Утверждаю

Заведующий кафедрой

Химической технологии

пластических масс

РХТУ им Д.И.Менделеева

Проф. В.В.Киреев

Методика

количественного определения состава сополимеров акрилонитрила с метакриловой кислотой методом просвечивающей ИК спектроскопии с преобразованием Фурье

Москва 2010

1. Теоретические основы метода

Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) – это один из методов оптической спектроскопии. С помощью ИК-спектроскопии определяют строение молекул, так как в инфракрасной области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул.

Каждому виду связи между атомами соответствуют колебания определенной частоты. Если на молекулу падает свет той же частоты, происходит поглощение энергии, которая вновь выделяется, когда молекула возвращается из возбужденного состояния в исходное. Этим свойством молекул и пользуются в ИК-спектроскопии.

В спектроскопии сложилась своя система терминов. Она несколько отличается от принятой в физике. К сожалению уже в течение многих лет это вносит некоторую путаницу. В основном это касается таких понятий как частота колебаний и волновое число.

В физике под частотой колебаний понимают количество колебаний в единицу времени. Она обозначается ν и имеет размерность (сек^-1) или (Гц).

Частота колебаний света равна:

ν =с 1/ λ

Где: с – скорость света в вакууме

Волновым числом в физике называют величину обозначающую количество волн укладывающихся в расстоянии 2π метров. Оно обозначается k и имеет размерность (м^-1):

k=2π/λ

В спектроскопии волновым числом называют величину обратную длине волны. Его обозначают ν и оно имеет размерность (см^-1):

ν=1/λ)

В дальнейшем под волновым числом мы всегда будем подразумевать именно эту величину.

В основу количественного аналитического метода положен закон Бугера-Ламберта-Бера, связывающий интенсивность монохроматического светового потока (I₀) падающего на образец, и потока (I), прошедшего через него, c характеристиками молекул исследуемого (поглощающего) вещества и его концентрацией в образце:

I=I₀ •10^-εCl, (3)

Где: ε – удельный коэффициент поглощения, называемый также коэффициент экстинкции, или просто экстинкция, л/(моль cм); C – концентрация вещества, моль/л; l - толщина слоя, см.

В практической работе используют логарифмическую форму записи закона Бугера-Ламберта-Бера:

Где: D – оптическая плотность (безразмерная величина).

Работая на ИК спектрометрах, измеряют соотношение I/I₀, которое называется коэффициентом пропускания, или просто пропусканием (Т= I/I₀).

Спектр поглощения представляет собой зависимость пропускания Т= (I/I₀) •100% от волнового числа ν.

Т ~ f(1/λ) или Т ~ f(ν)

Длина волны λ в максимуме поглощения, либо волновое число определяют положение полосы в спектре. Кроме того, каждая полоса в спектре может быть охарактеризована интенсивностью, шириной и типом поляризации.

Интенсивность полосы характеризует концентрацию данных химических групп, поглощающих свет с длиной волны λ, а также молекулярную структуру вещества. Так, наиболее интенсивными в спектре являются пики, отвечающие валентным колебаниям.

Различают интенсивность в максимуме поглощения и интегральную интенсивность (площадь под кривой поглощения). Интегральная интенсивность – очень интересная величина, характеризующая молекулярные процессы, однако интенсивность в максимуме проще измерить, и поэтому ею пользуются чаще. Полосы поглощения делят на сильные, средние и слабые в зависимости от высоты полосы в максимуме поглощения или от площади под контуром полосы. Ширину полосы можно измерять на уровне половины ее высоты в максимуме. Такую величину называют полушириной.

Рисунок 1. Полоса поглощения в ИК спектре.

Важнейшими характеристиками полосы поглощения являются следующие, представленные на рис.2:

• Волновое число в максимуме поглощения ν_max;

• Пропускание в максимуме поглощения и связанные с ней величины – оптическая плотность D и кажущийся коэффициент экстинкции ε;

• Ширина полос поглощения на середине ее высоты – полуширина – ∆ν_1/2 , выраженная в см^-1, При этом высота полосы должна быть выражена в единицах относительной плотности, т.е. когда D = 0,5·D_max

• Интегральная интенсивность поглощения A, вычисляемая по формуле (4)

(4)

Где: С – концентрация, моль/л; l – толщина поглощающего слоя, см.

Для полос поглощения, описываемых уравнением Лоренца, интегральная интенсивность может быть рассчитана по уравнению 5:

(5)

В более сложных случаях необходимо проводить графическое интегрирование с коррекцией базовой линии.

Рисунок 2. Определение оптической плотности по методу базовой линии.

Оптические плотности в максимумах полос поглощения определяют по формуле:

D=lg(T_б/Т_max),

Где: T_б – величина пропускания в точке базовой линии с вертикалью, проходящей через максимум полосы поглощения, % (положение базовой линии показано на рис.2); Т_max – величина пропускания в максимуме полосы поглощения, %.