Введення
Спектроскопія - Розділ фізики та аналітичної хімії, присвячені вивченню спектрів взаємодії випромінювання (в тому числі, електромагнітного випромінювання, акустичних хвиль і ін) з речовиною. У фізиці спектроскопічні методи використовуються для вивчення всіляких властивостей цих взаємодій. В аналітичній хімії - для виявлення і визначення речовин за допомогою вимірювання їх характеристичних спектрів, тобто методами спектрометрії.
Області застосування спектроскопії поділяють по об'єктах дослідження: атомна спектроскопія, молекулярна спектроскопія, мас-спектроскопія, ядерна спектроскопія, інфрачервона спектроскопія та інші.
Метод інфрачервоної спектроскопії дає можливість одержати відомості про відносні положеннях молекул протягом дуже коротких проміжків часу, а також оцінити характер зв'язку між ними, що є принципово важливим при вивченні структурно-інформаційних властивостей різних речовин.
В основі цього методу лежить така фізична явище, як інфрачервоне випромінювання. Інфрачервоне випромінювання також називають В«тепловимВ» випромінюванням, так як всі тіла, тверді і рідкі, нагріті до певної температури, випромінюють енергію в інфрачервоному спектрі. При цьому довжини хвиль, випромінювані тілом, залежать від температури нагрівання: чим вище температура, тим коротше довжина хвилі і вище інтенсивність випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла при відносно невисоких (до декількох тисяч кельвінів) температурах лежить в основному саме в цьому діапазоні.
Сутність методу інфрачервоної спектроскопії
Інфрачервона спектроскопія (ІЧ спектроскопія), розділ молекулярної спектроскопії, вивчає спектри поглинання і віддзеркалення електромагнітного випромінювання в інфрачервоній області, тобто в діапазоні довжин хвиль від 10-6 до 10-3 м. В координатах інтенсивність поглиненого випромінювання - довжина хвилі (хвильове число) інфрачервоний спектр являє собою складну криву з більшим числом максимумів і мінімумів.
Близький ІЧ-спектр рідкого етанолу
Смуги поглинання з'являються в результаті переходів між коливальними рівнями основного електронного стану досліджуваної системи. Спектральні характеристики (Положення максимумів смуг, їх напівширина, інтенсивність) індивідуальної молекули залежать від мас складових її атомів, геометрії будови, особливостей міжатомних сил, розподілу заряду і ін Тому інфрачервоні спектри відрізняються великою індивідуальністю, що і визначає їх цінність при ідентифікації і вивченні будови сполук.
Кількісна зв'язок між інтенсивністю I минулого через речовину випромінювання, інтенсивністю падаючого випромінювання I0 і величинами, що характеризують поглинаюча речовина, заснована на законі Бугера-Ламберта-Бера, тобто на залежності інтенсивності смуг поглинання від концентрації речовини в пробі. При цьому про кількість речовини судять не по окремих смугах поглинання, а по спектральним кривим в цілому в широкому діапазоні довжин хвиль. Якщо число компонентів невелике (4-5), то вдається математично виділити їх спектри навіть при значному перекривання останніх. Похибка кількісного аналізу, як правило, складає долі відсотка.
На практиці зазвичай інфрачервоний спектр поглинання представляють графічно у вигляді Залежно від частоти пЃ® (або довжини хвилі пЃ¬) ряду величин, характеризують поглинаюча речовина: коефіцієнта пропускання T (пЃ®) = I (пЃ®)/I0 (пЃ®); коефіцієнта поглинання А (пЃ®) = [I0 (пЃ®) - I (пЃ®)]/I0 (пЃ®) = 1 - Т (пЃ®); оптичної щільності D (пЃ®) = Ln [1/T (пЃ®)] = пЃЈ (пЃ®) cl, де пЃЈ (пЃ®) - показник поглинання, з - концентрація поглинаючої речовини, l - товщина поглинаючого шару речовини. Оскільки D (пЃ®) пропорційна пЃЈ (пЃ®) і з, вона зазвичай застосовується для кількісного аналізу за спектрами поглинання.
Можливості використання інфрачервоної спектроскопії для якісного виявлення та визначення структури
Метод інфрачервоної спектроскопії є універсальним фізико-хімічним методом, який застосовується в дослідженні структурних особливостей різних органічних і неорганічних сполук. Метод заснований на явищі поглинання групами атомів випробуваного об'єкта електромагнітних випромінювань в інфрачервоному діапазоні. Поглинання пов'язано з порушенням молекулярних коливань квантами інфрачервоного світла. При опроміненні молекули інфрачервоним випромінюванням поглинаються тільки ті кванти, частоти яких відповідають частотам валентних, деформаційних і лібраціонних коливань молекул.
Для реєстрації спектрів поверхні твердих тіл застосовують метод порушеного повного внутрішнього відбиття. Він заснований на поглинанні поверхневим шаром речовини енергії електромагнітного випромінювання, що виходить з призми повного внутрішнього відображення, яка знаходиться в оптичному контакті з досліджуваної поверхнею. Інфрачервона спектроскопія широко застосовують для аналізу сумішей та ідентифікація чистих речовин.
Ідентифікація чистих речовин проводиться зазвичай за допомогою інформаційно-пошукових систем шляхом автоматичного порівняння аналізованого спектру зі спектрами, зберігаються в пам'яті ЕОМ. Для ідентифікації нових речовин (молекули яких можуть містити до 100 атомів) застосовують системи штучного інтелекту. В цих системах на основі спектроструктурних кореляцій генеруються молекулярні структури, потім будуються їхні теоретичні спектри, які порівнюються з експериментальними даними. Дослідження будови молекул та ін об'єктів методами інфрачервоної спектроскопії увазі одержання відомостей про параметрах молекулярних моделей і математично зводиться до вирішення зворотних спектральних задач. Вирішення таких завдань здійснюється послідовним наближенням шуканих параметрів, розрахованих за допомогою спеціальної теорії спектральних кривих до експериментальних.
Параметрами молекулярних моделей служать маси складають систему атомів, довжини зв'язків, валентні і торсіонні кути, характеристики потенційної поверхні (силові постійні та ін), дипольні моменти зв'язків та їх похідні по довжинах зв'язків і ін Інфрачервона спеткроскопія дозволяє ідентифікувати просторові і конформаційні ізомери, вивчати внутрішньо-і міжмолекулярні взаємодії, характер хімічних зв'язків, розподіл зарядів в молекулах, фазові перетворення, кінетику хімічних реакції, реєструвати короткоживучі (час життя до 10-6 з) частинки, уточнювати окремі геометричні параметри, отримувати дані для обчислення термодинамічних функцій та ін
Необхідний етап таких досліджень - інтерпретація спектрів, тобто встановлення форми нормальних коливань, розподілу коливальної енергії за ступенями свободи, виділення значущих параметрів, що визначають положення смуг в спектрах і їх інтенсивності. Розрахунки спектрів молекул, що містять до 100 атомів, в тому числі полімерів, виконуються за допомогою ЕОМ. При цьому необхідно знати характеристики молекулярних моделей (силові постійні, електрооптичні параметри та ін), які знаходять рішенням відповідних зворотних спектральних задач або Квантовохімічне розрахунками.
І в тому, і в іншому випадку зазвичай вдається отримувати дані для молекул, що містять атоми лише перших чотирьох періодів періодичної системи. Тому інфрачервона спектроскопія як метод вивчення будови молекул отримав найбільшу поширення в органічній і елементоорганічних хімії. В окремих випадках для газів в інфрачервоній області вдається спостерігати обертальну структуру коливальних смуг. Це дозволяє розраховувати дипольні моменти і геометричні параметри молекул, уточнювати силові постійні і т.д.
Інфрачервона спектроскопія має ряд переваг перед спектроскопією у видимій та ультрафіолетовій областях, так як дозволяє простежити зміну всіх основних типів зв'язків у молекулах досліджуваних речовин. При використанні інфрачервоної спектроскопії для визначення якісного і кількісного складу природних сумішей не відбувається руйнування речови...
