Ir_met

На сьогоднішній день інфрачервона спектроскопія (ІЧС) є одним з основних фізичних методів дослідження в хімії, який дозволяє вирішувати завдання якісного і кількісного аналізу речовин і робити висновки про будову молекул.

Найчастіше використовують ІЧС в органічній хімії та хімії високомолекулярних сполук для встановлення структури молекул чи наявності функціональних груп, а також для ідентифікації речовин. Завдяки простоті методу і можливості його автоматизації інфрачервона спектроскопія широко застосовується в наукових лабораторіях і є надійним засобом контролю хімічних виробництв.

ІНФРАЧЕРВОНИЙ СПЕКТР

Інфрачервоний спектр - одна з найважливіших характеристик хімічної сполуки. Інфрачервона область спектра займає діапазон довжин хвиль від межі видимої до мікрохвильової областіі, тобто від 750 до 106 нм.

Але під інфрачервоною областю звичайно мають на увазі більш вузький інтервал 2,5 103 - 2,5 104 нм. Більш короткохвильову (750 - 2,6 108 нм) та довгохвильову (2,5 104 - 106 нм) ділянки спектру називають ближньою і дальньою інфрачервоними областями.

Для характеристики інфрачервоного випромінювання частіше використовують не довжини хвиль ( ), а хвильові числа ( ). Хвильове число - це величина, обернена довжині хвилі у вакуумі, і виражена в обернених сантиметрах (см-1). Вона показує, скільки довжин хвиль поміщається в 1 см:

Поглинання світла речовиною в ІЧ області пов'язано із збудженням коливань зв'язків в молекулі внаслідок резонансу. В ближній і середній ІЧ областях проявляються внутрішньомолекулярні коливання, при яких змінюється відносне розташування ядер атомів, що входять до складу молекули. Поглинання в дальній ІЧ області пов'язано з коливаннями важких атомів і обертальними рухами молекул.

Молекула є системою, що складається з атомів, які перебувають в постійному коливальному русі. Частота цього коливання визначається видом хімічного зв'язку.

Коливання можна розділити на два основних типи: валентні і деформаційні.

Валентні коливання - це коливання, при яких два пов'язаних атоми здійснюють коливання вздовж осі валентного зв'язку, то зближуючись, та віддаляючись. Вони поділяються на симетричні ( s) і асиметричні ( as).

Деформаційні коливання - характеризуються безперервний зміною. валентного кута між зв'язками. Їх можна розділити на чотири типи: віяльні, маятникові, крутильні і ножничні:

При віяльних коливаннях структурна одиниця рухається вперед і назад у рівноважній площині, утвореній атомами і двома їх зв'язками; при маятникових - коливається поза рівноважною площиною. У випадку ножничних коливань два незв'язаних атоми рухаються вперед і назад по відношенню один до одного. Обертання структурної одиниці відносно зв'язку, який сполучає її з іншою частиною молекули, називається крутильними коливаннями ("+"- на спостерігача," -" - від спостерігача).

Кожному типу зв'язку певного виду атомів відповідають коливання певної частоти. Якщо на молекулу падає світло такої ж частоти, відбувається поглинання енергії, яка знову виділяється, коли молекула повертається зі збудженого стану у вихідний. Тобто, при опроміненні зразку інфрачервоним світлом з частотою, що безперервно змінюється, певні ділянки спектру випромінювання повинні поглинатися молекулою, викликаючи розтягування або вигин відповідних зв'язків. Промінь, що проходить через речовину, послаблюється в області поглинання. Реєструючи інтенсивність випромінювання, що пройшло через речовину (пропускання Т) в залежності від хвильових чисел або довжин хвиль , отримують криву, на якій видні смуги поглинання. Це і є інфрачервоний (коливний) спектр, який є характеристичною властивістю молекули і застосовується для ідентифікації, встановлення структури і кількісного аналізу невідомої речовини.

ПРИЛАДИ, ЩО ВИКОРИСТОВУЮТЬСЯ В ІЧ СПЕКТРОСКОПІЇ

В ІЧ спектроскопії використовуються прилади різного ступеню складності: ИКС-14,

ИКС-22, ИКС-29, MR-10, MR-20, Specord-80 та ін.

Блок-схема двопроменевого ІЧ спектрофотометра (нульовий метод) показана на малюнку.

Світловий потік від джерела випромінювання 1 розділяється на два промені: робочий потік, який проходить через зразок 3, і потік, що проходить через кювету порівняння 4. Обидва потоки проходять через модулятор 6 і по черзі прямують на вхідну щілину монохроматора 7, розкладаються призмою або дифракційною граткою спектрометра і збираються термоабо фотоприймачем 8; в якому, якщо енергії потоків не рівні, виникає змінний електричний сигнал. Цей сигнал перетворюється підсилювачем 9, випрямлячем 10 і за допомогою двигуна 11 приводить в рух фотометричну систему 5 (діафрагму, клин), що екранує потік порівняння доти, поки його інтенсивність не стане рівною інтенсивності робочого потоку. Фотометрична система зв'язана з пером самописця 12, який реєструє спектральну криву поглинання в координатах Т = f ( ).

Оптика приладів, призми, кювети для зразків повинні бути виготовлені з матеріалів, які не поглинають випромінювання, що на них падає, сильніше, ніж досліджувані зразки. Цій умові відповідають кристали таких солей, як NaCl, KBr, CsI, LiF, CaF2.

Приблизний діапазон-роботи призм за хвильовими числами, см-1:

Метод ІЧС використовується для вивчення речовин найрізноманітнішої природи. Цим методом можна досліджувати газоподібні, рідкі і тверді речовини.

ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ

Якісний аналіз за інфрачервоними спектрами звичайно проводиться в дві стадії: ідентифікація характеристичних смуг поглинання і встановлення структури молекули співставленням одержаного спектру зі стандартними спектрами.

Характеристичними смугами поглинання, або характеристичними частотами називаються досить інтенсивні смуги поглинання, які проявляються в області, характерній для даної групи, і придатні для ідентифікації цієї групи. Для їх характеристики приводять частоту і якісну оцінку інтенсивності: сильна (С), середня (Ср), слабка (Сл) і змінна (Зм).

Список деяких характеристичних смуг поглинання приведений в таблиці:

Для того, щоб провести якісний аналіз речовини, необхідно порівняти основні смуги поглинання з характеристичними групами, користуючись таблицею характеристичних частот, та визначити клас сполуки, функціональні групи, а також встановити тип замісників, наявність подвійних і водневих зв'язків. Отримана таким чином інформація достатня для вибору деяких можливих варіантів структури. Далі спектр зразка необхідно порівняти зі спектрами відомих речовин цього типу, які приведені в атласах, картотеках, підручниках, довідниках.

КІЛЬКІСНИЙ АНАЛІЗ

Основою кількісного аналізу за інфрачервоними спектрами є те, що молекули мають характерні смуги поглинання і це поглинання можна зв'язати з числом молекул в поглинаючому шарі. Цей зв'язок виражається-законом Бугера - Ламберта - Бера:

A lg I 0 lc I

де А - виміряна оптична густина; І0 - інтенсивність падаючого на зразок світла;

І - інтенсивність світла, що пройшло через зразок;

- молярний коефіцієнт поглинання, л /(моль см); с - молярна концентрація поглинаючої речовини, моль /л; l - товщина поглинаючого шару, см.

Спектри ІЧ поглинання можуть використовуватися для кількісного аналізу тому, що на структурні групи в молекулах відносно мало впливають з інші складові частин молекули. Якісний і кількісний аналізи не вичерпують всіх можливих використань методу ІЧС. Цей метод широко використовується для дослідження структури неорганічних комплексів, міжмолекулярних водневих зв'язків, симетрії молекул, ступеню полярності, кислотності та основності органічних сполук, і також для вивчення взаємодії між розчинником і розчиненою речовиною.

ІДЕНТИФІКАЦІЯ ПОЛІМЕРНИХ МАТЕРІАЛІВ

Високомолекулярні органічні сполуки і полімерні матеріали на їх основі мають широке застосування. Визначення їх якісного складу хімічними методами вимагає великих затрат часу і не завжди приводить до однозначного результату.

Використання ІЧС дозволяє легко ідентифікувати індивідуальні полімери, їх суміші і співполімери. Для цього порівнюють знятий ІЧ спектр зразка аналізованого полімерного матеріалу з еталонними спектрами передбачуваних полімерів або співполімерів. Якщо в атласі еталонних спектрів не буде знайдено ідентичний спектр, то роблять віднесення смуг поглинання аналізованого зразка за допомогою таблиці характеристичних частот. Співставлення цієї інформації з фізико-хімічними властивостями дозволяє однозначно ідентифікувати невідомий полімер.

Задачі для самостійної підготовки

Задача № 1. Визначте структуру сполуки С3Н6О :

T, %

см-1