Введение

Инфракрасная (ИК) спектроскопия представляет собой один из наиболее широко применяемых инструментальных методов в аналитической химии, в том числе при изучении сложных многокомпонентных систем, таких как нефть и продукты её переработки. Универсальность, высокая чувствительность и информативность метода делают его незаменимым для решения задач, связанных с идентификацией функциональных групп, определением структурных фрагментов молекул и оценкой группового состава.

Целью данной курсовой работы является оценка возможностей метода инфракрасной спектроскопии для анализа разнообразных по физико-химическим свойствам объектов нефтяного происхождения – от лёгких нефтепродуктов до тяжёлых высокомолекулярных фракций. В работе будут рассмотрены теоретические основы метода, аппаратура, методика получения и расшифровка колебательных спектров для разных классов соединений, а также практические аспекты применения ИК-спектроскопии в контроле качества и исследованиях состава нефти и нефтепродуктов.

1. Теоретическая часть

1.1. Основные понятия

Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением представляет значительный интерес для физических методов исследования химических соединений и химического анализа. Характер процессов, возникающих в веществе при таком взаимодействии, зависит от энергии фотонов, что позволяет разделить весь спектр электромагнитного излучения на области, соответствующие различным физическим явлениям [1].

В Таблица 1 приведены основные области электромагнитного излучения, используемые в химическом анализе, диапазоны величин, характеризующих энергию фотонов, характер соответствующих физических процессов и объектов анализа.

Таблица 1 – Области энергий электромагнитного излучения и соответствующие им методы анализа [1]

Область, метод	Характеристики энергии		Процесс		Объект
	, м	Другие величины
Радиочастотная (ЯМР, ЭПР)	101 – 10-1	: 10 МГц – 1 ГГц		Изменение спинов ядер и электронов	Молекула
Микроволновая	10-1 – 10-3	1/: 0,1 – 10 см-1 : 3-300 ГГц		Изменение вращательных состояний	Молекула (газы)
Оптическая, инфракрасная (ИК, КР)	10-3 – 10-6	1/: 10 – 13000 см-1 : 150 ГГц-400 ТГц		Изменение колебательных состояний	Молекула
Оптическая, видимая, УФ	10-6 – 10-8	Видимая: =750-400 нм; : 400-800 ТГц УФ: =400 – 200 нм; : 800ТГц-100 ПГц		Изменение состояний валентных электронов	Молекула, атом
Рентгеновская	10-8 – 10-10	: 30 ПГц-300 ЭГц Е: 0,1 - 100 кэВ		Изменение состояний внутренних электронов	Молекула, атом
Гамма-излучение (ядерно-физические	10-10 – 10-13	:30 ЭГц Е: 0,01 - 10 МэВ		Ядерные реакции	Молекула, атом

Колебательные спектры молекул экспериментально изучаются методами инфракрасной (ИК) спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света. Эти спектры связаны с переходами между колебательными энергетическими состояниями, т.е. колебаниями атомных ядер относительно равновесных положений.

Существует три зоны, на которые делится инфракрасный спектр (Таблица 2) [2].

Таблица 2 - Зоны ИК области

Область	Переходная характеристика L	Длина волны, нм	Волновое число, см-1
Ближний инфракрасный диапазон (БИК)	Х-Н, обертоны и комбинации полос	780 – 2500	13000 – 4000
Средний инфракрасный диапазон (СИК)	Фундаментальные вибрации, по тонам и сочетаниям	2500 – 25000	4000 – 400
Дальний инфракрасный диапазон (ДИК)	Вращения и полосы колебания тяжелых атомов	25000 -	400 – 30

Каждая молекула обладает уникальным спектром, что делает его «отпечатком пальцев» для идентификации вещества.

Данные методы играют ключевую роль в установлении молекулярной структуры, позволяя определять функциональные группы, тип химической связи, изучать кинетику реакций и природу водородных связей. Их важное преимущество — применимость к веществам в любом агрегатном состоянии.

Хотя традиционные методики ИК и КР уступают по чувствительности некоторым другим методам, использование Фурье-спектрометров позволяет значительно повысить предел количественного определения [3].

Совокупность всевозможных энергетических переходов в молекуле, сопровождаемых поглощением (излучением) электромагнитного излучения, образует спектр.

Электромагнитное излучение может быть охарактеризовано либо волновыми, либо энергетическими параметрами. Волновой параметр выражается длиной волны или частотой колебания, которые связаны между собой уравнением (1) [1]:

(1)

где с – скорость света, – длина волны.

Часто употребляют волновое число, измеряемое в обратных сантиметрах (см^-1) (2) [1]:

(2)

Наглядно связь использующихся в ИК-спектроскопии величин представлена Рисунок 1.

Рисунок 1 – Длина волны соответствует расстоянию АВ; волновое число – число волн, приходящееся на 1 см, CD; частота – число волн, проходящих через фиксированную точку С в единицу времени [1]

Для характеристики полос поглощения применяются различные единицы измерения. Наиболее употребительной является волновое число ( , см⁻¹), определяемое уравнением (2).

Длину волны (λ) также можно выражать в различных единицах, которые связаны между собой соотношением: 1 см = 10⁸ Å (ангстрем) = 10⁷ нм (нанометр) = 10⁴ мкм (микрометр).

Инфракрасную область принято подразделять в соответствии с применяемыми оптическими материалами, которые должны обладать прозрачностью в определенной спектральной области [1]:

• Ближняя ИК-область (0,8–2 мкм): использует оптику из кварца и стекла.

• Средняя (фундаментальная) ИК-область (2–40 мкм): традиционно требует оптики из солей (LiF, NaCl, KBr, CsI) и имеет ключевое значение для анализа органических соединений. В современных приборах солевую оптику часто заменяют дифракционные решетки.

• Дальняя ИК-область (до 200 мкм): исследуется с помощью дифракционных решеток и наиболее полезна для изучения неорганических соединений.

Для большинства химических исследований применяют поглощение инфракрасного излучения в диапазоне 2–50 мкм (5000–200 см⁻¹).