Инфракрасная часть электромагнитного спектра располагается в области от 103 до 105 нм:
ИК-область делится на ближнюю ИК (1-2 мкм), инфракрасную (2-25 мкм) и дальнюю ИК-область (25-250 мкм).
Наиболее часто применяется область 2,5-20 мкм (2500 – 20000 нм).
В результате поглощения света в ИК-области происходят переходы между колебательными уровнями основного состояния молекулы.
Колебательные уровни и, следовательно, ИК-спектры возникают за счет характеристических движений (растягивания связей, изменения величины углов между связями и т.д.) различных функциональных групп (-СН3, С=О, -ОН, -NH2 и т.д.).
Ценность спектрального анализа в ИК-области обусловлена тем, что вид колебаний каждой группы очень чувствителен к изменениям химической структуры, конформации и окружения.
Метод может быть использован для изучения химических групп, которые нельзя исследовать с помощью абсорбционной спектроскопии в УФ- и видимом свете.
Поскольку ИК-спектры – это колебательные спектры, их принято строить в частотах, а не в длинах волн.
Длина волны и частота колебаний (связаны между собой соотношением:
ν = с/λ (ню)
Если скорость света выражена в см/с, а длина волны – в см, то в этом случае ν выражается в Гц.
Величину, обратную длине волны (1/λ), называют волновым числом и выражают обычно в обратных сантиметрах (см-1).
Стандартные границы ИК-спектра в см-1:
граница высокочастотной области спектра -
2,5 мкм = 4000 см-1 (слева на спектре),
граница низкочастотной области спектра -
20 мкм = 500 см-1 (справа на спектре).
В этом виде спектроскопии установлены четкие эмпирические закономерности, связывающие структуру вещества с параметрами спектра, что дает возможность с помощью ИК-спектроскопии решать различные задачи в области идентификации и установления строения соединений (анализ смесей, контроль за ходом реакции, изучение внутри- и межмолекулярных взаимодействий).
Типы колебаний атомов в молекуле
ИК-спектр возникает при поглощении веществом электромагнитного излучения с длиной волны от 2,5 до 25 мкм (4000—400 см-1). Поглощенная энергия преобразуется главным образом в энергию колебания атомов, и молекула переходит из исходного нулевого колебательного состояния в возбужденное.
Молекула, находящаяся на нулевом колебательном уровне, не является жесткой покоящейся структурой, составляющие ее атомы постоянно колеблются. Эти колебания связанных атомов упрощенно подразделяют на два основных типа.
Валентные колебания (v) обусловлены ритмичными движениями атомов вдоль оси связи, расстояние между которыми увеличивается или уменьшается, но сами атомы остаются на оси валентной связи, т. е. валентные колебания связаны с изменением длины связей.
Деформационные колебания δ связаны с изменением углов между связями. Деформации угла могут происходить в одной или разных плоскостях, поэтому деформационные колебания бывают плоскостными и внеплоскостными.
Валентные и деформационные колебания называют нормальными.
По форме валентные колебания бывают симметричными (s) и асимметричными (as).
Аналогичные формы имеют и деформационные колебания связей .Обычно деформационные колебания метиленовой группы носят собственные названия — ножничные, маятниковые и др
Нормальные колебания атомов в молекуле происходят с определенными квантованными частотами. Молекула поглощает инфракрасное излучение с такими частотами, с какими колеблются отдельные связи в молекуле.
В результате анализа всех частот прошедшего через вещество излучения появляется информация о частотах валентных и деформационных колебаний связей, имеющихся в молекуле.
ИК-спектр представляет собой график зависимости относительной интенсивности прошедшего через вещество излучения в процентах (процент пропускания) от длины волны λ (в мкм) или волнового числа 1/ λ (в см-1).
Волновое число обычно (но не совсем верно) называют частотой.
Хотя поглощение энергии квантовано, ИК-спектр состоит не из узких линий, а из полос
Это происходит потому, что каждое изменение колебательной энергии сопровождается изменением вращательной энергии, и к колебательному переходу прибавляются вращательные переходы, значительно уширяющие сигнал.
Характеристические частоты
ИК-спектр является характеристикой всей молекулы.
Однако экспериментально установлено, что некоторые группы атомов поглощают ИК-излучение в узком интервале частот почти независимо от строения остальной части молекулы, и эти частоты поглощения мало меняются при переходе от одного соединения к другому.
Такие частоты (или полосы) и соответствующие им группы атомов называются характеристическими. С помощью характеристических частот определяют наличие в молекуле различных групп атомов и связей и тем самым проводят функционально-групповой анализ
Характеристические полосы поглощения в ИК-спектре дают все колебания связей, в которых принимает участие атом водорода (группы СН, СН2, СН3, ОН, NH2, SH и др.), а также группы, содержащие кратные связи (С=О, SO2, NO2, C=N, N=N и др.).
Интенсивность полос в ИК-спектре, в отличие от электр.онной спектроскопии, оценивается качественно (сильная, средняя, слабая, переменная) из-за трудности определения толщины поглощающего слоя.
В результате обобщения эмпирического материала составлены таблицы с диапазонами частот и длин волн характеристических полос и соответствующих им структурных фрагментов.
Таблицы характеристических частот используются для решения задач, связанных с интерпретацией ИК-спектров.