Инфракрасная спектроскопия

Одним из широко распространенных методов анализа является ИК – спектроскопия. ИК-спектроскопия является наиболее гибким и практичным методом. Это объясняется прежде всего тем, что по ИК- спектрам можно быстро проанализировать вещество в любом агрегатном состоянии. Кроме того, при помощи ИК- спектроскопии можно проанализировать микроколичество вещества.

Физическая природа ИК- спектров поглощения обусловлена переходами между двумя колебательными уровнями молекулы, находящейся в основном электронном состоянии. При рассмотрении колебаний пользуются методами классической механики. Тогда частота колебаний двухатомной молекулы дается уравнением:

где r – силовая постоянная связи; - приведенная масса.

Если в такой атомной группировке силовые постоянные связи или массы сильно отличаются от параметров остальной части молекулы, то колебания наблюдаются в узком интервале частот и проявляются в спектрах всех соединений, содержащих эту группировку. Число полос в спектре. Нелинейная молекула содержащая N атомов имеет 3N–6 основных (фундаментальных) колебаний (линейная молекула имеет 3N–5 колебаний). Образование полос поглощения в ИК- спектрах обусловлено либо в результате колебательных движений ядер в молекулах, либо в результате вращения молекул. На практике используются обычно колебательные спектры. Колебания атомов могут быть направлены вдоль валентной связи между атомами молекулы, в этом случае они называются валентными. Различают симметричные валентные колебания, в которых атомы колеблются в одинаковых направлениях, и ассиметричные валентные колебания, в которых атомы в молекулах колеблются в противоположных направлениях.

Когда колебания атомов происходит с изменением величины угла между связями, они называются деформационными. Типы колебаний приведены на рис. 14

Деформационные колебания делятся на ножничные, веерные, крутильные. Такое разделение условно, потому что при валентных колебаниях происходит частично деформация углов и наоборот. Энергия деформационных колебаний меньше, чем энергия валентных колебаний и полосы поглощения, обусловленные деформационными колебаниями, располагаются в области более длинных волн.

Рис. 14 - Примеры валентных и деформационных колебаний

Колебания всех атомов молекулы обуславливают полосы поглощения, индивидуальны для данного вещества. Но среди этих колебаний можно выделить колебания групп атомов, которые слабо связаны с колебаниями атомов остальной части молекулы. Полосы поглощения, обусловленные такими колебаниями называются характеристическими полосами. Они наблюдаются, как правило, в спектрах всех молекул, в которых имеются данные группы атомов, т.е. химические группы поглощают электромагнитные колебания в узком интервале частот. К таким группам относятся, например, колебания групп: CH, CH₂, CH₃, O–H, N–H, NH₂, C=C, C=O, NO₂ и др. Так, например, в спектрах всех насыщенных углеводородов наблюдаются полосы поглощения 2960 и 2870 см^–1. Первая полоса обусловлена ассиметричными валентными колебаниями связи C–H в метильной группе CH₃, вторая – симметричными валентными колебаниями связи C–H этой же группы.

Следует помнить, что не существует, строго говоря, чисто валентных или чисто деформационных колебаний.