Инфракрасная Фурье-спектроскопия (лекционно-практическое занятие) План лекции

Инфракрасная Фурье-спектроскопия (лекционно-практическое занятие)

План лекции Введение Инфракрасная спектроскопия Молекулярные спектры веществ Инфракрасный спектр Типы ИК спектрометров Инфракрасная Фурье-спектроскопия Подготовка проб Интерпретация ИК спектров Области применения ИК спектроскопии 2

Введение Спектроскопия — раздел физики и аналитической химии, посвящённый изучению спектров взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Физика ⇒ изучение всевозможных свойств взаимодействий электромагнитного излучения с веществом. Аналитическая химия ⇒ обнаружение и определение веществ при помощи измерения их характеристических спектров. Характер процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом, различен в разных спектральных областях. В связи с чем, спектроскопические методы анализа классифицируют по длине волны (энергии) используемого излучения: оптическая, рентгеновская, инфракрасная, масс- спектроскопия и др. 3

Инфракрасная спектроскопия (ИКС) Раздел оптической спектроскопии, включающий получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной (ИК) области спектра. ИКС занимается изучением молекулярных спектров веществ и основана на исследовании колебательных и вращательных переходов в молекулах. Инфракрасная спектроскопия является одним из основных методов анализа структурных особенностей органических соединений. Методами ИКС изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. 4

Спектр Молекула, как и атом, имеет большое число различных энергетических состояний, в которых она может находиться в зависимости от величины поглощенной ею энергии. Переход молекулы из одного энергетического состояния в другое связан с поглощением или излучением квантов света, с энергией Е = hcν , где Е — разность энергии квантовых уровней; h - постоянная Планка; с - скорость света; ν — волновое число. Совокупность всевозможных энергетических переходов в молекуле, сопровождаемых поглощением (или выделением) различных квантов, образует спектр. Электронные переходы обычно сопровождаются изменением колебательного и вращательного состояний. Спектр – последовательность квантов энергии электромагнитных колебаний, поглощенных, выделившихся или рассеянных при переходах атомов или молекул из одних энергетических состояний в другие. Рис. 1. Схема энергетических переходов в молекуле: W’W” - электронные состояния; V’V” - колебательные состояния; - J’J” вращательные состояния. 5

Вращательные спектры Обусловлены вращением молекулы, как единого целого. Вращательный спектр представляет собой совокупность спектральных линий, возникающих при изменении вращательного состояния молекул. Линии вращательного спектра возникают в результате переходов молекулы между двумя возможными вращательными состояниями. Частота соответствующая вращательному переходу: νвр. =(Евр. кон. - Евр. нач. )/h=h/4π2 I. Момент инерции этой молекулы: I=m. Аr. А 2+m. Вr. В 2=m. Аm. В/(m. А+m. В)·r. АВ 2, где m. А, m. В – массы обоих атомов, а r. АВ – расстояние между ними. Рис. 3. Вращательный спектр: B – Рис. 2. Вращательные движения двухатомной вращательная константа, по оси ординат молекулы AB: S – центр тяжести молекулы. отложена интенсивность, по оси абсцисс волновое число. 6

Колебательные спектры Поглощением в инфракрасной области обладают молекулы, дипольные моменты которых изменяются при возбуждении колебательных движений ядер. Колебательные движения ядер, приводящие к изменению длины связи, называются валентными колебаниями ( ). Колебательные движения ядер, приводящие к изменению углов между связями, называются деформационными колебаниями (d). Рис. 4. Схематическое изображение колебательного спектра молекулы. ИК-спектроскопия «видит» функциональные группы 7

Инфракрасное излучение Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого излучения ( с длиной волны λ ≈0, 74 мкм) и коротковолновым радиоизлучением (λ≈1 -2 мм) Инфракрасную область спектра условно разделяют на ближнюю (0, 74 – 2, 5 мкм), среднюю (2, 5 – 50 мкм) и далекую (50 – 2000 мкм). 8

Формирование ИК спектра поглощения Рис. 5. Зависимость интенсивности падающего I 0(ʋ) и прошедшего через вещество I(ʋ) излучения. ʋ1, ʋ 2, ʋ3, . . . - собственные частоты вещества; заштрихованные области - полосы поглощения. Инфракрасный спектр поглощения представляют графически в виде зависимости от частоты ν, длины волны λ или волнового числа k ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента пропускания T(ν)=I(ν )/I 0 (ν); коэффициента поглощения А(ν) = [I 0 (ν) - I (ν)]/I 0(ν) По числу и положению пиков в ИК-спектрах поглощения можно судить о природе вещества (качественный анализ), а по интенсивности полос поглощения – о количестве вещества (количественный анализ). 9

Волновое число (пространственная частота) – это отношение 2 π радиан к длине волны: Единица измерения - рад·м− 1, физическая размерность м− 1, см− 1. В спектроскопии волновым числом часто называют просто величину, обратную длине волны (1/λ) , измеряемую обычно в обратных сантиметрах (см − 1 ). Такое определение отличается от обычного отсутствием множителя 2π. Рис. 6. Длина волны соответствует расстоянию АВ; волновое число – число волн, приходящееся на 1 см, CD ; частота – число волн, проходящих через фиксированную точку С в единицу времени. 10

Регистрация ИК спектров Каждое вещество имеет определённый набор собственных колебательных и вращательных частот, поэтому ИК-спектр поглощения являет ся индивидуальной характеристикой вещества. Измерение спектра ИК-поглощения сводится к измерению интенсивности ИК-излучения, прошедшего через вещество, в зависимости от частоты излучения ν или длины волны λ. Регистрация спектров поглощения осуществляется с помощью специальных устройств – инфракрасных спектрометров (инфракрасных Фурье-спектрометров). Рис. 7. Общий вид и оптическая схема инфракрасного Фурье -спектрометра. 11

12

Типы ИК спектрометров Рис. 8. Схема двулучевого ИК спектрометра Рис. 9. Схема однолучевого ИК спектрометра 13

Получение ИК спектров 1. Спектр фона (эталон) 2. Спектр пробы с фоном 3. Истинный спектр пробы 14

Преимущества ИК-Фурье спектрометров 1. Высокая точность определения волнового числа. 2. Преимущество пропускания - площадь круглой щели, значительно больше, чем у узкой щели дифракционных спектрометров, что позволяет получить на детекторе световые потоки большей мощности. 3. В процессе сканирования получается информация одновременно обо всем исследуемом спектральном диапазоне, а не как в обычном спектрометре в разные моменты времени получается информация только об узких спектральных полосах исследуемого диапазона, в следствии чего уменьшается время регистрации спектра. 4. Отсутствие ограничений в спектральном разрешении за счет размеров оптических элементов, в настоящее время производятся ИК Фурье спектрометры с разрешением до 0, 002 см-1. 15

16

Подготовка образцов для снятия ИК-спектров Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и твердых веществ Подготовка образцов: 1. Для твердых веществ 2. Для жидких веществ а) Пасты: 10 -20 мг тв. вещества с 1 -2 в пленке исследуемого вещества каплями иммерсионной жидкости. 3. Растворы б) Диски с KBr (спектроскопически 0, 5 -1, 5% р-р тв. или жидкого вещества чистый): смесь 1 -3 мг тв. вещества и 150 -200 мг KBr И вазелиновое масло, и растворители не полностью прозрачны по всей области спектра вазелиновое масло (нуйлон) поглощает: 3000 – 2800 см-1, 1460 и 1380 см-1 СCl 4 поглощает: 1600, 800 см-1 Оформление записи ИК-спектра: ИК-спектр ( , вазелин, см-1): 1680 (С=О), 650 (С-Вr) 17

18

19

1 5 2 20

Валентные и деформационные колебания 1350 -400 см-1 С≡С 2300 -2000 см-1 С=С 1900 -1500 см-1 наблюдаются при больших длинах волн Ed

Области применения ИК- спектроскопии 22

Спасибо за внимание! 23