Материал: спектр и фотометр

колебания часто охватывают только небольшую группу атомов. Поглощение происходит, когда частота колебаний света становится равной частоте колебаний связей. Например, все спирты имеют по крайней мере одно колебание, состоящее в основном из чередующегося растяжения и сжатия связи О-Н, и частота этого колебания составляет ~ 1014 раз в секунду, что соответствует волновому числу около 3300 см-1 и длине волны около 3 мкм.

Некоторые группы атомов поглощают ИК-излучение в узком интервале частот почти независимо от структуры остальной части молекулы, причем эти частоты мало меняются при переходе от одного соединения к другому. Такие частоты или полосы в ИК-спектре называют характеристическими. Такие полосы поглощения дают все связи, в которых принимает участие легкий атом водорода (О-Н, N-Н, С-Н и др.), а также группы, содержащие кратные связи (С=О, С=С и др.) (см. табл. 4).

На основании табличных характеристических частот по полученному ИК спектру органического соединения определяют различные группировки атомов в молекуле и тем самым устанавливают его строение. Для этого ИК-спектр целесообразно условно разделить на четыре области и проанализировать каждую из них, начиная с высокочастотной области:

область 3700-2900 см1 – проявляются валентные колебания связей атома водорода с атомами кислорода, азота, серы и углерода;

область 2500-1900 см-1 – обычно называется областью тройных связей, потому что здесь находятся полосы поглощения таких характеристических групп, как С≡С, C≡N;

область 1900-1300 см-1 – проявляются валентные колебания связей С=С алкенов, С=С ароматического кольца, С=О, C=N и других групп, т.

е. это область двойных связей;

область менее 1300 см-1 – особенно богата полосами, большая часть которых трудно поддается расшифровке, так как обусловлена колебаниями углеродного скелета всей молекулы. Спектр поглощения в этой области является индивидуальной характеристикой соединения, поэтому ее называют областью «отпечатковпальцев»и при установлении идентичности соединений обращают на нее особое внимание.

Заметим, что очень полезно научиться интерпретировать спектральные данные, особенно ИК- и ЯМР-спектров при идентификации различных функциональных групп и установлении строения сложной органической молекулы, изучении внутри- и межмолекулярных взаимодействий (водородные связи), кинетического контроля реакции и пр. Поэтому ниже рассматриваются некоторые практические вопросы, связанные с получением и интерпретацией некоторых ИК-спектров простых и достаточно сложных органических соединений.

31

32

1.4.2. Получение ИК-спектров.

В основе получения ИК-спектров лежит прямое поглощение света при прохождении через слой вещества. Из обширного диапазона ИК-из- лучения обычно используется средняя область (400-4000 см-1), в области ближнего ИК (4000-14300 см-1), где проявляются в основном обертоны, проводят количественный анализ органических соединений. В дальнюю ИК-область (100-400 см-1) попадают практически только колебания связей углерод – металл.

Запись спектра представляет собой ИК-спектр в виде зависимости поглощения или пропускания (в %) от частоты (в см-1) или длины волны (в мкм).

Существуют различные способы введения образца в ИК-спектрометр. 1. Растворы веществ наиболее удобны для получения спектров, так как в этом случае отсутствуют межмолекулярные взаимодействия. В связи с тем, что в ИК-области поглощает практически любое вещество, в качестве растворителей используют соединения, спектры которых состоят из минимального числа полос, и наиболее часто – четыреххлористый углерод и сероуглерод. Последовательно растворив вещество в том и другом растворителе, удается записать весь ИК-спектр. Для растворов применяют цилиндрические кюветы толщиной 0,1–1,0 мм с окнами из солевых пластин. Необходимый для заполнения кюветы объем раствора 0,1-1,0 мл при концентрации 0,05-10 %.

2.Тонкие пленки (<0,01 мм) жидкого вещества, помещенные между солевыми пластинами, удерживаемыми капиллярными силами.

3.Пасты, приготовляемые тщательным растиранием твердого образца

свазелиновым маслом и помещаемые в виде тонкого слоя между солевыми пластинами. Само вазелиновое масло являющееся смесью углеводородов, интенсивно поглощает в области ~2900 см -1 и ~ 1400 см-1. Иногда для приготовления паст используется гексахлорбутадиен, прозрачный выше 1600 см-1 и в области 1250-1500 см-1, т. е. в тех интервалах частот, в которых поглощает вазелиновое масло.

4.Твердые вещества в виде тонкого порошка (0,5-1 мг), тщательно перемешанные с порошком бромида калия (~ 4,5*108 Па в тонкую пластину.

Количество вещества, необходимое для получения ИК-спектра, независимо от способа приготовления пробы составляет 0,5-2 мг. Так как

33

материалом для кювет являются солевые пластины, образец не должен содержать воду.

Метод ИК-спектроскопии – один из наиболее доступных в лабораторной практике. Приборы просты в обращении, для получения спектра требуется всего несколько минут.

На рисунках 13 и 14 представлены современные инфракрасные Фурье-спектрометры и их технические характеристики.

Рис. 13. Инфракрасный фурье-спектрометр

ИК Фурье-спектрометры ФСМ – лабораторные спектрометры для средней и ближней ИК областей. Предназначены для качественного и количественного анализа твердых, жидких и газообразных образцов и контроля качества продукции по ИК спектрам. Спектрометры полностью автоматизированы и управляются от персонального компьютера.

Технические характеристики

34

Основные преимущества

ВЫСОКАЯ ЧУВСТВТЕЛЬНОСТЬ

Спектрометры ФСМ существенно превосходят по чувствительности дифракционный приборы типа ИКС и SPEKORD, что позволяет регистрировать предельно низкие концентрации и малые количества веществ.

ЭКСПРЕССНОСТЬ

Значительно сокращает время получения спектра, что обеспечивает высокую производительность измерений, возможность сплошного контроля продукции, контроль параметров технологических процессов в реальном времени.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Полностью автоматизированы получение и учёт результатов измерений, обеспечивается высокая эффективность и надёжность обработки данных.

ПРОСТОТА ЭКСПЛУАТАЦИИ

Спектрометр не требует настройки, имеет встроенный стандарт длины волн, процесс тестирования автоматизирован.

МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКИЯ

Спектрометр может быть адаптирован для решения специализированных задач: газовый анализ, анализ топлив и масел, контроль полупроводникового кремния.

Рис. 14.ALPHA ИК-Фурье спектрометр

35