Thông Tin Thu được Từ Phổ Phản Xạ IR. Quang Phổ Trong Vùng Hồng ...

Quang phổ IR dựa trên việc nghiên cứu quang phổ hấp thụ trong vùng hồng ngoại của quang phổ. Không giống như bức xạ tử ngoại và bức xạ nhìn thấy, sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại dẫn đến sự thay đổi chuyển động dao động và chuyển động quay của các phần riêng lẻ của phân tử so với nhau.

Nguyên tắc chung của quang phổ IR

Ở trạng thái bình thường, trong bất kỳ phân tử nào, hạt nhân của các nguyên tử đều thực hiện dao động nhỏ xung quanh vị trí cân bằng. Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại dẫn đến sự gia tăng các dao động này và chỉ những bức xạ hồng ngoại như vậy mới được chất hấp thụ, tần số của nó trùng với tần số dao động của nguyên tử.

Trong phân tử đa nguyên tử, tất cả các hạt nhân đều thực hiện chuyển động dao động phức tạp, có thể được biểu diễn dưới dạng chồng chất của cái gọi là dao động bình thường, tức là như vậy, trong đó tất cả các hạt nhân của các nguyên tử của phân tử dao động với cùng tần số và cùng pha, còn khối tâm của nó thì bất động. Số dao động bình thường tương ứng với số bậc tự do dao động trong phân tử. Ví dụ, tại N-phân tử phi tuyến nguyên tử có (3 N- 6) bậc tự do dao động. Năng lượng của mỗi dao động bình thường được lượng tử hóa, và tổng năng lượng dao động của một phân tử đa nguyên tử bằng tổng năng lượng của các dao động bình thường của nó.

Các rung động bình thường thường được chia thành hóa trị(v) do chuyển động của các nguyên tử dọc theo các trục liên kết, và sự biến dạng(5, l, G t), tại đó các góc liên kết thay đổi, nhưng độ dài liên kết thực tế không thay đổi. Các tần số rung động kéo dài cao hơn một bậc lớn hơn tần số rung động uốn cong. Đối với các phân tử hiện đã biết, tần số của dao động bình thường tương ứng với vùng hồng ngoại của quang phổ - X 2,5 đến 100 µm (4000 đến 100 cm ").

Trong quá trình dao động bình thường, tất cả các hạt nhân của nguyên tử đều dao động với cùng tần số và cùng pha, nhưng biên độ khác nhau. Đôi khi biên độ dao động của các nguyên tử tạo thành một liên kết nào đó có thể vượt quá biên độ dao động của các nguyên tử khác một cách đáng kể. Sau đó, tần số của các dao động này được quy về một cách có điều kiện (quy) cho các dao động của kết nối này. Nếu tần số này ít thay đổi khi chuyển từ phân tử này sang phân tử khác thì nó được gọi là đặc điểm. Sự hiện diện trong phổ IR của chất có dải hấp thụ tương ứng với các tần số đặc trưng rõ ràng cho thấy sự hiện diện trong phân tử của các liên kết hóa học tương ứng. Trường hợp này được sử dụng rộng rãi để phân tích nhóm cấu trúc của các chất bằng quang phổ hấp thụ hồng ngoại của chúng. Các tần số đặc trưng cho các loại liên kết hóa học khác nhau có thể được tìm thấy trong các bảng tương ứng.

Các dải hấp thụ quan sát được trong phổ IR thường có cấu trúc phức tạp. Sự xuất hiện của nó trong các chất ở trạng thái khí là do các phân tử ở thể khí có thể quay đủ tự do. Mỗi chuyển đổi dao động trong phân tử đi kèm với một số lượng lớn các chuyển đổi quay. Do đó, cùng với các dải dao động ở cả hai phía của chúng, quang phổ cũng chứa các dải tương ứng với các chuyển đổi dao động-quay. Khi các phân tử trở nên phức tạp hơn, các dải hẹp riêng biệt được xếp chồng lên nhau và quan sát thấy các dải dao động-quay có cấu trúc yếu.

Các chất kết tinh không thể hiện cấu trúc dao động, nhưng do tương tác của các phân tử trong tinh thể, trong một số trường hợp, một dải có thể bị tách thành nhiều dải (bội số). Sự mở rộng mạnh mẽ của các dải trong quang phổ của các chất rắn và lỏng, cũng như các dung dịch đậm đặc của chúng, có thể là do sự hiện diện của các liên kết hydro giữa các phân tử.

Để ghi lại phổ IR của các mẫu khí, người ta sử dụng các cuvet khí đặc biệt, là một hình trụ dài khoảng 10 cm với các cửa sổ kín bằng KBr hoặc CaF 2 trong suốt trong vùng IR của phổ ở các đầu và van chân không để làm đầy phép thử. khí và bơm nó ra ngoài. Có các cuvet khí nhiều luồng, trong đó các gương cung cấp nhiều luồng chùm qua chất khí đang được nghiên cứu. Trong các cuvet như vậy, chiều dài đường dẫn tia có thể lên đến 10 m.

Chất lỏng và dung dịch lỏng được kiểm tra ở dạng màng mỏng có độ dày cho trước được bao bọc giữa hai bản phẳng song song làm bằng halogenua kim loại kiềm hoặc kiềm thổ (LiF, KBr, CaF;). Độ dày của lớp chất lỏng được thiết lập bởi một miếng đệm Teflon đặt giữa các tấm. Chất lỏng không ẩm được sử dụng làm dung môi, trong suốt ở những vùng quang phổ mà ở đó mong đợi sự xuất hiện của các dải quang phổ của chất tan. Đối với những mục đích này, benzen, cloroform, cacbon tetraclorua, tetrachloroethylene, acetonitril, dioxan thường được sử dụng nhất.

Các mẫu rắn được phân tích dưới dạng huyền phù mịn trong dầu vaseline hoặc các chất lỏng tương tự khác, hoặc dưới dạng viên nén kali bromua trong đó bột mịn của chất phân tích được đưa vào trong quá trình sản xuất. Để nghiên cứu màng mỏng, sơ bộ chúng được phủ lên bề mặt của một tấm silicon có điện trở cao (điện trở riêng không nhỏ hơn 10-15 Ohm-cm).

Phổ IR có tính đặc hiệu cao và do đó được sử dụng rộng rãi để xác định các chất. Không có hai chất nào có quang phổ IR giống nhau. Hiện nay, có các atlat liệt kê phổ của các hợp chất hữu cơ, hữu cơ và vô cơ khác nhau, các điều kiện để chuẩn bị mẫu và ghi phổ, cũng như các mô hình của máy quang phổ mà trên đó phổ được ghi lại.

Việc xác định một chất chưa biết bằng phổ IR của nó bao gồm việc so sánh phổ của nó với phổ tham chiếu được đưa ra trong tập bản đồ. Xét rằng phổ của cùng một chất thu được trong các điều kiện khác nhau có thể khác nhau, điều kiện quan trọng nhất để so sánh chính xác các phổ là sự đồng nhất của các điều kiện đăng ký của chúng.

Sự trùng hợp của quang phổ của hai chất cho thấy danh tính của chúng. Sự vắng mặt trong phổ của mẫu đang nghiên cứu của các dải có trong phổ của chất chuẩn cho thấy rõ ràng sự khác biệt giữa các chất này. Sự hiện diện của số lượng dải lớn hơn trong phổ của mẫu thử so với phổ của chất chuẩn có thể chỉ ra sự khác biệt giữa hai chất và sự nhiễm tạp chất của mẫu.

Với sự trợ giúp của IR-siektroskoi, có thể thực hiện phân tích định tính hỗn hợp các chất chưa biết hoặc đã biết một phần thành phần, lần đầu tiên được thực hiện sau khi tách hỗn hợp bằng các phương pháp đã biết.

Sử dụng định luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng, người ta có thể vừa thực hiện phân tích định lượng mẫu vừa xác định độ dày của màng bán dẫn và điện môi. Việc phân tích hỗn hợp các chất bằng phương pháp tán xạ IR dựa trên quy luật cơ bản của sự hấp thụ ánh sáng và quy luật cộng nhạy của mật độ quang học. Vì các giá trị của hệ số mol trong vùng IR của phổ tương đối nhỏ (a ~ 1-H0-10 3), giới hạn phát hiện của các chất bằng quang phổ IR là khá cao (0,1-10 wt.%) Với a độ chính xác xác định tương đối thấp (5-20%).

CƠ QUAN LIÊN BANG VỀ GIÁO DỤC HOẶC KỸ THUẬT NHÀ NƯỚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

CƠ SỞ CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM VÀ HÀNG HÓA

trừu tượng

Quang học hồng ngoại

Hoàn thành: học sinh của nhóm 11TE,

Khoa Công nghệ Sinh học Thực phẩm và Khoa học Hàng hóa

Lezhepekov I. S.

người giám sát:

Klimova N.V.

Eagle, 2009

Giới thiệu ……………………………………………………… .3

Nguyên tắc của phương pháp ………………………………………… 3

Cơ sở lý thuyết của phương pháp ……………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………4

Thiết bị, dụng cụ ……………………………………… 6

Ứng dụng …………………………………………… ... 10

Kết luận ………………………………………………… 12

Danh sách các tài liệu đã sử dụng ……………………… 13

ruột thừa

Giới thiệu.

Sản xuất các sản phẩm thực phẩm hiện đại có chất lượng đảm bảo đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp biểu hiện có thể tái tạo tốt và chính xác để theo dõi thành phần và đặc tính. Để sản phẩm sản xuất ra có chất lượng cao ổn định gắn liền với việc tổ chức kiểm tra kịp thời chất lượng nguyên liệu và bán thành phẩm ở tất cả các khâu của quy trình công nghệ. Về vấn đề này, việc trang bị cho các phòng thí nghiệm sản xuất các thiết bị điều khiển nhanh cho phép bạn phản ứng kịp thời với bất kỳ sự sai lệch nào trong các thông số công nghệ; ưu điểm chính của điều khiển thiết bị là hiệu quả. Tất nhiên, các phương pháp phân tích hoạt động này cần được phổ biến rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới phương pháp quang phổ.

Phương pháp quang phổ IR đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các chất hóa học và hữu cơ, do mỗi hợp chất hóa học có một phổ IR riêng.

1. Nguyên tắc phương pháp

Quang phổ hồng ngoại (IR Spectroscopy), một phần của quang phổ phân tử nghiên cứu phổ hấp thụ và phản xạ của bức xạ điện từ trong vùng IR, tức là trong dải bước sóng từ 10 -6 đến 10 -3 m Quang phổ IR là một đường cong phức tạp với số lượng cực đại và cực tiểu lớn. Các đặc điểm chính của phổ hấp thụ IR: số lượng các dải hấp thụ trong quang phổ, vị trí của chúng, được xác định bởi tần số (hoặc bước sóng), độ rộng và hình dạng của các dải, độ lớn của sự hấp thụ - được xác định bởi bản chất (cấu trúc và thành phần hóa học) của chất hấp thụ, và cũng phụ thuộc vào trạng thái tập hợp của chất, nhiệt độ, áp suất, v.v. khối lượng của các nguyên tử cấu thành của nó, geom. cấu trúc, đặc điểm của lực liên nguyên tử, sự phân bố điện tích, ... Vì vậy, phổ IR có tính cá thể cao, quyết định giá trị của chúng trong việc xác định và nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất. Quang học hồng ngoại cung cấp thông tin rất quan trọng về tần số dao động của hạt nhân, tần số này phụ thuộc vào cấu trúc của phân tử và độ bền của liên kết hóa trị. Các tần số dao động của một cặp nguyên tử liên kết hóa học nhất định (dao động kéo giãn) thường nằm trong giới hạn nhất định. Ví dụ, tần số của dao động C – H có các phạm vi khác nhau tùy thuộc vào các liên kết còn lại của nguyên tử cacbon, điều này thường giúp xác định sự có mặt của các nhóm tương ứng trong một hợp chất hữu cơ.

2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp

Các nguyên tử trong phân tử trải qua dao động liên tục và bản thân phân tử tự quay như một tổng thể, do đó nó có các mức năng lượng mới không có trong các nguyên tử cô lập. Phân tử có thể ở một số trạng thái năng lượng với mức cao hơn (E 2) hoặc thấp hơn (E 1) năng lượng dao động. Các trạng thái năng lượng này được gọi là lượng tử hóa. Sự hấp thụ lượng tử ánh sáng có năng lượng E bằng E 2 - E 1 chuyển phân tử từ trạng thái năng lượng thấp hơn sang trạng thái cao hơn. Đây được gọi là sự kích thích của phân tử.

Kết quả là, các nguyên tử liên kết với nhau trong phân tử bắt đầu dao động mạnh hơn so với một số vị trí ban đầu. Nếu chúng ta coi phân tử như một hệ thống các nguyên tử-bi liên kết với nhau bằng lò xo, thì lò xo bị nén và dãn ra, ngoài ra, chúng bị uốn cong.

Mặc dù phổ IR là một đặc tính của toàn bộ phân tử, nhưng nó chỉ ra rằng một số nhóm nguyên tử có dải hấp thụ ở một tần số nhất định, bất kể cấu trúc của phần còn lại của phân tử. Các dải này, được gọi là đặc trưng, ​​mang thông tin về các thành phần cấu trúc của phân tử.

Có bảng các tần số đặc trưng, ​​theo đó nhiều dải của phổ IR có thể liên kết với một số nhóm chức tạo nên phân tử (Phụ lục). Rung động của các nhóm chứa nguyên tử hydro nhẹ (С – Н, О – Н, N – Н), dao động của các nhóm có nhiều liên kết (С = С, С = N, С = O), v.v. sẽ là đặc điểm. các nhóm xuất hiện trong dải quang phổ từ 4000 đến 1600 cm – 1.

Vùng của quang phổ từ 1300 đến 625 cm – 1 được gọi là vùng "dấu vân tay". Điều này bao gồm các dải hấp thụ tương ứng với dao động của các nhóm С – С, С – О, С – N, cũng như dao động uốn. Do sự tương tác mạnh của các dao động này, không thể gán các dải hấp thụ cho các liên kết riêng lẻ. Tuy nhiên, toàn bộ tập hợp các dải hấp thụ trong vùng này là một đặc tính riêng của hợp chất. Sự trùng hợp của tất cả các dải của một chất chưa biết (được khảo sát) với phổ của một chất chuẩn đã biết là một bằng chứng tuyệt vời về danh tính của chúng. Các tham số của mô hình phân tử là khối lượng của các nguyên tử tạo nên hệ thống, độ dài liên kết, liên kết và góc xoắn, đặc điểm bề mặt thế năng (hằng số lực, v.v.), mômen lưỡng cực liên kết và các dẫn xuất của chúng liên quan đến độ dài liên kết, v.v.

Quang phổ hồng ngoại giúp xác định các đồng phân cấu trúc và không gian, nghiên cứu tương tác nội và giữa các phân tử, bản chất của các liên kết hóa học, sự phân bố điện tích trong phân tử, sự biến đổi pha, động học của các phản ứng hóa học, ghi lại thời gian tồn tại ngắn hạn (thời gian tồn tại đến 10 -6 s) hạt, để tinh chỉnh các thông số hình học riêng lẻ, nhận dữ liệu để tính toán các hàm nhiệt động lực học, v.v.

Một giai đoạn cần thiết của những nghiên cứu như vậy là giải thích quang phổ, tức là xác định dạng dao động bình thường, phân bố năng lượng dao động theo bậc tự do, lựa chọn các tham số có ý nghĩa xác định vị trí của các dải trong quang phổ và cường độ của chúng. Các phép tính về quang phổ của các phân tử có chứa tới 100 nguyên tử, bao gồm cả các polyme, được thực hiện bằng máy tính. Trong trường hợp này, cần phải biết các đặc điểm của mô hình phân tử (hằng số lực, thông số điện quang, v.v.), được tìm thấy bằng cách giải các bài toán phổ nghịch đảo tương ứng hoặc bằng các phép tính lượng tử hóa học. Trong cả hai trường hợp, thông thường có thể thu được dữ liệu về các phân tử chỉ chứa các nguyên tử của bốn chu kỳ đầu tiên của hệ thống tuần hoàn.

3. Thiết bị, thiết bị

Các bộ phận chính của máy quang phổ cổ điển là nguồn bức xạ nhiệt liên tục, bộ đơn sắc và bộ tách sóng bức xạ không chọn lọc. Một cuvet với một chất (ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào) được đặt trước khe của lối vào (đôi khi phía sau lối ra). Lăng kính làm bằng các vật liệu khác nhau (LiF, NaCl, KCl, CsF, v.v.) và nhiễu xạ cách tử được sử dụng làm thiết bị phân tán của bộ đơn sắc. Việc loại bỏ tuần tự các bức xạ có bước sóng khác nhau đến khe thoát và máy thu bức xạ (quét) được thực hiện bằng cách quay lăng kính hoặc cách tử.

Hoạt động của thiết bị trong sơ đồ hai chùm dựa trên phương pháp số không. Bức xạ từ nguồn bức xạ 1 được hướng bởi gương 2 - 5 qua hai kênh: trong một kênh (I) đặt mẫu thử (6), trong kênh kia (II) - một nêm trắc quang (7) và một tham chiếu. mẫu (8).

Với sự trợ giúp của máy cắt trực thăng (9), chùm ánh sáng từ kênh I và kênh II lần lượt đi qua hệ thống tán sắc của bộ đơn sắc tạo bởi lăng kính 10 gồm các muối LiF, NaCl hoặc KBr, phân hủy thành quang phổ và đi vào máy thu bức xạ. máy đo bu lông. Khi cường độ của chùm tia trong cả hai kênh như nhau, bức xạ nhiệt không đổi sẽ đi vào máy đo tia và không có tín hiệu nào xuất hiện ở đầu vào bộ khuếch đại. Khi có hiện tượng hấp thụ, các tia có cường độ khác nhau rơi vào tia kế và một tín hiệu xen kẽ xuất hiện trên đó. Tín hiệu này, sau khi khuếch đại, làm dịch chuyển nêm trắc quang, đưa sự khác biệt giữa độ hấp thụ của mẫu và nêm đo quang bằng không. Nêm trắc quang được kết nối cơ học với bút, bút ghi giá trị hấp thụ.

Sơ đồ quang học.

Nguồn bức xạ - thanh đốt nóng bằng dòng điện từ các vật liệu khác nhau. Máy thu: cặp nhiệt điện nhạy cảm, điện trở nhiệt kim loại và bán dẫn (bu lông) và bộ chuyển đổi nhiệt khí, sự đốt nóng của thành mạch dẫn đến sự nóng lên của khí và sự thay đổi áp suất của nó, được cố định. Tín hiệu đầu ra có dạng một đường cong phổ thông thường. Ưu điểm của các thiết bị của sơ đồ cổ điển: thiết kế đơn giản, giá thành tương đối rẻ.

Nhược điểm: không thể đăng ký tín hiệu yếu do tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, làm phức tạp nhiều công việc trong vùng hồng ngoại xa; độ phân giải tương đối thấp đăng ký quang phổ dài hạn (trong vòng vài phút).

Quang phổ kế Fourier

Máy quang phổ Fourier không có khe đầu vào và đầu ra, và phần tử chính là giao thoa kế. Thông lượng bức xạ từ nguồn được chia thành hai chùm đi qua mẫu và giao thoa. Sự khác biệt về đường đi của các chùm tia là thay đổi bởi một gương di động phản chiếu một trong các chùm tia.

Tín hiệu ban đầu phụ thuộc vào năng lượng của nguồn bức xạ và độ hấp thụ của mẫu và có dạng tổng của một số lượng lớn các thành phần hài. Để thu được phổ ở dạng thông thường, phép biến đổi Fourier tương ứng được thực hiện bằng máy tính cài sẵn. Ưu điểm của máy quang phổ Fourier: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, khả năng hoạt động trong dải bước sóng rộng mà không làm thay đổi phần tử phân tán, đăng ký quang phổ nhanh (tính bằng giây và phân số giây), độ phân giải cao (lên đến 0,001 cm -1). Nhược điểm: chế tạo phức tạp và giá thành cao.

Tất cả các máy quang phổ đều được trang bị một máy tính thực hiện quá trình xử lý chính của phổ: tích lũy tín hiệu, tách chúng khỏi nhiễu, trừ nền và phổ so sánh (phổ dung môi), thay đổi tỷ lệ ghi, tính toán các thông số phổ thực nghiệm, so sánh quang phổ với những quang phổ đã cho, sự phân biệt của quang phổ, v.v. Cuvette cho máy quang phổ IR được làm từ vật liệu trong suốt trong vùng IR. CCl 4, CHCl 3, tetracloetylen, dầu vaseline thường được dùng làm dung môi. Mẫu rắn thường được nghiền nhỏ, trộn với bột KBr, và nén thành viên nén. Để làm việc với chất lỏng và khí mạnh, các lớp phủ bảo vệ đặc biệt (Ge, Si) được sử dụng trên cửa sổ cuvet. Ảnh hưởng gây nhiễu của không khí được loại bỏ bằng cách làm sạch thiết bị hoặc làm sạch nó bằng nitơ. Trong trường hợp các chất hấp thụ yếu (khí hiếm, v.v.), tế bào đa vạch được sử dụng, trong đó chiều dài của đường quang học lên đến hàng trăm mét do phản xạ nhiều lần từ một hệ thống gương song song.

Phương pháp cô lập nền, trong đó khí thử nghiệm được trộn với argon, và sau đó hỗn hợp này được làm đông lạnh, đã được sử dụng rộng rãi. Kết quả là, nửa chiều rộng của dải hấp thụ giảm mạnh và quang phổ trở nên tương phản hơn.

Việc sử dụng một kỹ thuật hiển vi đặc biệt giúp nó có thể làm việc với các vật thể có kích thước rất nhỏ (phần nhỏ của mm). Để xác định quang phổ của bề mặt chất rắn, người ta sử dụng phương pháp phản xạ toàn phần bên trong. Nó dựa trên sự hấp thụ bởi lớp bề mặt của một chất có năng lượng bức xạ điện từ ló ra từ một lăng kính phản xạ toàn phần bên trong, tiếp xúc quang học với bề mặt đang nghiên cứu.

4. Ứng dụng

Quang phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi để phân tích hỗn hợp và xác định các chất tinh khiết. Phân tích định lượng dựa trên sự phụ thuộc của cường độ các dải hấp thụ vào nồng độ của một chất trong mẫu. Trong trường hợp này, lượng của một chất được đánh giá không phải bằng các dải hấp thụ riêng lẻ, mà bằng tổng thể các đường cong quang phổ trong một dải bước sóng rộng. Nếu số lượng các thành phần nhỏ (4-5), thì có thể trích xuất toán học các phổ của chúng ngay cả khi có sự chồng chéo đáng kể của các thành phần sau.

Hệ thống trí tuệ nhân tạo được sử dụng để xác định các chất mới (các phân tử của chúng có thể chứa tới 100 nguyên tử). Trong các hệ thống này, các phân tử cấu trúc được tạo ra trên cơ sở tương quan cấu trúc phổ, sau đó phổ lý thuyết của chúng được xây dựng, được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Việc nghiên cứu cấu trúc của phân tử và các vật thể khác bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại ngụ ý thu được thông tin về các tham số của mô hình phân tử và rút gọn về mặt toán học để giải quyết đích của các bài toán phổ nghịch đảo. Lời giải của những vấn đề này được thực hiện bằng cách tính gần đúng liên tiếp các tham số mong muốn được tính toán bằng lý thuyết đặc biệt về đường cong phổ cho các đường thực nghiệm.

Phổ IR được đo cho các hợp chất khí, lỏng và rắn, cũng như các dung dịch của chúng trong các dung môi khác nhau. Một số ứng dụng của quang phổ IR

Hóa học và hóa dầu. Phân tích định tính và định lượng nguyên liệu, sản phẩm trung gian và cuối cùng của quá trình tổng hợp. Thành phần phân đoạn và nhóm cấu trúc của các sản phẩm dầu mỏ. Phân tích nhiên liệu: ete, rượu, chất thơm, chỉ số octan. Máy đo phổ Fourier có thể được sử dụng để phân tích nhanh các loại dầu, khí ngưng tụ, khí tự nhiên và các sản phẩm chế biến từ chúng.

Hóa học của polyme.Phân tích các chất đồng trùng hợp. Cao su tổng hợp: thành phần, đặc điểm cấu tạo. Phân tích các chất phụ gia biến tính: chất hóa dẻo, chất chống oxy hóa.

ngành công nghiệp dược phẩm.Xác định tính xác thực của các chất theo tiêu chuẩn IR, kiểm tra chất lượng của các dạng bào chế và nguyên liệu.

Phân tích khí. Phân tích hỗn hợp khí đa thành phần. Kiểm tra chất lượng các sản phẩm công nghiệp khí, phân tích thành phần và độ ẩm của khí thiên nhiên.

Công nghiệp điện.Kiểm tra chất lượng silicon bán dẫn và các thông số của lớp mỏng. Phân tích thành phần của khí quá trình.

Công nghiệp thực phẩm và nước hoa. Kiểm soát nhanh nguyên liệu và thành phẩm: hàm lượng protein, chất xơ, chất béo, độ ẩm.

Kiểm soát môi trường.Kiểm soát các sản phẩm dầu trong nước và đất. Kiểm soát không khí khí quyển, không khí khu vực làm việc và khí thải của các xí nghiệp công nghiệp.

Phân tích pháp y, pháp y và bioclinical. Phân tích định tính và định lượng các chất tự nhiên và các sản phẩm tổng hợp. Nhận dạng ma túy, tác nhân và chất nổ. Phân tích dư lượng vết của các chất.

Sự kết luận

Phương pháp quang phổ hồng ngoại cho phép dự đoán định tính thành phần định lượng của các hợp chất hóa học với xác suất cao. Các thiết bị hiện đại giúp thực hiện quy trình đo các chỉ số này với độ chính xác đủ cao và kết quả đo có độ tái lập cao.

Những ưu điểm chính của phương pháp này là

1. Giảm đáng kể thời gian phân tích;

2. tiết kiệm năng lượng đáng kể;

3. thiết bị không yêu cầu sử dụng vật tư tiêu hao và hóa chất đắt tiền;

4. Các yêu cầu ít nghiêm ngặt hơn nhiều đối với đào tạo đặc biệt được áp dụng đối với nhân viên phục vụ thực hiện các phép đo thông thường (so với các nhân viên thực hiện các phương pháp phân tích truyền thống trong phòng thí nghiệm).

Danh sách các tài liệu đã sử dụng.

1. Bellamy L., Quang phổ hồng ngoại của phân tử, trans. từ tiếng Anh, M., 1957;

2. Cross A., Giới thiệu về quang phổ hồng ngoại thực tế, trans. từ tiếng Anh, M., 1961;

3. Kazitsyna L.A., Kupletskaya N.B. Ứng dụng của UV, IR, NMR và khối phổ trong hóa hữu cơ. M.: Nhà xuất bản Mátxcơva. un-ta, 1979, 240 tr .;

4. Silverstein R., Bassler G., Morril T. Xác định quang phổ của các hợp chất hữu cơ. M.: Mir, 1977, 590 tr. quang phổ trong hóa học, trans. từ tiếng Anh, M., 1959;

5. Chulanovsky V. M., Giới thiệu về phân tích quang phổ phân tử, xuất bản lần thứ 2, M.-L., 1951.

ruột thừa

Bàn"Tần số của dao động đặc trưng liên quan đến liên kết đơn"

Bài tập và ghi chú
Kết nối C-C. Thông thường có một số dải. Không áp dụng cho mục đích nhận dạng
ν as (C – O – C) trong ete mạch hở
ν as (C – O – C) trong ankylaryl và ankylvinyl ete
ν (C – O) tương ứng trong rượu chính, rượu phụ và rượu bậc ba, chỉ định là chỉ định
	ν (C – О) trong phenol
	ν (C – N) trong amin thơm và amit
ν (C – N) trong amin béo và amit
ν (C – N) trong các hợp chất nitro
Trong monofluoro được thay thế
Trong di- và polyfluoro được thay thế. Mức độ thay thế càng cao, tần suất càng cao
Trong đơn chất. Trong polychlorine được thay thế ở trên - lên đến 800 cm -1
trong các hợp chất thơm
Được quan sát cùng với δ (CH 3) ở 1360 cm -1
14301115 ± 25	v.s v.s	Bài tập chính xác không xác định
trong ete béo

Bảng TẦN SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CÁC KHOẢNG CÁCH MỘT SỐ NHÓM
Nhóm (kiểu rung)	Số sóng, cm –1
O – H (hóa trị)
N – H (hóa trị)
C – H (hóa trị)
C C (hóa trị)
C = O (hóa trị)
C = N (hóa trị)
C = C (hóa trị)
N – H (biến dạng)
C – H (biến dạng)
O – H (biến dạng)

Phổ hồng ngoại của các hợp chất hữu cơ

Phổ hồng ngoại của n-hexan CH 3 (CH 2 ) 4 CH 3

Phổ hồng ngoại của hexene-1 CH 2 = CH (CH 2 ) 3 CH 3

Phổ hồng ngoại của hexanol-2 CH 3 (CH 2 ) 3 CH (OH) CH 3

Phổ hồng ngoại của hexanone-2 CH 3 (CH 2 ) 3 C (O) CH 3

Phổ hồng ngoại của toluen CH 3

Nhiệm vụ. Hợp chất nào sau đây thuộc quang phổ IR trong hình Giải thích sự lựa chọn của bạn.

Phổ IR của một hợp chất chưa biết

Quyết định. Không có sự hấp thụ trong vùng 1800–1650 cm – 1, do đó, hợp chất không chứa nhóm C = O. Trong hai chất còn lại - phenol và benzyl alcohol - ta chọn ancol, vì phổ có dải  C – H = 2950–2850 cm – 1 của nhóm CH 2 (cacbon ở trạng thái lai hóa sp 2).

Khóa học làm việc

Các phương pháp quang phổ hồng ngoại và việc thực hiện kỹ thuật của chúng

Giới thiệu

Quang phổ là một nhánh của vật lý và hóa học phân tích dành cho việc nghiên cứu quang phổ của sự tương tác của bức xạ với vật chất. Trong vật lý, phương pháp quang phổ được sử dụng để nghiên cứu các tính chất khác nhau của các tương tác này. Các lĩnh vực ứng dụng của quang phổ được phân chia theo đối tượng nghiên cứu: quang phổ nguyên tử, quang phổ phân tử, quang phổ khối lượng, quang phổ hạt nhân, quang phổ hồng ngoại, và các loại khác.

Sự xuất hiện của quang phổ có thể là do năm 1666, khi I. Newton lần đầu tiên phân hủy ánh sáng mặt trời thành quang phổ. Các giai đoạn quan trọng nhất trong sự phát triển hơn nữa của quang phổ là sự phát hiện và nghiên cứu vào đầu thế kỷ 19. các vạch hấp thụ trong quang phổ mặt trời (các vạch Fraunhofer), sự thiết lập mối liên hệ giữa quang phổ phát xạ và hấp thụ (G.R. Kirchhoff và R. Bunsen, 1859) và sự xuất hiện của phép phân tích quang phổ trên cơ sở của nó. Với sự giúp đỡ của nó, lần đầu tiên, người ta có thể xác định thành phần của các vật thể thiên văn - Mặt trời, các ngôi sao, tinh vân. Vào nửa cuối thế kỷ 19 - đầu thế kỷ 20. quang phổ tiếp tục phát triển như một khoa học thực nghiệm, vật chất rộng lớn được tích lũy trên quang phổ của các nguyên tử và phân tử, các quy luật trong việc sắp xếp các vạch và dải quang phổ đã được thiết lập. Năm 1913, N. Bohr giải thích các định luật này trên cơ sở lý thuyết lượng tử, theo đó phổ bức xạ điện từ phát sinh trong quá trình chuyển đổi lượng tử giữa các mức năng lượng của các hệ nguyên tử phù hợp với các định đề của Bohr. Sau đó, quang phổ đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra cơ học lượng tử và điện động lực học lượng tử, đến lượt nó, trở thành cơ sở lý thuyết của quang phổ hiện đại. Những nghiên cứu này được phát triển thêm bởi Rubens, người đã hoàn toàn xác nhận tính hợp lệ của công thức Planck (1921).

Sự phát triển của nghiên cứu về vùng hồng ngoại của quang phổ và sự cải tiến của các phương pháp thực nghiệm dẫn đến việc ngày càng làm sáng tỏ cấu trúc của vật chất và một số câu hỏi trong cơ học lượng tử. Đặc biệt quan trọng là vấn đề đo lường định lượng cường độ, cũng như các phép đo trong phần bước sóng dài của quang phổ.

Nếu chúng ta muốn chia lịch sử của quang phổ hồng ngoại thành các thời kỳ (mặc dù không thể vẽ ra một ranh giới rõ ràng), thì thời gian trước công trình của Langley có thể được gọi là thời kỳ tiên phong mà sau đó nghiên cứu rộng rãi về quang phổ và sự phát triển mạnh mẽ của các phương pháp nghiên cứu nó bắt đầu; đồng thời, các quy định chính được thiết lập. Chúng ta có thể giả định rằng giai đoạn này kết thúc với cái chết của Rubens vào năm 1923, sau đó chúng ta bước vào giai đoạn nghiên cứu chi tiết chuyên sâu.

Trong sự phát triển của quang phổ học như một phương pháp vật lý để nghiên cứu vật chất, có thể phân biệt hai giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên là giai đoạn tích lũy các dữ kiện thực nghiệm - phân hủy màu trắng thành quang phổ bằng lăng kính, quan sát các vạch và dải hấp thụ; sự thiết lập nhiều quy luật - mối quan hệ giữa sự hấp thụ và độ phát xạ của một chất, ảnh hưởng trên các vạch phổ của từ trường bên ngoài và điện trường, cũng như nỗ lực mô tả về mặt lý thuyết các phụ thuộc quan sát được.

Giai đoạn thứ hai, bắt đầu sau công thức của Bohr vào năm 1913

các định đề lượng tử nổi tiếng của ông và sự phát triển nhanh chóng sau đó của lý thuyết lượng tử, được đánh dấu bằng thực tế là quang phổ học đã được đặt trên một cơ sở khoa học vững chắc. Một đóng góp đáng kể vào việc này là của các nhà khoa học Nga và Liên Xô. Cùng với sự ra đời của cơ sở lý thuyết về quang phổ, dẫn đến việc phát hiện ra một số hiệu ứng quang học mới (hiện tượng tán xạ ánh sáng Raman). Tất cả những điều này đã tạo tiền đề cho việc giới thiệu rộng rãi các phương pháp nghiên cứu quang phổ trong các lĩnh vực khoa học và thực tiễn đa dạng nhất.

Phương pháp quang phổ được sử dụng để nghiên cứu các mức năng lượng của nguyên tử, phân tử và hệ thống vĩ mô được hình thành từ chúng và sự chuyển đổi lượng tử giữa các mức năng lượng, cung cấp thông tin quan trọng về cấu trúc và tính chất của vật chất. Là đối tượng của nghiên cứu quang phổ, có thể sử dụng nhiều loại chất ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào. Trong trường hợp đơn giản nhất, đây là một loại khí hiếm, khoảng cách trung bình giữa các phân tử của chúng lớn đến mức chúng có thể được coi là cô lập với nhau. Trong trường hợp phức tạp nhất, đây là một vật thể cô đặc, trong đó mỗi hạt tạo thành nó đều chịu tác động của lực tương tác giữa các phân tử. Về vấn đề này, từ dữ liệu quang phổ người ta có thể thu được thông tin cả về cấu trúc và tính chất của phân tử, lực tương tác giữa các phân tử, và do đó, về cấu trúc của vật chất nói chung.

Sử dụng phổ hồng ngoại của các hợp chất hữu cơ, chúng ta có thể xác định thành phần của một chất, và thiết lập không chỉ thành phần nguyên tố, mà còn cả các đặc điểm cấu trúc.

1. Nguồn gốc của quang phổ IR

Quang phổ hồng ngoại là một nhánh của quang phổ bao phủ vùng bước sóng dài của quang phổ (hơn 730 nm ngoài biên giới màu đỏ của ánh sáng nhìn thấy). Phổ hồng ngoại phát sinh do kết quả của chuyển động dao động (quay một phần) của các phân tử, cụ thể là do sự chuyển đổi giữa các mức dao động của trạng thái điện tử cơ bản của phân tử. Trong vật lý, phương pháp quang phổ được sử dụng để nghiên cứu các tính chất khác nhau của các tương tác này. Trong hóa học phân tích - để phát hiện và xác định các chất, bằng cách đo phổ đặc trưng của chúng, tức là các phương pháp đo phổ.

Phương pháp quang phổ hồng ngoại là một phương pháp vật lý và hóa học phổ thông, được sử dụng trong nghiên cứu các đặc điểm cấu trúc của các hợp chất hữu cơ và vô cơ khác nhau. Nó dựa trên hiện tượng hấp thụ bởi các nhóm nguyên tử của đối tượng được thử nghiệm bức xạ điện từ trong dải hồng ngoại. Sự hấp thụ có liên quan đến sự kích thích các dao động phân tử bởi lượng tử ánh sáng hồng ngoại. Khi một phân tử được chiếu bằng bức xạ hồng ngoại, chỉ những lượng tử đó mới bị hấp thụ, tần số của chúng tương ứng với tần số của dao động hóa trị, biến dạng và điện tử của phân tử. Phương pháp này dựa trên một hiện tượng vật lý như bức xạ hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại còn được gọi là bức xạ "nhiệt", vì tất cả các vật thể, rắn và lỏng, được nung nóng đến một nhiệt độ nhất định, đều bức xạ năng lượng trong phổ hồng ngoại. Trong trường hợp này, các bước sóng do cơ thể phát ra phụ thuộc vào nhiệt độ đốt nóng: nhiệt độ càng cao, bước sóng càng ngắn và cường độ bức xạ càng cao.

Thông thường, tần số được sử dụng để hình ảnh quang phổ IR, ít thường là bước sóng. Số lượng các dải hấp thụ đặc trưng của các nhóm nguyên tử, cường độ của chúng và vị trí của cực đại quan sát được trong quang phổ hồng ngoại cho ta biết cấu trúc của một hợp chất riêng lẻ hoặc về thành phần cấu tạo của các chất phức tạp. Cường độ của dải hấp thụ được xác định bởi lượng nguyên tử hoặc nhóm chức của mẫu hấp thụ khi tia hồng ngoại đi qua chúng. Một chỉ số chẩn đoán quan trọng của dải hấp thụ là giá trị truyền. Chỉ số này và nồng độ của chất trong đối tượng được loại bỏ tỷ lệ nghịch, được sử dụng để xác định định lượng hàm lượng của các thành phần riêng lẻ.

Quang phổ hồng ngoại chủ yếu liên quan đến việc nghiên cứu phổ phân tử, vì hầu hết các phổ dao động và quay của phân tử đều nằm trong vùng IR. Việc nghiên cứu cấu trúc của phân tử và các vật thể khác bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại ngụ ý thu được thông tin về các tham số của mô hình phân tử và rút gọn về mặt toán học để giải các bài toán phổ nghịch đảo. Lời giải của những vấn đề này được thực hiện bằng cách tính gần đúng liên tiếp các tham số mong muốn được tính toán bằng lý thuyết đặc biệt về đường cong phổ cho các đường thực nghiệm.

Quang phổ hồng ngoại giúp xác định các đồng phân trong không gian, nghiên cứu tương tác trong và giữa các phân tử, bản chất của các liên kết hóa học, sự phân bố điện tích trong phân tử, đăng ký tồn tại trong thời gian ngắn (thời gian tồn tại lên đến 10 6c) các hạt, thu thập dữ liệu để tính toán các hàm nhiệt động lực học, thiết lập dạng dao động bình thường, sự phân bố của năng lượng dao động trên bậc tự do, vị trí của các dải trong quang phổ và cường độ của chúng. Các phép tính về quang phổ của các phân tử có chứa tới 100 nguyên tử, bao gồm cả các polyme, được thực hiện bằng máy tính. Trong trường hợp này, cần phải biết các đặc điểm của mô hình phân tử (hằng số lực, thông số điện quang, v.v.), được tìm thấy bằng cách giải các bài toán phổ nghịch đảo tương ứng hoặc bằng các phép tính lượng tử hóa học. Vì vậy, quang phổ hồng ngoại như một phương pháp nghiên cứu cấu trúc của phân tử được sử dụng rộng rãi nhất trong hóa học hữu cơ. Trong một số trường hợp, đối với các chất khí trong vùng hồng ngoại, có thể quan sát cấu trúc quay của các dải dao động. Điều này làm cho nó có thể tính toán các mômen lưỡng cực và các thông số hình học của phân tử, để tinh chỉnh các hằng số lực, v.v.

Quang phổ hồng ngoại có một số ưu điểm hơn quang phổ trong vùng nhìn thấy và vùng tử ngoại, vì nó có thể theo dõi sự thay đổi của tất cả các loại liên kết chính trong phân tử của các chất được nghiên cứu. Khi sử dụng quang phổ hồng ngoại để xác định thành phần định tính và định lượng của hỗn hợp tự nhiên, không có sự phá hủy các chất, điều này cho phép sử dụng chúng cho các nghiên cứu tiếp theo.

1.1 Lý thuyết cổ điển về quang phổ dao động

Quang phổ dao động là đặc điểm cực kỳ riêng biệt và nhạy cảm của phân tử nên được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hóa học. Ưu điểm của phương pháp quang phổ dao động là chúng có thể được sử dụng để nghiên cứu hầu như bất kỳ chất nào ở bất kỳ trạng thái tập hợp nào (thể khí, lỏng hoặc rắn, kể cả tinh thể). Phương pháp phân tích này dựa trên việc ghi lại phổ hấp thụ hồng ngoại của một chất. Sự hấp thụ của một chất trong vùng hồng ngoại xảy ra do dao động của các nguyên tử trong phân tử. Để có được quang phổ dao động, một lượng rất nhỏ vật liệu đang nghiên cứu là đủ (tùy thuộc vào loại và độ nhạy của quang phổ kế, có thể lên đến vài miligam).

Có một số dạng dao động của các nguyên tử trong phân tử đa nguyên tử: hóa trị (khoảng cách giữa các nguyên tử thay đổi), chúng được chia thành đối xứng và phản đối xứng; biến dạng (góc giữa các liên kết thay đổi mà không làm thay đổi chiều dài của chúng) (Hình 1, a - c).

a b trong

a - hóa trị-đối xứng; b - hóa trị-phản đối xứng; c - biến dạng

Bức tranh 1. Rung động của các nguyên tử trong phân tử SO triat nguyên tử

Trong các dao động hóa trị - đối xứng, mômen lưỡng cực không thay đổi (không có vạch nào trong vùng IR). Rung động hóa trị-phản đối xứng và biến dạng phá vỡ tính đối xứng của phân tử, mômen lưỡng cực xuất hiện và kết quả là các vạch xuất hiện trong vùng IR. Sự chuyển đổi giữa các trạng thái dao động khác nhau trong phân tử được lượng tử hóa, do đó sự hấp thụ trong vùng IR có dạng quang phổ, trong đó mỗi dao động có bước sóng riêng. Bước sóng cho mỗi dao động phụ thuộc vào nguyên tử nào tham gia vào nó, và bên cạnh đó, nó phụ thuộc rất ít vào môi trường của chúng. Có nghĩa là, đối với mỗi nhóm chức, các dao động của một bước sóng nhất định là đặc trưng, ​​chính xác hơn, thậm chí đối với mỗi nhóm, một chuỗi dao động là đặc trưng (tương ứng và các dải trong phổ IR). Chính dựa trên các đặc tính này của phổ IR mà việc xác định các hợp chất dựa trên dữ liệu phổ được dựa trên. (Hình 2).

Hình 2. Biểu diễn đồ thị của các chuyển đổi quay, dao động, điện tử

Trong tất cả các chuyển đổi dao động, việc chuyển đổi sang cấp phân chia lại dao động gần nhất là có thể xảy ra nhất. Nó tương ứng với một vạch quang phổ được gọi là vạch chính. Một sự chuyển đổi ít có khả năng xảy ra hơn đến các mức độ rung động cao hơn tương ứng với các vạch phổ được gọi là âm bội. Tần số của chúng là 2, 3, v.v. lớn hơn tần số của dòng chính lần và cường độ nhỏ hơn nhiều. Dòng chính được ký hiệu bằng chữ n, và các âm bội là 2n, 3n, v.v. Hầu hết các tần số dao động đã biết nằm trong khoảng 1012-1014 Hz, tương ứng với dải bức xạ điện từ hồng ngoại (IR).

Các phương pháp chính của quang phổ dao động là quang phổ IR và quang phổ Raman (RS), còn được gọi là tán xạ Raman. Quang phổ IR là quang phổ hấp thụ và được hiểu theo dải hấp thụ.

Máy đo phổ hồng ngoại giúp có thể nhanh chóng thu được phổ dao động của chất lỏng và khí, cũng như chất rắn đủ trong suốt trong dải tần số bức xạ đã nghiên cứu (khoảng 40-6000 cm-1 đối với các dụng cụ phổ biến nhất), cho phép phân tích định tính và định lượng của các mẫu. Do thực tế là một số chuyển đổi dao động có thể bị cấm bởi các quy tắc lựa chọn, một số tần số dao động vốn có trong các nhóm cấu trúc đặc trưng có thể không có trong phổ được ghi bởi máy quang phổ IR. Trong trường hợp này, phương pháp Raman có thể giải quyết được vấn đề nếu các dải phổ tương ứng được các quy tắc lựa chọn cho phép đối với quá trình chuyển đổi bức xạ.

Hình 3. Các ví dụ về quang phổ dao động

.2 Biểu diễn cơ lượng tử của phổ dao động

Việc áp dụng các phương pháp quang phổ dao động đòi hỏi một kiến ​​thức chuyên sâu khác về lý thuyết quang phổ dao động. Công nghệ máy tính điện tử hiện đại cho phép tính toán lý thuyết phổ dao động và một số thông số phân tử ngay cả đối với các phân tử tương đối phức tạp.

Các mức năng lượng dao động của phân tử có thể nhận được bằng cách giải bài toán cơ lượng tử tương ứng. Các trạng thái của phân tử như một hệ thống đơn gồm hạt nhân và electron được mô tả bằng hàm sóng hoàn chỉnh Y . Toán tử cơ lượng tử Ĥ (Hamilton) trong phương trình sóng Schrödinger

Ĥ Y = E Y

xác định năng lượng E của các trạng thái dừng, bao gồm các thuật ngữ liên quan đến quỹ đạo và chuyển động quay của electron: chuyển động dao động và quay của khung hạt nhân (chuyển động tịnh tiến có thể được bỏ qua).

Trong một phương pháp gần đúng có tính đến sự khác biệt lớn về khối lượng và cơ năng của electron và hạt nhân, trước hết có thể tách chuyển động điện tử và hạt nhân, và đối với các hàm sóng - lên đến (m / M) Ѕ và đối với năng lượng - lên đến (m / M) ј , trong đó m là khối lượng của các electron, và M là khối lượng của các hạt nhân. Sau đó, bạn có thể viết: Y = Y e Y N và H e +Ĥ N , ở đâu Y e và H e chỉ áp dụng cho chuyển động điện tử và Y N và H N - chỉ sự chuyển động của các hạt nhân. Theo một cách gần đúng đủ tốt cho nhiều mục đích, người ta cũng có thể tách các chuyển động dao động và chuyển động quay của khung hạt nhân, tức là giới thiệu

Y = Y e Y u Y r và Ĥ = Ĥ e + Ĥ u + Ĥ r ,

Điều này làm cho nó có thể giải ba phương trình dạng (1) một cách riêng biệt và tìm năng lượng tương ứng của các trạng thái điện tử, dao động và quay của phân tử, tạo nên tổng năng lượng E = E e + E u + E r .

Ở đây chúng tôi chỉ quan tâm đến kết quả của việc giải phương trình dao động

Ĥ u Y u = E u Y u

Để xem xét chuyển động dao động, cần phải đưa ra các tọa độ chỉ mô tả các chuyển vị tương đối của các hạt nhân. Chuyển động tịnh tiến của phân tử có thể được mô tả bằng ba tọa độ đặc trưng cho vị trí của khối tâm và chuyển động quay bởi ba tọa độ, có thể được chọn làm góc mô tả hướng của phân tử so với hệ tọa độ ngoài với gốc tại khối tâm. Trong trường hợp của một phân tử tuyến tính, định hướng của nó hoàn toàn được đặc trưng bởi hai tọa độ độc lập. Một phân tử tảo cát chỉ có một bậc tự do dao động (n = 1), tức là chỉ một tọa độ Q = D r đại diện cho sự thay đổi khoảng cách giữa các hạt nhân, mà hàm sóng dao động phụ thuộc vào đó. Đối với phân tử nguyên tử N, bạn có thể nhập n = 3N-6 (đối với 5N-5 tuyến tính) tọa độ Q như vậy k rằng mỗi trong số chúng đặc trưng đầy đủ cho sự dịch chuyển của các hạt nhân so với các vị trí cân bằng trong một trạng thái dao động cơ bản bất kỳ. Đây là những cái gọi là tọa độ bình thường.

Khi sử dụng tọa độ thông thường, hàm sóng dao động và năng lượng dao động của phân tử nguyên tử N có thể được biểu diễn tương ứng dưới dạng tích số:

Và số lượng:

Trong xấp xỉ điều hòa Y k và E k - các chức năng và giá trị riêng của các toán tử , chỉ phụ thuộc vào một tọa độ Q k :

trong đó ħ = h / 2 P ; h là hằng số Planck; l k = 4P 2N k 2.

Toán tử này dẫn đến phương trình Schrödinger cho một dao động điều hòa. Giá trị năng lượng riêng của nó:

ở đâu u k = 0, 1, 2, 3,… là số lượng tử dao động, và u ek - hằng số dao động.

Đối với phân tử tảo cát, chỉ số k có thể được bỏ qua ở mọi nơi, giả sử Q = D r, và hằng số , I E. trùng với biểu thức tần số cổ điển của dao động điều hòa. Đây m = m 1m 2/ m 1+ m 2 - khối lượng giảm của phân tử đioxit với hạt nhân có khối lượng m 1và M 2; k e - hằng số lực điều hòa biểu diễn đạo hàm cấp hai của thế năng tại điểm cân bằng, tức là . Đường cong thế năng của một phân tử tảo cát thực được tính gần đúng bằng hàm Morse:

nơi D e và b - dài hạn.

Cùng với hàm parabol của dao động điều hòa, hàm này được biểu diễn trong Hình 4. Hệ phương trình năng lượng thực sự hội tụ đến giới hạn, và không phải là một hệ thống các mức cách đều, theo công thức (12), nhận được trong xấp xỉ điều hòa .

Năng lượng dao động của một phân tử đa nguyên tử ở dạng xấp xỉ điều hòa là một hàm của n số lượng tử dao động u k :

nơi d k - mức độ suy biến (có thể bằng 1, 2, 3) của trạng thái dao động, được xem xét một lần, tức là với sự hiện diện của sự thoái hóa n 730 nm ngoài đường viền đỏ của ánh sáng nhìn thấy). Phổ hồng ngoại phát sinh do kết quả của chuyển động dao động (quay một phần) của các phân tử, cụ thể là do sự chuyển đổi giữa các mức dao động của trạng thái điện tử cơ bản của phân tử. Bức xạ IR bị hấp thụ bởi nhiều khí, ngoại trừ các khí như O2, N2, H2, Cl2 và các khí đơn chất. Sự hấp thụ xảy ra ở bước sóng đặc trưng của từng khí cụ thể, ví dụ đối với CO, đây là bước sóng 4,7 micrômét.

Sử dụng phổ hấp thụ hồng ngoại, người ta có thể thiết lập cấu trúc phân tử của các chất hữu cơ (và vô cơ) khác nhau với các phân tử tương đối ngắn: chất kháng sinh, enzym, alkaloid, polyme, hợp chất phức tạp, v.v. Phổ dao động của phân tử các chất hữu cơ (và vô cơ) khác nhau với các phân tử tương đối dài (protein, chất béo, carbohydrate, DNA, RNA, v.v.) nằm trong dải terahertz, vì vậy cấu trúc của các phân tử này có thể được thiết lập bằng cách sử dụng phổ kế tần số vô tuyến trong dải terahertz. Bằng số lượng và vị trí của các pic trong quang phổ hấp thụ IR, người ta có thể đánh giá bản chất của chất (phân tích định tính), và cường độ của các dải hấp thụ, số lượng của chất (phân tích định lượng). Dụng cụ chính là các loại quang phổ hồng ngoại. Với sự trợ giúp của quang phổ IR, các nhóm chức khác nhau được xác định một cách nhanh chóng và đáng tin cậy: cacbonyl, hydroxyl, cacboxyl, amit, amino, xyano, v.v.; cũng như các đoạn không bão hòa khác nhau: liên kết cacbon-cacbon đôi và ba, hệ thơm hoặc dị thơm. Phương pháp quang phổ IR được sử dụng để nghiên cứu các tương tác trong và giữa các phân tử, ví dụ, sự hình thành các liên kết hydro. Trong hóa học gỗ và hóa học các hợp chất tự nhiên, cấu trúc của cacbohydrat, lignin, axit amin, tecpen, steroid và nhiều chất khác được nghiên cứu bằng quang phổ IR. PHÂN TỬ HỒNG NGOẠI (quang phổ IR), phần mol. quang học quang phổ, nghiên cứu quang phổ hấp thụ và phản xạ của nam châm điện. bức xạ trong vùng IR, tức là trong khoảng bước sóng từ 10-6 đến 10-3 m.Trong tọa độ của cường độ bức xạ hấp thụ - bước sóng (hoặc số sóng) phổ IR là một đường cong phức tạp với một số lớn các cực đại và cực tiểu. Các dải hấp thụ xuất hiện là kết quả của sự chuyển đổi giữa các dao động. các mức cơ bản. trạng thái điện tử của hệ thống đang nghiên cứu (xem Phổ dao động). Các đặc trưng phổ (vị trí của cực đại dải, nửa chiều rộng, cường độ của chúng) của một phân tử riêng lẻ phụ thuộc vào khối lượng của các nguyên tử cấu thành của nó, geom. cấu trúc, đặc điểm của lực liên nguyên tử, sự phân bố điện tích, ... Vì vậy, phổ IR có tính cá thể cao, quyết định giá trị của chúng trong việc xác định và nghiên cứu cấu trúc của các hợp chất. Để đăng ký phổ bằng cách sử dụng cổ điển. máy quang phổ và máy quang phổ Fourier. Chủ yếu các phần của cổ điển máy quang phổ - nguồn bức xạ nhiệt liên tục, máy đơn sắc, máy thu bức xạ không chọn lọc. Một cuvet có nội dung (ở bất kỳ trạng thái tổng hợp nào) được đặt trước khe đầu vào (đôi khi phía sau đầu ra). Là một thiết bị phân tán của bộ đơn sắc, lăng kính từ dec. vật liệu (LiF, NaCl, KCl, CsF, v.v.) và nhiễu xạ. lưới sắt. Tuần tự loại bỏ bức xạ phân hủy. các bước sóng tới khe thoát và máy thu (quét) bức xạ được thực hiện bằng cách quay lăng kính hoặc cách tử. Nguồn bức xạ - điện sợi đốt. thanh hiện tại từ tháng mười hai. vật liệu. Máy thu: cặp nhiệt điện nhạy, kim loại. và điện trở nhiệt bán dẫn (bu lông) và bộ chuyển đổi nhiệt khí, việc đốt nóng thành bình thành-rykh dẫn đến đốt nóng khí và thay đổi áp suất của nó, áp suất này được cố định. Tín hiệu đầu ra có dạng một đường cong phổ thông thường. Ưu điểm của các thiết bị cổ điển chương trình: sự đơn giản của thiết kế, liên quan. sự rẻ tiền. Nhược điểm: không thể đăng ký các tín hiệu yếu do tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, điều này làm phức tạp rất nhiều công việc trong vùng IR xa; độ phân giải tương đối thấp (lên đến 0,1 cm-1), đăng ký quang phổ lâu dài (trong vòng vài phút). Trong máy quang phổ Fourier, không có khe đầu vào và đầu ra, và chính phần tử - giao thoa kế. Thông lượng bức xạ từ nguồn được chia thành hai chùm đi qua mẫu và giao thoa. Sự khác biệt về đường đi của các chùm tia là thay đổi bởi một gương di động phản chiếu một trong các chùm tia. Tín hiệu ban đầu phụ thuộc vào năng lượng của nguồn bức xạ và sự hấp thụ của mẫu và có dạng tổng của một số lượng lớn các sóng hài. các thành phần. Để thu được phổ ở dạng thông thường, phép biến đổi Fourier tương ứng được thực hiện bằng máy tính cài sẵn. Ưu điểm của máy quang phổ Fourier: tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, khả năng hoạt động trong dải bước sóng rộng mà không làm thay đổi phần tử phân tán, đăng ký quang phổ nhanh (tính bằng giây và phân số giây), độ phân giải cao (lên đến 0,001 cm-1). Nhược điểm: chế tạo phức tạp và giá thành cao. Tất cả các máy quang phổ đều được trang bị máy tính, để lúa mạch đen thực hiện quá trình xử lý chính của quang phổ: tích lũy tín hiệu, tách chúng khỏi nhiễu, trừ nền và phổ so sánh (phổ dung môi), thay đổi thang ghi, tính toán các thí nghiệm. . các tham số phổ, so sánh phổ với phổ đã cho, sự phân biệt của phổ, v.v ... Cuvette dùng cho máy quang phổ IR được làm bằng vật liệu trong suốt trong vùng IR. CCl4, CHCl3, tetracloetylen, dầu vaseline thường được dùng làm dung môi. Mẫu rắn thường được nghiền nhỏ, trộn với bột KBr, và nén thành viên nén. Để làm việc với chất lỏng và khí mạnh, thiết bị đặc biệt được sử dụng. phún xạ bảo vệ (Ge, Si) trên cửa sổ ô. Ảnh hưởng gây nhiễu của không khí được loại bỏ bằng cách làm sạch thiết bị hoặc làm sạch nó bằng nitơ. Trong trường hợp hấp thụ yếu trong (khí hiếm, v.v.), cuvet nhiều lần được sử dụng, trong đó chiều dài của quang học. Đường đi lên đến hàng trăm mét do phản xạ nhiều lần từ một hệ thống gương song song. Phương pháp cô lập ma trận đã trở nên phổ biến, trong đó khí đang được nghiên cứu được trộn với argon, và sau đó hỗn hợp này được đông lạnh. Kết quả là, nửa chiều rộng của dải hấp thụ giảm mạnh và quang phổ trở nên tương phản hơn. Việc sử dụng đặc biệt vi mô công nghệ cho phép bạn làm việc với các vật thể có kích thước rất nhỏ (phần nhỏ của mm). Để đăng ký phổ của bề mặt chất rắn, phương pháp tổng số bị nhiễu. phản xạ. Nó dựa trên sự hấp thụ năng lượng điện từ của lớp bề mặt. bức xạ đi ra khỏi một lăng kính đầy đủ ext. phản xạ, nằm trong quang học. tiếp xúc với bề mặt được nghiên cứu. Quang phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi để phân tích hỗn hợp và xác định các chất tinh khiết. Định lượng. phép phân tích dựa trên định luật Bouguer-Lambert-Beer (xem Quang phổ hấp thụ), tức là sự phụ thuộc của cường độ dải hấp thụ vào nồng độ vật chất trong mẫu. Đồng thời, số lượng ve in-va không được đánh giá bởi otd. dải hấp thụ và đường cong quang phổ nói chung trong một dải bước sóng rộng. Nếu số lượng các thành phần nhỏ (4-5), thì có thể tách biệt phổ của chúng theo phương pháp toán học ngay cả ở mức trung bình. bao gồm sau này. Số lượng lỗi. phân tích, như một quy luật, là một phần của phần trăm. Việc xác định nội dung thuần túy thường được thực hiện với sự trợ giúp của hệ thống truy xuất thông tin tự động. so sánh phổ được phân tích với phổ được lưu trong bộ nhớ máy tính. Vùng đặc trưng của sự hấp thụ bức xạ IR tối đa. các chức năng thường xuyên xảy ra. các nhóm chem. conn. được đưa ra trong bảng. trên tờ rơi ở cuối tập. Để xác định nội dung mới (phân tử thành-rykh có thể chứa tới 100 nguyên tử), hãy áp dụng các hệ thống kỹ thuật. trí tuệ. Trong các hệ thống này, trên cơ sở tương quan cấu trúc phổ, các trụ được tạo ra. cấu trúc, sau đó chúng được xây dựng về mặt lý thuyết. quang phổ, to-lúa mạch đen được so sánh với thực nghiệm. dữ liệu. Việc nghiên cứu cấu trúc của phân tử và các vật thể khác bằng quang phổ hồng ngoại liên quan đến việc thu thập thông tin về các tham số của mol. mô hình và toán học rút gọn để giải quyết cái gọi là. các bài toán về quang phổ nghịch đảo. Giải pháp của những vấn đề như vậy được thực hiện bằng cách tính gần đúng liên tiếp của các tham số mong muốn, được tính toán bằng cách sử dụng đặc biệt. lý thuyết về đường cong quang phổ để thực nghiệm. Các thông số nói. mô hình là khối lượng của các nguyên tử tạo nên hệ thống, độ dài liên kết, hóa trị và góc xoắn, đặc điểm của bề mặt thế (hằng số lực, v.v.), mômen lưỡng cực của liên kết và các dẫn xuất của chúng liên quan đến độ dài liên kết, v.v. Hồng ngoại quang phổ học cho phép bạn xác định các đồng phân cấu trúc và không gian, nghiên cứu các tương tác trong và giữa các phân tử, bản chất của hóa chất. liên kết, sự phân bố điện tích trong phân tử, sự biến đổi pha, động học hóa học. p-tions, đăng ký các hạt tồn tại ngắn hạn (thời gian sống lên đến 10-6 s), tinh chỉnh geom riêng lẻ. thông số, nhận dữ liệu để tính toán nhiệt động. f-tions, v.v. Một giai đoạn cần thiết của các nghiên cứu như vậy là giải thích phổ, tức là thành lập dạng của dao động pháp tuyến, phân bố của dao động. năng lượng theo bậc tự do, lựa chọn các tham số có ý nghĩa xác định vị trí của các dải trong quang phổ và cường độ của chúng. Các phép tính về quang phổ của các phân tử có chứa đến 100 nguyên tử, incl. polyme được thực hiện với sự trợ giúp của máy tính. Trong trường hợp này, cần phải biết đặc điểm của số mol. mô hình (hằng số lực, tham số điện quang, v.v.), được tìm thấy bằng cách giải các bài toán phổ nghịch đảo tương ứng hoặc hóa học lượng tử. các phép tính. Trong cả hai trường hợp, thường có thể thu được dữ liệu về các phân tử chỉ chứa các nguyên tử của bốn chu kỳ đầu tiên của chu kỳ tuần hoàn. các hệ thống. Vì vậy, quang phổ hồng ngoại như một phương pháp nghiên cứu cấu trúc của phân tử được nhiều người quan tâm nhất. phân phối trong tổ chức. và elementoorg. hóa học. Trong bộ phận trường hợp đối với các chất khí trong vùng IR, có thể quan sát chuyển động quay. cơ cấu dao động. sọc. Điều này làm cho nó có thể tính toán mômen lưỡng cực và geom. tham số của phân tử, xác định hằng số lực, v.v.