12. Метод інфрачервоної спектроскопії у дослідженні органічних і неорганічних речовин

12.1. Взаємодія інфрачервоного випромінювання з речовиною

Метод інфрачервоної спектроскопії заснований на здатності хімічних речовин селективно поглинати промені в інфрачервоній області спектру (інтервал довжин хвиль від 0,75 до 300 мкм). ІЧ-спектри поглинання пов'язані із енергією коливань атомів в молекулах відносно один одного і енергією обертань молекул.

Якщо із молекулою взаємодіє електромагнітне випромінювання, яке має певну енергію, то в залежності від величини цієї енергії відбувається перехід молекули з одного рівня енергії на інший, пов'язаний із збудженням молекули і викликаний поглинанням молекулою певної порції енергії випромінювання. Поглинання спостерігаються лише в тому випадку, коли коливання приводить до зміни розподілу заряду всередині молекули, тобто коли у молекулі змінюється дипольний момент, і чим більша ця зміна, тим сильніше поглинання. Поглинання ІЧ-випромінювання речовиною пов'язане із коливаннями атомів в молекулах, а, отже, із зміною довжин хімічних зв'язків, що з’єднують атоми. Всі коливання зв'язаних атомів підрозділяються на два основних типа: валентні і деформаційні. При валентних коливаннях змінюється в основному довжина зв'язків, а кути між ними залишаються майже незмінними. У випадку деформаційних коливань навпаки – змінюються головним чином кути між ними. На рис. 12.1 схематично представлені валентні коливання для молекул типу АХ₂ і АХ₃, а на рис. 12.2 - деформаційні коливання для тих самих груп. Стрілками показано напрямок періодичного зміщення атомів. Знаки плюс і мінус відповідають періодичним зміщення до спостерігача або від спостерігача.

В багатьох роботах по спектроскопії для окремих видів коливань використовують символи: для валентних коливань – ν_s (симетричне), ν_as (асиметричне), для деформаційних коливань ножицевих - δ_s (симетричне), δ_as (асиметричне), для деформаційних веєрних коливань - γ_ω, а також зустрічається позначення δ^’ або π , для деформаційних крутильних коливань – γ_t або τ , для деформаційних маятникових коливань - γ_r, для деформаційних коливань скелету ланцюга - Δ. Прийнято найбільш значиму область спектру, для якої ν^’ = 1300...700 см^-1, називати областю "відбитків пальців".

АХ₂-симетричне АХ₂-асиметричне АХ₃-симетричне АХ₃-асиметричне

Рис. 12.1. Типи валентних коливань

Рис. 12.2. Типи деформаційних коливань

Валентні коливання проявляються в більш високочастотній області, ніж деформаційні і найбільш інтенсивні. Експериментальні дослідження показали, що молекули, які мають одні і ті ж хімічні групи, мають деяке число спільних або мало відмінних одна від одної частот. Частоти, які притаманні певним хімічним групам, незалежно від того, в якій молекулі вони знаходяться, називаються характеристичними. Для визначення характеристичних смуг поглинання необхідно співставити спектри можливо більшого числа сполук, що містять дану атомну групу, а також не містять її. Таким чином вивчення спектрів неорганічних та органічних речовин передбачає виявлення характеристичних частот та порівняння спектрів складних речовин із спектрами індивідуальних сполук.