Краткий конспект теории

Идём прямо по контрольным вопросам.

1. Основные понятия и определения. Виды спектроскопии. Задачи спектрохимии.

Спектром называется распределение энергии электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

Молекулярная спектроскопия изучает спектральный состав излучения, получающегося в результате поглощения, испускания или рассеяния света веществом. Молекулярный спектр является результатом квантовых переходов между различными энергетическими состояниями молекул и содержит информацию об их строении.

Абсорбционная спектроскопия основана на способности вещества к избирательному поглощению. Чтобы определить, какие именно кванты поглощаются веществом и какова величина поглощения, через вещество пропускают электромагнитное излучение источника с непрерывным спектром испускания, а затем прошедший поток раскладывают в спектральном приборе по длинам волн и исследуют его спектральный состав. Подобным же образом изучают рассеянное веществом излучение.

Эмиссионная спектроскопия для изучения молекул используется реже. Для получения спектров испускания необходимо перевести достаточное число молекул в возбужденное состояние, сообщив веществу избыточную энергию извне (пламя горелки, дуговой или искровой разряд и т.д.) Но при этом многие химические связи в молекуле разрываются, и наблюдаемый эмиссионный спектр представляет собой спектр радикалов, атомов и ионов. В то же время именно это делает метод эмиссионной спектроскопии одним из плодотворных экспериментальных приемов для изучения радикалов (хорошо для цепных реакций).

Метод резонансной флуоресценции. Строго монохроматическое и интенсивное излучение лазера позволяет перевести в возбужденное состояние на определённый энергетический уровень достаточно большое число молекул, которые затем, возвращаясь на более низкие уровни, испускают спектр резонансной флуоресценции.

Спектрохимия - раздел современной науки, в котором спектральные измерения проводят с целью решения различных химических и физико-химических задач:

1. Определение молекулярных постоянных, позволяющих описать систему энергетических состояний молекулы расчет ТД-функций веществ и К_равн химических реакций в газовой фазе (статистич. ТД).

2. Определение строения молекулы или ее составных частей:

• определение в молекуле функциональных групп

• установление геометрической конфигурации молекул, их симметрии; определение внутримолек. расстояний и углов между связями

• количественная оценка упругих сил между атомами в молекуле, определение частот внутримолек. колебаний, энергии диссоциации

• установление структуры координационных соединений - определение числа и способов связывания лигандов

• доказательство наличия изомерии, идентификация геометрических изомеров

3. Исследование межмолекулярных взаимодействий

• изучение водородной и донорно-акцепторной связи, явлений гидратации и сольватации, взаимодействия между ионами в растворах

• исследование поверхностных пленок, строения адсорбционных комплексов и природы взаимодействия адсорбированного вещества с поверхностью

4. Исследование химических равновесий и кинетики химических реакций .

Исследование различных равновесий, в том числе:

• диссоциации и ассоциации

• комплексообразования

• таутомерных превращений

• фазовых и адсорбционных равновесий

Изучение кинетики различных химических превращений, в том числе кинетики адсорбции, кинетики полимеризации и т.п.

5. Аналитическое приложение

• качественный и количественный анализ молекулярного состава природных и синтетических веществ, многокомпонентных смесей

• идентификация индивидуального соединения, определение его молекулярной массы

• контроль степени очистки

Согласно квантовой теории изменение энергии молекулы при поглощении (или испускании) определяется формулой:

hν=E`-E`` (1)

где h-постоянная Планка, ν-частота в с^-1, E′-энергия молекулы в верхнем, а E′′- энергия молекулы в нижнем состоянии.

Монохроматическое излучение можно характеризовать энергией кванта hν, частотой ν, длиной волны λ или волновым числом λ^~:

hν=hc/λ=hcν^~ (2)

где с- скорость света; 1/λ=ν^~.

Если речь идет о полихроматическом излучении, указывают диапазон этих величин.

Энергию выражают в джоулях (Дж) или электронвольтах (эВ); 1 эВ = 1,602∙10^-19 Дж.

Для измерения длины волны в ближней и средней инфракрасной (ИК) областях используют мкм, в дальней ИК-области - мм и см. Частота-в "обратных секундах" (с^-1), или герцах (Гц). Волновое число ν^~ - в "обратных сантиметрах" (СМ^-1) или "обратных метрах" (м^-1). ν=cν^~.

Весь спектр электромагнитного излучения охватывает широкий диапазон частот от длинных радиоволн до жесткого γ-излучения. Молекулярная спектроскопия пользуется лишь сравнительно небольшой его частью.

Для ИК-областей:

ИК дальняя – λ=10^-1 – 5 ∙ 10^-3 см, ν^~=10-200 см^-1

ИК средняя - λ=5 ∙10^-3 – 2 ∙ 10^-4 см, ν^~=200-5000 см^-1

ИК ближняя - λ=2 ∙10^-4 – 0,76 ∙ 10^-4 см, ν^~=5000-13000 см^-1