Молекулярная спектроскопия

Спектры атомных систем состоят из отдельных узких полос в основном электронного характера, молекулярные спектры состоят из широких полос смешанного характера. Любой электронный переход сопровождается обычно изменением колебательных и вращательных уровней энергии и сопровождается поглощением излучения в довольно широком интервале длин волн, 100 нм и более. Любой колебательный переход сопровождается изменением вращательных уровней энергии, поэтому сопровождается полосой поглощения излучения 10 нм и более. Энергию квантов часто измеряют в электронвольтах (эВ, 1 эВ=1,602210^-34 Дж), используют кратные величины - килоэлектронвольты (кэВ) мегаэлектронвольты (МэВ). Энергия электронных переходов достигает 10 eV, энергия колебательных переходов достигает 0,5 eV, энергия вращательных переходов достигает 0,15 eV.

Возбуждение валентных электронов молекул сопровождается поглощением квантов с частотой, соответствующей ультрафиолетовой и видимой области спектра с длиной волны 10^-6 - 10^-4 см. Колебательные переходы в молекулах сопровождаются поглощением излучения в инфракрасной части спектра, с длиной волны 10^-4 - 10^-2 см.

В атомах и молекулах существуют уровни стационарные и возбужденные (обычно обозначаются звездочкой *), переходы между ними сопровождаются появлением спектров в УФ- и видимом диапазоне.

Различные диапазоны спектра электромагнитных колебаний используются по различным процедурам. Можно фиксировать поглощение, рассеяние, преломление, переизлучение (люминесценцию) квантов на различных образцах. Выбор определяется соотношением энергии квантов излучения и энергии переходов между уровнями молекул. Рентгеновский диапазон соответствует переходам между орбиталями с малыми квантовыми числами, которые имеют малую вероятность. Поэтому для рентгеновского излучения наиболее распространены дифракционные методы, в которых изучается зависимость интенсивности преломленного излучения от угла рассеяния. Таким образом можно изучать пространственное строение кристаллов, высокомолекулярных веществ и растворов.

Поглощение электромагнитного излучения связано с определенными изменениями в молекуле вещества, точнее, с переходами электронов на более высокий энергетический уровень. Внутренняя энергия молекулы квантована. В связи с этим количество поглощаемой энергии может иметь только строго определенные значения, т.е. поглощается излучение только определенной частоты. Поглощение излучения, а следовательно, и энергии происходит в том случае, если квант излучения соответствует разности между двумя энергетическими уровнями облучаемой молекулы.

Область интенсивного поглощения излучения называется полосой. Совокупность полос представляет собой спектр.

В ИК-, УФ- и видимом диапазонах фиксируются спектры поглощения, излучения и люминесценции. Спектр излучения возникает в случае возбуждения любым способом электронов до энергии вышележащих уровней, при возвращении электронов на первоначальные уровни возникают спектры излучения.

Для органических и, тем более биологических веществ, спектры излучения мало применимы, т.к. энергия возбуждения, необходимая для появления спектра излучения сравнима с энергией разрыва связей. Большее применение имеют спектры поглощения. Они возникают, когда пучок излучения с равномерным распределением энергии излучения по диапазону ("белого света") проходит через слой вещества. При совпадении энергии кванта с энергией перехода происходит поглощение энергии, а на месте, где проявлялись кванты, возникает полоса поглощения. Полоса появляется, т.к. энергия с большей вероятностью не излучается квантом с первоначальной энергией, а рассеивается в ходе безизлучательных переходов. Спектры люминесценции возникают, когда в молекуле или атоме возникают условия для сохранения энергии в течении некоторого времени. Чаще всего это происходит при наличии метастабильных уровней на которых возможно нахождение возбужденных электронов в течении некоторого времени. Если это время порядка долей секунды, то наблюдается флюоресценция, если время порядка минут или, даже, часов, то наблюдается фосфоресценция. Бывают случаи, когда возбужденные электроны возникают в ходе промежуточных взаимодействий интермедиатов в ходе реакций, так возникает люминесценция при изучении процессов перекисного окисления органических веществ, активными интермедиатами здесь являются органические перекиси.

Каждый тип изменений энергетических уровней молекулы происходит в определенной области частот колебаний. Для исследования строения молекул чаще всего используются следующие области, различающиеся энергией квантов:

а) наибольшая энергия требуется для возбуждения электронов; эта энергия соответствует излучению в ультрафиолетовой и видимой области (электронная спектроскопия);

б) меньшие затраты энергии необходимы для изменения заселенности колебательных и вращательных уровней молекулы, связанных с изменением длин связей и углов между атомами; такие изменения вызывают поглощение в инфракрасной области (колебательная спектроскопия);

в) еще меньшая энергия необходима для переориентации спинов ядер и электронов, которая может вызываться квантами радиочастотного излучения (спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)).

С точки зрения энергии переходов в молекуле принципиальной разницы между ультрафиолетовой и видимой областью нет. Выделение видимой части спектра в самостоятельную область обусловлено субъективными причинами - границами восприятия электромагнитного излучения человеческим глазом.

Поглощение называется характеристическим, если оно вызывается определенной группой атомов, причем характер поглощения относительно мало изменяется с изменением остальной части молекулы.

Наличие в спектрах характеристических полос поглощения позволяет обнаружить в веществе определенные структурные элементы.

Таким образом, наиболее широко используемыми в органической химии и технологии спектральными методами являются УФ- спектроскопия, ИК- спектроскопия и спектроскопия ЯМР- ЭПР. Для установления строения органических веществ большое значение имеет также масс-спектрометрия (этот метод основан на принципах, отличающихся от описанных выше).

В настоящее время сконструированы приборы, которые способны фиксировать поглощение молекулами электромагнитного излучения длиной волны от 10^-11 до 100 см. Наиболее широко используются приборы - спектрофотометры, которые позволяют изучать ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную область спектра. Простейшие устройства для фиксации спектров, в которых для выделения волны с нужной длиной используются светофильтры, часто называют колориметрами.

Использование светового потока для

количественного анализа

Закон Бугера- Ламберта- Бера

Важной характеристикой электромагнитного излучения является его интенсивность, связанная с количеством квантов, проходящих в единицу времени через единицу площади. Интенсивность поглощения монохроматического излучения, проходящего через вещество, определяется законом Бугера- Ламберта- Бера:

где I₀- интенсивность падающего света; I- интенсивность прошедшего света; n- число молей поглощающего вещества на пути светового потока; k- постоянная, определяемая природой поглощающего вещества.

Для растворов вещества в растворителе, прозрачном в данном интервале частот то же уравнение имеет вид

где l- толщина слоя раствора, или длина светового пути, см; С- концентрация вещества, моль/л;  - молярный коэффициент погашения, или коэффициент экстинкции, л/(мольсм). Величину lg(I₀/I) часто обозначают экстинция (E) или оптическая плотность (D), в переводных источниках возможно обозначение адсорбционное отношение (A).

Общая формулировка закона следующая: поглощение света пропорционально числу молекул вещества, через которое проходит пучок излучения.

Молярный коэффициент погашения характеризует поглощение раствора, концентрация которого равна 1 моль/л, в кювете с длиной светового пути 1 см. В спектроскопии этот коэффициент принят как мера интенсивности поглощения данным веществом монохроматического света. Величина  зависит от природы вещества и длины волны поглощаемого света. Иногда в качестве меры интенсивности поглощения используется процент пропускания, или (I₀/I)100.

Если молекулярный вес неизвестен, используют величину оптической плотности при известной концентрации и определенной толщине поглощающего слоя. Как правило, в таких случаях поглощение относят к сантиметровому слою 1%-ного раствора и обозначают

.

Если в дальнейшем удается определить точный молекулярный вес, молярный коэффициент вычисляют по соотношению

Обычно для исследований готовят растворы с оптической плотностью около 1-2, рассчитывая концентрацию по молярному коэффициенту.

Пример. Определить молярный коэффициент экстинкции  каротина, если раствор в хлороформе с концентрацией 510^-4% (5 мг на литр) при толщине слоя 1 см дает в максимуме поглощения значение D=1,1 и молекулярный вес равен 536.

От закона Бугера-Ламберта-Бера возможны отклонения, если

а) молекула может существовать в различных таутомерных формах (например, в случае кето-енольной таутомерии);

б) молекулы вещества могут взаимодействовать друг с другом или с молекулами растворителя, например, с образованием водородной связи; для кислот и оснований с ростом разбавления меняется степень ионизации, а поглощение ионов, как правило, резко отлично от поглощения неионизированных молекул.