Краткая характеристика метода ИК – спектроскопии

При поглощении энергии ИК–излучения происходит возбуждениемолекулы и появляются интенсивные колебания.

В ближней (при частоте n=13157-4000см^-1 или длине волны ) и средней (;n= 4000-200см^-1) областях ИК–излучения проявляются внутримолекулярные колебания, при которых меняется относительное расположение ядер атомов, составляющих молекулы. В результате таких колебаний изменяются:

· длины химических связей, соединяющих атомы. Такие колебания называются валентные колебания(смотри рисунок10,вариант 1, 2);

· валентные углы между связями. Этот вид колебаний носит название деформационных колебаний (смотри рисунок 10, варианты 3,4,5,6).

 

Рисунок 10 - Колебания группы атомов СХ₂

 

Валентные: 1 – симметричные (u_s); 2 – асимметричные (u_as);

Деформационные: 3 – ножничные (d); 4 – маятниковые (g_ч);

5 – веерные (g_w); 6 – крутильные (g_t).

 

Колебания очень тяжелых атомов (которые,кстати сказать, редко входят в состав полимеров) проявляются в дальней ИК – области (200см^-1 – 10см^-1).

Частота nИК–излучения, при которой появляются колебания атомов, связана с массой атомов:

, где

- противодействующая квазиупругая сила, которая возникает в молекуле при отклонении атомов от положения равновесия;

m - приведенная масса колеблющихся атомов.

Из формулы вытекает, что чем больше масса атомов, тем меньше частотаn или соответственно больше длина волны l, при которой проявляются колебания. И наоборот, чем меньше масса атомов, тем большеn или соответственно меньшеl, при которой проявляются колебания.

Следовательно, определенной частоте ИК–излучения будет соответствовать колебания атомов определенной массы и химической природы.

Пример: пара атомов С-Н (легкая) поглощает ИК–лучи и начинает колебаться при частоте n=3000см^-1;

более тяжелые пары атомов С-F, С-Cl, С-Br – колеблются при n соответственно: 1400-1000; 800-600 и 600-500см^-1.

Квазиупругая сила тоже влияет наn. При повышении кратности связи (двойные, тройные, ароматические циклы) - растет и связанная с нею пропорциональной зависимостью частота nтоже увеличивается.

Пример: валентные колебания связи проявляются при частоте n=1300 см^-1; валентные колебанияпри n=1640-1690см^-1,

а валентные колебания - уже при n=2250см^-1.

С точки зрения квантовой физики при поглощении света происходит переход молекул с исходного колебательного уровня на соседний верхний уровень и при этом поглощается по правилу Бора фотон с волновым числом n:

Каждое молекулярное колебание вовлекает в процесс колебания в той или иной степени все соседние атомы. Но можно выделить колебания определенных атомов или групп, которые наиболее интенсивны на фоне остальных. Такие колебания называются характеристическими или аналитическими. Они проявляются при одной и той же частоте n в спектрах разных химических соединений при наличии указанных атомных групп.

На характеристические колебания слабо влияют другие колебания, поэтому они являются независимыми. Чем более разница масс атомов в колеблющейся группе, тем более независимыми будут характеристические колебания.

Пример: масса атомовСиН сильно отличаются, поэтому валентные колебания С-Н – группы – характеристические и всегда появляются при см^-1.

Полоса поглощения в ИК-спектрах наиболее интенсивна тогда, когда при колебаниях группы атомов сильно изменяется величина дипольного момента.

Положение полос поглощения основных колебаний для отдельных атомных группировок приведено в таблице 5.

Более полная информация о характеристических полосах поглощения различных групп приведена на форзаце т.2 Химической энциклопедии. Кроме того, подробнейшая информация по ИК-спектрамполимеров (положение полос и атлас самих спектров имеется в книгах 15, 17 и 18 списка литературы).

Из всех спектральных методов ИК-спектроскопия наиболее распространена в химии полимеров для их идентификации или подтверждения строения.

Современные ИК-спектрофотометры используют средний диапазон длин волн (2,5-50мкм или частот 4000-200см^-1).

В этой области спектра проявляется до 80% всех возможных колебаний атомных группировок.