Природа ИК спектра

Молекулы веществ можно представить как систему, состоящую из шаров различной массы (они соответствуют атомам) и пружин различной жесткости (они соответствуют химическим связям). Элементы системы постоянно колеблются.

Существуют два основных типа колебаний молекул.

Во-первых, это валентные колебания, при которых расстояние между двумя атомами уменьшается или увеличивается, но атомы остаются на оси валентной связи. Это явление аналогично сжатию и растяжению пружины, связывающей атомы (рис. 1). Для систем, состоящих из трех и более атомов (шаров), существуют симметричные и асимметричные колебания (рис. 2).

Рис. 1. Механическая модель валентных колебаний атомов с массами m₁ и m₂: а – нормальное состояние; б – сжатая пружина; в – растянутая пружина

Рис. 2. Симметричные (а) и асимметричные (б) валентные колебания

Во-вторых, это деформационные колебания, при которых атомы отклоняются от оси валентной связи. К числу деформационных относятся ножничные, маятниковые, веерные, крутильные колебания (рис. 3, "плюс" – движение к наблюдателю, "минус" – движение от наблюдателя).

Рис. 3. Деформационные колебания в молекуле: а – ножничные; б – маятниковые; в – веерные; г – крутильные

Валентные и деформационные колебания происходят с определенными, квантованными частотами. Если на молекулу при этом падает свет той же частоты, то происходит поглощение энергии, и амплитуда колебания увеличи­вается. Когда молекула из возбужденного состояния возвращается в исходное, то поглощенная энергия выделяется в виде тепла.

В нелинейной молекуле, построенной из n атомов, возможны 3п - 6 нормальных колебаний, вызывающих поглощение света в инфракрасной области. Например, такие простые молекулы, как метан, СН₄, (пять атомов) и бензол, С₆Н₆, (двенадцать атомов), имеют соответственно 9 и 30 теоретически возможных полос поглощения. Для того, чтобы данное колебание проявлялось в спектре, необходимо, чтобы оно сопровождалось изменением дипольного момента молекулы. В связи с этим молекулы, содержащие элементы симметрии, дают несколько упрощенные спектры. Так, валентные колебания связи С=С в этилене и симметричные валентные колебания четырех связей С-Н метана не проявляются в ИК спектре. Теоретически предсказанные пики не наблюдаются также, если соответствующее им поглощение происходит вне исследуемой области частот, если колебания происходят при таких близких частотах, что сливаются, не разрешаются (не различаются) прибором, или если поглощение имеет слишком малую интенсивность. Кроме того, в спектре могут наблюдаться дополнительные полосы, называемые обертонами, с частотами, кратными величинам основных частот (с удвоенной, утроенной и т.д. частотой или с удвоенной, утроенной и т.д. длиной волны), и имеющие значительно меньшую интенсивность, а также полосы, появляющиеся в результате различных комбинаций сумм и разностей основных частот.

Дата добавления: 2014-12-27