Інфрачервона спектроскопія

Взаємодія речовини з електромагнітним випромінюванням чи іншим джерелом збудження не завжди супроводжується переходом електронів з одного енергетичного рівня на інший. Якщо поглинається енергія менше 70 КДж/моль, то молекула, енергія якої складає: Е=Е_ел+Е_колив+Е_оберт, змінює енергію коливальних переходів, при цьому спостерігається спектральна лінія в ІЧ-ділянці спектра, тому ІЧ-спектроскопію відносять до методів коливальної спектроскопії.

ІЧ-випромінювання можуть поглинати лише полярні молекули або неполярні, зокрема СО₂, (О=С=О), в яких може виникати диполь за рахунок міжмолекулярної взаємодії: О =С= О, О=С=О

В молекулі може здійснюватись кілька типів коливань атомів:

- валентні коливання, коли змінюється довжина зв’язку, але валентний кут залишається незмінним (симетричні – 1, 2 та антисиметричні – 3, 4);

- деформаційні коливання різних видів (5, 6) виникають внаслідок зміни валентних кутів (Рис. 3.1)

S S S S S S

O O O O O O O O O O O O

1 2 3 4 5 6

Рис. 3.1 Різні типи коливань атомів у молекулі SO₂: валентны (1, 2 – симетричні; 3, 4 -- антисиметричні) та деформаційні (5, 6).

Кожному типу коливань відповідає спектральна лінія різної інтенсивності за різних довжин хвиль.

Апаратура для коливальної спектроскопії

Прилад, який використовується для ІЧ-спектроскопії, має схожу будову зі спектрофотометром.

1. Джерела теплового ІЧ-випромінювання:

- лампа розжарювання з вольфрамовою ниткою;

- глобар із SіС дає 1800 ºС;

- штифт Нернста із ZrO₂ ~1500 ºС.

2. Монохроматори: призми з монокристалів, дифракційні решітки, інтерферометри.

3. Оптичний блок – система лінз і дзеркал, які розділяють випромінювання на два рівноцінні потоки, один з яких проходить через аналізований зразок, інший – через розчинник.

4. Відділення для проб. В ІЧ-спектроскопії пробопідготовка більш трудоємка, ніж у спектроскопії видимого діапазону, оскільки вода, спирт, скло поглинають інфрачервоне випромінювання (довголанцюговою парафіновою фракцією нафти, одержуючи пасту, яку поміщають між двома віконечками з КВr).

Підготовка твердих проб

Пробу твердих речовин ретельно подрібнюють яшмовій ступці (з КВr), розчиняють у неполярному органічному розчиннику (ССl₄, CHCl₃).

Рідини і розчини в органічному розчиннику наносять тонкою плівкою на поверхню кристалів з NaCl або KBr.

Газові зразки аналізують у вакуумних газових кюветах з віконечком із KBr; використовуючи систему дзеркал, можна збільшити шлях обігу ІЧ-променя до 1-10 км, що дає змогу визначати дуже маленькі концентрації речовини.

5. Реєструючий пристрій (детектор) – це приймач із самописцем, який будує залежність пропускання від частоти (ІЧ-спектр, рис. 3.2)

І₀

І

Рис.3.2. ІЧ-спектр υ, см^-1

Детектори бувають двох типів:

- термічні (термопара, болометр та піроелектричні. Останні реагують не на температуру, а на її зміну в часі); використовуються в широкому інтервалі довжин хвиль, але мають невисоку чутливість;

- фотонні, що діють у вузькому діапазоні довжин хвиль, більш чутливі.

Метод використовується в якісному аналізі як органічних, так і неорганічних сполук. Оскільки кожній функціональній групі чи угрупуванню атомів відповідає сигнал певної інтенсивності за певної частоти то це дозволяє ідентифікувати речовини.

Для одержання ІЧ-спектрів поглинання (пропускання) через аналізований зразок (газ, рідину, плівку,кристал чи суспензію) і потім порівнюють інтенсивність падаючого і пройденого через зразок випромінювання, використовуючи основний закон світло поглинання.

, (3.1)

. (3.2)

Ідентифікація невідомої речовини за її ІЧ-спектром полягає у зіставленні його з еталонним, наведеним у каталозі. При ідентифікації органічних речовин найчастіше використовують ділянку спектра 1300-600 см^-1 (ділянку «відбитків пальців»).

ІЧ-спектроскопію можна провести контактним і дистанційним методом. Цими методами також встановлюють будову молекул і йонів, визначають вологість ґрунтів, визначають стан води, оскільки різні форми води мають спектральні лінії різних інтенсивностей за певних частот:

= 600 см^-1-кристалізаційа вода;

= 1000 см^-1 координаційно зв’язана вода;

= 650-880 см^-1 хімічно зв’язана вода.

Кількісний аналіз проводять методом внутрішнього стандарту чи методом градуювальної кривої, використовуючи базові лінії. В основі знаходиться закон Бугера-Ламберта-Бера. Базова лінія дає змогу усунути недоліки. Коефіцієнт пропускання Т визначається як відношення:

;

І

І₀(В)

І₀(А)

І_В

І_А

ν_А ν_В ν_{, см}^-1

Рис. 3.2. ІЧ-спектр суміші речовин А і В

За одержаними даними будують градуювальну криву і проводять визначення.

Задопомогою1 км газової кювети в повітрі можна виявити забруднювачі (в мг/м³): NH₃– 0,002; формальдегід – 0,004, метанол – 0,002; параацетилнітрат – 0,010.

Фур’є – спектрометр ІНФРА-МОМ ФТ-02 (7500-500 см^-1) дозволяє:

- ідентифікувати невідому речовину;

- виявляти домішки забруднювачів у повітрі;

- проводити структурно-груповий аналіз;

- виявляти сліди нафти і нафтопродуктів у воді і встановлювати джерело забруднення.

Дата добавления: 2014-01-11