Курсовая работа: Инфракрасная спектроскопия молекул

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ФИЗИКИ, МАТЕМАТИКИ

И ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

Форма обучения очная

КУРСОВАЯ РАБОТА

Направление подготовки 44.03.05 Педагогическое образование

(с двумя профилями подготовки). Направленность (профили) “Технология и Физика”

Инфракрасная спектроскопия молекул

Балимбетова Регина Рахметуллаевна

Студента 3 курса группы ДТФ-31

Астрахань - 2021

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Теоретические основы инфрокрасной спектроскопии
• 1.1 Виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров
• 1.2 Гармонические и ангармонические колебания
• 1.3 Колебания многоатомных молекул
• ГЛАВА 2. Техника и методика инфрокрасной спектроскопии
• 2.1 Приборы для инфрокрасной спектроскопии
• 2.2 Принципы устройства и действия Фурье-спектрометров
• Заключение
• Список используемых источников и литературы

ВВЕДЕНИЕ

Инфракрамсная спектроскопимя (колебательная спектроскопия, средняя инфракрасная спектроскопия, ИК-спектроскопия, ИКС) -- раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения с веществами.

При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, что широко используется в различных областях химии для установления структуры соединений.

Экспериментальным результатом в ИК-спектроскопии является инфракрасный спектр -- функция интенсивности пропущенного инфракрасного излучения от его частоты. Обычно инфракрасный спектр содержит ряд полос поглощения, по положению и относительной интенсивности которых делается вывод о строении изучаемого образца. Такой подход стал возможен благодаря большому количеству накопленной экспериментальной информации: существуют специальные таблицы, связывающие частоты поглощения с наличием в образце определённых молекулярных фрагментов. Созданы также базы ИК-спектров некоторых классов соединений, которые позволяют автоматически сравнивать спектр неизвестного анализируемого вещества с уже известными и таким образом идентифицировать это вещество.

Актуальность данной работы заключается в том, что инфракрасная спектроскопия является ценным аналитическим методом и служит для исследования строения органических молекул, неорганических и координационных, а также высокомолекулярных соединений.

Основным прибором, используемым для подобных анализов, является инфракрасный спектрометр (дисперсионный или с преобразованием Фурье).

Проблематика нашей курсовой работы заключается в выявлении особенностей инфракрасной спектроскопии и преимуществ перед другими методами.

Целью данной работы является изучение инфракрасной спектроскопии как метода.

Для реализации нашей цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Изучить виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров

2. Изучить гармонические и ангармонические колебания

3. Изучить колебания многоатомных молекул

4. Разобраться в устройстве приборов, предназначенных для проведения инфракрасной спектроскопии

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФРОКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

1.1 Виды движения в молекуле и типы молекулярных спектров

Молекула представляет собой? динамическую систему, состоящую из атомов, которые соединены в одно целое силами, обусловленными электронным взаимодеи?ствием квантового характера. В квантово-механическои? модели молекула является устои?чивои? системои? ядер и электронов. В молекуле имеется четыре вида движении?: поступательное Епост, электронное Еэл (движение электронов вокруг ядер), колебательное Екол (колебание ядер около их положении? равновесия) и вращательное Евращ (вращение молекулы как целого в пространстве). В адиабатическом приближении энергия молекулы может быть представлена в виде суммы энергии? отдельных видов движении?:

. (1)

Такое разделение обосновывается тем, что движение легких электронов происходит значительно быстрее, чем движение тяжелых ядер (колебательное, вращательное). Это обусловливает различный порядок величин энергий движений:

Еэл >> Екол >> Евращ

инфракрасная спектроскопия молекула

Следует отметить, что при более строгом рассмотрении необходимо учитывать также взаимодействие различных видов движений.

Согласно квантовым представлениям, молекула может находиться лишь в определенных энергетических состояниях. С хорошей степенью приближения можно квантовать сначала электронную энергию, затем колебательную энергию при заданной электроннои? энергии и, наконец, вращательную энергию при заданных Еэл и Екол. В формуле (1) каждыи? член принимает определенные значения. Энергию молекулы можно рассматривать как совокупность относительно далеко расположенных электронных уровней, к каждому из которых примыкают более близко размещенные колебательные уровни, окруженные в свою очередь часто расположенными вращательными уровнями.

Итак, у всякои? молекулярнои? системы существуют определенные энергетические состояния, связанные с различными видами движения молекулы, ее атомных ядер и электронов, то есть может осуществляться квантовыи? переход между каким-то состоянием с собственным значением энергии E'' и некоторым другим состоянием с энергиеи? E'. По закону сохранения энергии разность энергии? этих двух состоянии?:

Эта энергия может приобретаться или отдаваться, в частности за счет поглощения или испускания кванта электромагнитного излучения hн, энергия которого совпадает с ?E. Таким образом, в спектре появляется полоса (линия) поглощения или испускания с частотои? н.

При таком квантовом переходе могут изменяться все три части полнои? энергии молекулы, причем

ДЕэл >>Д Екол >> ДЕвращ,

что приводит к тому, что электронные, колебательные и вращательные переходы лежат в различных областях спектра (см. табл.1.1).

Спектр можно представить как последовательность квантов энергии электромагнитных колебании?, поглощенных, выделившихся или рассеянных при многочисленных переходах атомов или молекул из одних энергетических состоянии? в другие. Частота поглощаемого или испускаемого света (число колебании? в секунду, Гц) определяется простым выражением:

(2)

где - E' состояние с большеи? энергиеи?, E'' - состояние с меньшеи? энергиеи? h=6,626*10-34 - Дж с -- постоянная Планка.

Электронно-колебательно-вращательные спектры (сокращенно -- электронные), требующие наибольшеи? энергии, располагаются в ультрафиолетовои? и видимои? областях спектра (cм. табл.1.1). Отдельные полосы в этих спектрах соответствуют различным ДЕкол при заданных ДЕэл, а отдельные линии в полосах -- различным ДЕвращ при заданных ДЕэл и ДЕкол.

Таблица 1.1 «Спектральные диапазоны, используемые в молекулярнои? спектроскопии»

Так как скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме является величинои? постояннои? (c= 29997925±3 м c-1), длина волны л и частота н (Гц) связаны соотношением:

1.2 Гармонические и ангармонические колебания

Электромагнитное излучение любого диапазона частот при попадании на вещество претерпевает изменения: часть энергии отражается, часть поглощается, часть проходит (пропускается) через вещество.

Если I0 - интенсивность падающего светового потока, а Iотр - отраженного потока, Iпогл - поглощенного потока, и It - прошедшего светового потока, то можно записать :

.

Интенсивность поглощения, зависящая от того, какая доля падающеи? лучистои? энергии поглощается определенным количе- ством вещества, является не менее важнои? характеристикои? ве- щества, чем длина волны, отвечающая полосам спектра поглощения данного вещества. Как длина волны, так и интенсивность поглощения зависит от внешних условии?, таких, как температура, концентрация и растворитель.

В случае регистрации спектров поглощения в инфракраснои? области, также как и в ультрафиолетовои? (УФ) и видимои? области спектра, соотношение между пропусканием света системои? и концентрациеи? поглощающих веществ выражается законом Ламберта- Бугера-Бера:

где D - оптическая плотность; I0 - интенсивность падающего света; I - интенсивность прошедшего света; с - молярная концентрация; d - толщина поглощающего слоя; ?- молярныи? коэффициент поглощения для данного волнового числа и температуры.

Согласно этому уравнению, каждыи? слои? среды определеннои? толщины поглощает одну и ту же часть падающего на него излучения или, другими словами, каждая молекула поглощающего вещества поглощает постоянную часть падающего на нее излучения.

Чтобы представить поглощение инфракрасного излучения веществом, необходимо вспомнить принципы простого гармонического движения.

Представим себе две сферы, или массы (ионы, атомы), связанные упругои? пружинои? (химическои? связью), что должно выглядеть примерно так, как показано на рис 1.1.

Рис.1.1.-Графическая иллюстрация простого гармонического осциллятора.

Это то, что известно как простои? гармоническии? осциллятор.

После приведения в движение эти сферы будут колебаться (или вибрировать) с определеннои? частотои? в зависимости от массы сферы и жесткости пружины. Сферы (атомы, ионы) с малои? массои? легче двигаются, чем с большои? массои?. Таким образом, меньшие массы колеблются на более высокои? частоте, чем большие массы. Если сила взаимодеи?ствия между ионами достаточно велика (очень тугая «пружина»), то при деформации такои? конструкции она быстро возвращает их первоначальное положение равновесия. С другои? стороны, слабая «пружина» легко деформируется, что занимает намного больше времени, чтобы вернуться в свою форму. Таким образом, жесткая пружина будет колебаться на более высокои? частоте, чем слабая. Таким образом, сила взаимодеи?ствия, обусловленная химическои? связью между частицами, массы и расстояния между связанными частицами представляют собои? простои? гармоническии? осциллятор, которыи? имеет свою характерную гармоническую частоту колебания.

При любои? температуре выше абсолютного нуля, все атомы вещества (ионы в кристаллическои? решетке минерала) колеблются около некоторого положения равновесия, находясь на определе?нном расстоянии друг от друга в соответствии с энергиеи? взаимодеи?ствия. Простые гармонические осцилляторы, составленные связанными атомами (молекулами), колеблются с частотами, соответствующими частотам инфракрасного диапазона. Если на вещество направить инфракрасное излучение, то его поглощение будет происходить на частотах колебания гармонических осцилляторов, входящих в состав даннои? молекулы вещества.

Определенные частоты соответствуют колебаниям определенных связеи? и определенных групп связеи? в молекуле. Наличие таких частот колебании? - характеристических частот - позволяет делать вывод о строении изучаемых молекул и имеет большое значение для молекулярного спектрального анализа. По инфракрасным (ИК) спектрам вещество может быть идентифицировано. Можно определить симметрию и структуру молекул, термодинамические характеристики; провести количественныи? анализ, изучить химические равновесия и кинетику химических реакции?, контролировать ход технологических процессов.

Однако, если бы в молекуле существовали лишь колебательные движения ядер, то ее спектр состоял бы из отдельных линии?. В деи?ствительности на каждое колебательное движение накладывается вращательное движение молекулы. Это ведет к замене отдельнои? линии полосои?, состоящеи? из большого числа тесно расположенных линии?. Следовательно, каждому переходу между двумя колебательными состояниями молекулы отвечает не одна линия, а полоса.

При этом выборочно поглощается энергия на тех частотах, которые совпадают с частотами колебании? атомов в молекулах вещества, с частотами вращения молекулы или с частотами колебании? кристаллическои? решетки. Каждое вещество имеет свои? колебательныи? спектр. Число полос поглощения в спектре, ширина, форма, интенсивность определяются структурои? и химическим составом вещества. Это дает возможность по ИК-спектрам проводить качественныи? и количественныи? анализы вещества во всех агрегатных состояниях.

Рассмотрение колебательных движении? атомов в молекуле позволяет провести классификацию колебании? на два класса: валентные <н> и деформационные <д>.

Валентные колебания (рис. 1.2.) представляют собои? растяжение или сжатие связеи? атомов в молекуле; углы между связями остаются примерно неизменными. Существуют симметричные и антисимметричные колебания.