_m$ נמוך מטמפרטורת החדר, האזורים הגבישיים מתפרקים כבר בטמפרטורת השימוש, והפולימר אינו יכול לשמור על מבנה של סיב.

פולימר ממונומר I (פוליטטרפלואורואתילן, טפלון): פלמור סיפוח – הקשר הכפול $\text{C}=\text{C}$ נפתח, והמונומרים מתחברים בלי שמשתחררת מולקולה קטנה. היחידה החוזרת:

פולימר ממונומרים II ו־ III (ניילון 4,10 – פוליאמיד): פלמור דחיסה – קבוצת אמין $-\text{NH}_2$ מגיבה עם קבוצת קרבוקסיל $-\text{COOH}$; נוצר קשר אמידי ומשתחררת מולקולת מים. היחידה החוזרת:

1. השרשרות ארוכות ולא מסועפות, ואין בהן קבוצות צדדיות – לכל אטום פחמן קשורים רק שני אטומי פלואור קטנים, ולכן השרשרות יכולות להתקרב זו לזו לכל אורכן.

2. כל היחידות החוזרות זהות וסימטריות (כל הפחמנים בשרשרת זהים), ולכן השרשרות מסתדרות במקביל במבנה סדיר מאוד – אחוז הגבישיות גבוה מאוד.

1. השרשרות לינאריות, לא מסועפות וללא קבוצות צדדיות, ובנויות מיחידות חוזרות סדירות – הן מסתדרות במקביל, ואחוז הגבישיות גבוה.

2. בעמוד השדרה יש קבוצות אמיד: בין קבוצות $\text{N}-\text{H}$ של שרשרת אחת לבין קבוצות $\text{C}=\text{O}$ של שרשרת סמוכה נוצרים קשרי מימן רבים – קשרים בין־מולקולריים חזקים, ולכן הסיב חזק.

לפני המתיחה רבות מהשרשרות מפותלות ומסודרות באקראי (אזורים אמורפיים). במתיחה השרשרות מתיישרות ומסתדרות במקביל זו לזו לאורך ציר הסיב, מתקרבות זו לזו, ונוצרים ביניהן יותר קשרים בין־מולקולריים (בניילון – קשרי מימן); אחוז הגבישיות גדל. ככל שיש יותר קשרים בין שרשרות מסודרות, נדרש כוח רב יותר כדי להפריד ביניהן – הסיב חזק יותר.

במונומר יש קשר כפול $\text{C}=\text{C}$, וגם שתי קבוצות פונקציונליות שיכולות להגיב זו עם זו – אמין $-\text{NH}_2$ וקרבוקסיל $-\text{COOH}$.

1. פלמור סיפוח (דרך הקשר הכפול; הקבוצות $-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ ו־ $-\text{COOH}$ נשארות קבוצות צדדיות). היחידה החוזרת:

2. פלמור דחיסה (קבוצת $-\text{NH}_2$ של מונומר אחד מגיבה עם קבוצת $-\text{COOH}$ של מונומר אחר; נוצר קשר אמידי ומשתחררת מולקולת מים; הקשר הכפול נשאר בעמוד השדרה). היחידה החוזרת:

•בפוליאמיד השרשרת לינארית וללא קבוצות צדדיות, ובעמוד השדרה קבוצות אמיד סדירות: בין קבוצות $\text{N}-\text{H}$ לקבוצות $\text{C}=\text{O}$ של שרשרות סמוכות נוצרים קשרי מימן רבים, והשרשרות מסתדרות במקביל – אחוז גבישיות גבוה וסיב חזק.

•בפולימר הסיפוח יש על כל אטום פחמן בעמוד השדרה קבוצה צדדית ($-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$ או $-\text{COOH}$), הפונות לכיוונים שונים באופן לא סדיר. הקבוצות מרחיקות את השרשרות זו מזו ומונעות סידור מקביל, ולכן אחוז הגבישיות נמוך – פחות מתאים לסיבים.

פולימר A – במונומר יש קשר כפול $\text{C}=\text{C}$ וקבוצה פונקציונלית אחת בלבד ($-\text{COOH}$), ולכן הפולימר נוצר בפלמור סיפוח. היחידה החוזרת:

פולימר B – במונומר קבוצת $-\text{NH}_2$ וקבוצת $-\text{COOH}$, ולכן הוא נוצר בפלמור דחיסה (פוליאמיד; משתחררות מולקולות מים). היחידה החוזרת:

פולימר C – גם הוא פוליאמיד הנוצר בפלמור דחיסה. היחידה החוזרת:

בשני הפולימרים יש קשרים אמידיים בעמוד השדרה, שבין שרשרות סמוכות יכולים ליצור קשרי מימן ($\text{N}-\text{H}\cdots\text{O}=\text{C}$).

- B – שרשרת לינארית ללא קבוצות צדדיות: השרשרות מתקרבות זו לזו ומסתדרות במקביל באופן סדיר, ולכן קבוצות האמיד של שרשרות סמוכות נמצאות זו מול זו ונוצרים ביניהן קשרי מימן רבים; אחוז הגבישיות גבוה.

- C – בכל יחידה חוזרת יש קבוצה צדדית גדולה, טבעת בנזן $-\text{C}_6\text{H}_5$. הקבוצות הגדולות מרחיקות את השרשרות זו מזו ומפריעות לסידור הסדיר שלהן, ולכן נוצרים פחות קשרי מימן ואחוז הגבישיות נמוך יותר.

לכן הקשרים הבין־מולקולריים בין שרשרות B חזקים יותר בסך הכול, והסיבים מ־ B חזקים יותר.

1. קשיחות השרשרת: בעמוד השדרה של D יש טבעות בנזן מישוריות וקשיחות, המגבילות את הסיבוב סביב הקשרים. השרשרות ישרות יחסית ומסתדרות במקביל בצפיפות, וביניהן קשרים בין־מולקולריים רבים. ב־ E אין טבעות, ועמוד השדרה בנוי כולו מקטעים גמישים, שסביב הקשרים היחידים שלהם יש סיבוב חופשי – השרשרת נוטה להתפתל.

2. סדירות השרשרת: ב־ D אין קבוצות צדדיות, ולכן השרשרות סדירות ומתאימות זו לזו – אחוז גבישיות גבוה. ב־ E יש קבוצה צדדית $-\text{CH}_3$ בכל יחידה חוזרת, המרחיקה את השרשרות זו מזו ומפריעה לסידור הסדיר – אחוז הגבישיות נמוך יותר.

(בשני הפולימרים יש קבוצות אסטר קוטביות ולכן קשרי דו־קוטב–דו־קוטב; ההבדל בחוזק נובע מהמבנה המרחבי של השרשרות.)

שלושת הפולימרים הוכנו בפלמור דחיסה.

נימוק: בעמוד השדרה של כל אחת מהיחידות החוזרות יש קבוצות אמיד ($-\text{NH}-\text{CO}-$), ובשדרה יש אטומי חנקן ולא רק אטומי פחמן. קשר אמידי נוצר בתגובת דחיסה בין קבוצה אמינית ($-\text{NH}_2$) לקבוצה קרבוקסילית ($-\text{COOH}$), ובכל קשר שנוצר משתחררת מולקולת מים. לכן אלה פוליאמידים – פולימרי דחיסה.

בכל קשר אמיד "מחזירים" את המים: ל-N מוסיפים H (מתקבלת קבוצה $-\text{NH}_2$) ולקבוצת $\text{C}=\text{O}$ מוסיפים OH (מתקבלת קבוצה $-\text{COOH}$).

ניילון 6,6 – שני מונומרים:

•דיאמין: $\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2$

•חומצה דו-קרבוקסילית (חומצה אדיפית): $\text{HOOC}-(\text{CH}_2)_4-\text{COOH}$

ניילון 12 – מונומר אחד, ובו קבוצה אמינית וקבוצה קרבוקסילית באותה מולקולה:

- $\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_{11}-\text{COOH}$

ניילון 6T – שני מונומרים:

•דיאמין: $\text{H}_2\text{N}-(\text{CH}_2)_6-\text{NH}_2$

•חומצה דו-קרבוקסילית ארומטית (חומצה טרפתלית): $\text{HOOC}-\text{C}_6\text{H}_4-\text{COOH}$ (שתי קבוצות $-\text{COOH}$ בעמדות מנוגדות בטבעת)

לא נכון. בהיתוך לא נשברים קשרים קוולנטיים בשרשרות – קשרי האמיד נשארים, ואורך השרשרות אינו משתנה. בטמפרטורה $\text{T}_\text{m}$ מתגברים רק על המשיכות בין השרשרות (קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס), והאזורים הגבישיים המסודרים מתפרקים.

נכון. בטמפרטורה $\text{T}_\text{m}$ יש לשרשרות די אנרגיה כדי להתגבר על המשיכות ביניהן באזורים הגבישיים (בניילונים – בעיקר קשרי מימן בין קבוצות האמיד). הסידור המקביל והצפוף של השרשרות מתפרק, השרשרות נעות ומחליקות זו לאורך זו, והפולימר הופך לנוזל צמיג.

בין שרשרות של ניילון נוצרים קשרי מימן בין קבוצות האמיד: בין אטום H הקשור ל-N בשרשרת אחת לבין אטום O של קבוצת $\text{C}=\text{O}$ בשרשרת שכנה. אלה המשיכות החזקות ביותר בין השרשרות.

•בניילון 6,6 יש 2 קבוצות אמיד על כל $6+4 = 10$ קבוצות $\text{CH}_2$, כלומר קבוצת אמיד אחת על כל 5 קבוצות $\text{CH}_2$ בממוצע.

•בניילון 12 יש קבוצת אמיד אחת על כל 11 קבוצות $\text{CH}_2$.

לכן בניילון 6,6 צפיפות קבוצות האמיד לאורך השרשרת גבוהה יותר, ונוצרים יותר קשרי מימן בין השרשרות ליחידת אורך. בניילון 12 יש מקטעי $(\text{CH}_2)_{11}$ ארוכים, שביניהם פועלים רק כוחות ואן דר ואלס, חלשים יותר. לפירוק האזורים הגבישיים של ניילון 6,6 נדרשת אנרגיה רבה יותר – Tm שלו ($265^\circ$C) גבוהה מזו של ניילון 12 ($178^\circ$C).

בשני הפולימרים אותו דיאמין ושתי קבוצות אמיד ביחידה החוזרת, ולכן קשרי מימן בין השרשרות יש בשניהם. ההבדל הוא בחלק של החומצה הדו-קרבוקסילית:

•בניילון 6T יש בעמוד השדרה טבעת בנזן – מקטע קשיח שאינו יכול להסתובב ולהתכופף כמו מקטע $(\text{CH}_2)_4$. השרשרת קשיחה וישרה יותר, השרשרות נארזות בסדר רב יותר, וקשה יותר להניע אותן זו ביחס לזו.

•לטבעת הבנזן ענן אלקטרונים גדול ושטוח, ולכן כוחות ואן דר ואלס בין השרשרות חזקים יותר.

•בניילון 6,6 במקום הטבעת יש מקטע $(\text{CH}_2)_4$ גמיש.

לכן כדי לפרק את האזורים הגבישיים של ניילון 6T נדרשת טמפרטורה גבוהה יותר – $370^\circ$C לעומת $265^\circ$C.

ניילון 6T: השרשרות ישרות וסדירות – אין קבוצות צדדיות, וכל היחידות החוזרות זהות. השרשרות יכולות להסתדר במקביל זו לזו, כך שקבוצות האמיד בשרשרות שכנות נמצאות זו מול זו ויוצרות קשרי מימן רבים ($\text{N}-\text{H}\cdots\text{O}=\text{C}$). כך נוצרים אזורים גבישיים. Tm היא הטמפרטורה שבה האזורים הגבישיים מתפרקים, ובגלל המשיכות החזקות והשרשרות הקשיחות (טבעות בנזן) היא גבוהה מאוד.

הפוליאמיד הנוסף: על המקטע הפחמימני יש קבוצות מתיל צדדיות, והן ממוקמות באופן לא סדיר – בעמדות שונות ביחידות שונות. קבוצות אלה מפריעות לשרשרות להתקרב זו לזו ולהסתדר במקביל, ולכן קבוצות האמיד אינן מסודרות זו מול זו ונוצרים פחות קשרי מימן בין השרשרות. לא נוצרים אזורים גבישיים – הפולימר אמורפי (ולכן גם שקוף).

לפולימר אמורפי אין אזורים גבישיים שמתפרקים בטמפרטורה מסוימת, ולכן אין לו Tm מוגדרת: מעל Tg הוא מתרכך בהדרגה. לניילון 6T, שהוא גבישי-למחצה, יש Tm מוגדרת וגבוהה.

כן. משיכות חזקות בין השרשרות (כמו קשרי מימן בין קבוצות אמיד בניילונים) מחזיקות את השרשרות המסודרות זו לצד זו – הסיב חזק ובעל Tm גבוהה.

לא. קבוצות צדדיות גדולות ולא סדירות מונעות מהשרשרות להתקרב ולהסתדר במקביל – אחוז הגבישיות נמוך והמשיכות בין השרשרות חלשות, והסיב היה חלש.

לא. סיב לבגדים חייב לשמור על צורתו בכביסה חמה ובגיהוץ; פולימר שה-Tm שלו נמוכה מטמפרטורת הגיהוץ היה נמס תחת המגהץ.

לא. בסיבים השרשרות מסודרות ומכוונות לאורך הסיב, ואחוז הגבישיות גבוה (הוא אף עולה בתהליך המתיחה של הסיב). אחוז גבישיות נמוך פירושו מבנה אמורפי ברובו – סיב חלש.

כן. שרשרות ארוכות וישרות יכולות להסתדר במקביל לאורך הסיב (במיוחד במתיחה) – נוצרים אזורים גבישיים ומשיכות רבות בין השרשרות, והסיב חזק.

בטמפרטורה שבין Tg ל-Tm: לשרשרות יש די אנרגיה כדי שמקטעים שלהן באזורים האמורפיים יסתובבו סביב הקשרים היחידים וינועו זה ביחס לזה. אבל באזורים הגבישיים השרשרות עדיין מסודרות במקביל וצפופות, והמשיכות ביניהן (למשל קשרי מימן) מחזיקות אותן במקומן. האזורים הגבישיים "מעגנים" את השרשרות, ולכן השרשרות כולן אינן יכולות לזרום – הפולימר מוצק, אך גמיש.

מעל Tm: לשרשרות יש די אנרגיה כדי להתגבר גם על המשיכות באזורים הגבישיים. הסידור המקביל מתפרק, כל השרשרות מפותלות ומסודרות באופן אקראי, ושרשרות שלמות יכולות לנוע ולהחליק זו לאורך זו. בגלל אורכן הרב השרשרות מסתבכות זו בזו, ולכן הנוזל צמיג.

לפי גלגל הצבעים שבדף הנוסחאות, תחום הצבע האדום הוא $622-780\ \text{nm}$. אורך הגל $671\ \text{nm}$ נמצא בתחום זה, ולכן האור העיקרי הנפלט מאטומי ליתיום אדום.

לאטום ליתיום 3 אלקטרונים (מספר אטומי 3). במצב היסוד האלקטרונים מאכלסים את האורביטלים מהאנרגייה הנמוכה לגבוהה, ובכל אורביטל לכל היותר שני אלקטרונים בעלי ספין הפוך (עקרון פאולי):

בדיאגרמה (מלמטה למעלה, לאורך ציר אנרגייה): ריבוע (או קו) 1s ובו זוג חצים בכיוונים מנוגדים ($\uparrow\downarrow$); מעליו ריבוע 2s ובו חץ יחיד ($\uparrow$). (אפשר לצייר גם את שלושת אורביטלי 2p ריקים, באותו גובה, מעל 2s.)

במצב מעורר אלקטרון אחד (או יותר) נמצא באורביטל בעל אנרגייה גבוהה יותר מזה שהוא מאכלס במצב היסוד, בעוד שאורביטל נמוך יותר אינו מלא.

דוגמה: האלקטרון של 2s עובר ל־2p:

(אפשרויות נכונות נוספות: $1s^2\,3s^1$, $1s^1\,2s^2$, $1s^1\,2s^1\,2p^1$.) מספר האלקטרונים הכולל נשאר 3.

לפי $\lambda=\dfrac{c}{\nu}$, אורך הגל ותדירות הקרינה עומדים ביחס הפוך (מהירות האור $c$ קבועה). לכן התדירות הגבוהה ביותר מתאימה לאורך הגל הקצר ביותר מבין הנתונים – $323\ \text{nm}$.

אנרגיית הפוטון הנפלט שווה להפרש האנרגייה בין שתי הרמות שביניהן עובר האלקטרון. לפי $E=h\nu=\dfrac{hc}{\lambda}$, ככל שהפרש האנרגייה גדול יותר – אורך הגל קצר יותר.

לפי הדיאגרמה, סדר הפרשי האנרגייה (מהגדול לקטן):

($E_{4\rightarrow1}$ – האלקטרון יורד מרמה 4 עד הרמה הנמוכה ביותר, החץ הארוך ביותר; $E_{3\rightarrow2}$ – החץ הקצר ביותר.)

לכן אורכי הגל מתאימים בסדר הפוך – מהקצר לארוך:

טעות נפוצה: להתאים את אורך הגל הארוך ביותר להפרש האנרגייה הגדול ביותר – אנרגיית הפוטון עומדת ביחס הפוך לאורך הגל.

(לחלופין: $E_{eV}=\dfrac{1240}{\lambda_{nm}}=\dfrac{1240}{671}\approx 1.85\ \text{eV}$, ו־ $1.85\ \text{eV}\cdot1.6\times10^{-19}\ \frac{\text{J}}{\text{eV}}\approx 2.96\times10^{-19}\ \text{J}$.)

(ב־ J: $E=\dfrac{hc}{\lambda}\approx 2.45\times10^{-19}\ \text{J}$.)

$1.53\ \text{eV} > 1.12\ \text{eV}$: אנרגיית הפוטון גדולה מפער האנרגייה האסור של סיליקון. לכן כאשר הפוטון נבלע, האלקטרון מקבל אנרגייה מספיקה כדי לעבור מפס הערכיות המאוכלס, מעל הפער האסור, אל פס ההולכה.

לשם כך נדרש פוטון שאנרגייתו לפחות שווה לפער האנרגייה האסור:

לפי גלגל הצבעים, $610\ \text{nm}$ הוא בתחום האור הכתום ($597-622\ \text{nm}$).

אינדיגו כרמין נראה כחול, כלומר הוא בולע את הצבע המשלים לכחול – כתום (הצבע שמול הכחול בגלגל הצבעים) – ומפזר אור כחול. לכן הוא בולע פוטונים של אור כתום.

אדום קונגו נראה אדום, ולכן הוא בולע את הצבע המשלים – ירוק ($492-577\ \text{nm}$). אינדיגו כרמין בולע אור כתום ($597-622\ \text{nm}$) – אורך גל ארוך יותר.

ככל שהכרומופור (מערכת הקשרים הכפולים המצומדים) גדול יותר, הפרש האנרגיה בין HOMO ל־ LUMO קטן יותר, ולכן אנרגיית הפוטון הנבלע קטנה יותר ואורך הגל שלו ארוך יותר.

אדום קונגו בולע אור בעל אורך גל קצר יותר (אנרגיה גבוהה יותר) מאינדיגו כרמין, ולכן – במבנה דומה – הכרומופור שלו צפוי להיות קטן יותר.

אדום קונגו נראה אדום, ולכן הוא בולע את הצבע המשלים לאדום – ירוק ($492-577\ \text{nm}$). בספקטרום II הבליעה המרבית היא ב־ $497\ \text{nm}$ – בתחום הירוק.

בספקטרום I הבליעה המרבית בתחום הנראה היא ב־ $610\ \text{nm}$ – אור כתום ($597-622\ \text{nm}$); חומר הבולע אור כתום מפזר את הצבע המשלים, כחול, ונראה כחול – זהו אינדיגו כרמין.