10

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования “Гродненский государственный университет имени Янки Купалы”

Факультет строительства и транспорта

Кафедра материаловедения и ресурсосберегающих технологий

Лабораторная работа № 7

Ик спектрометрия

Поверхности , полученной псевдоожиженным нанесением при помощи спектрометра фурье.

Описание к лабораторной работе № 7

по курсу "Технология и оборудование восстановления деталей машин и приборов"

Гродно 2009 г.

Тема: “ ик спектрометрия поверхности , полученной псевдоожиженным нанесением при помощи спектрометра фурье.”

Цель работы: Изучить основные положения ИК- спектрометрии. Изучить устройство и принцип работы универсально настольного ИК-спектрометра Фурье. Сделать ИК – спектр поверхности и определить материал нанесения.

ИК - спектроскопия

Инфракрасная (ИК-) спектроскопия (ИКС) – один из методов оптической спектроскопии. С помощью ИК-спектроскопии определяют строение молекул и вещества в целом, так как в инфракрасной области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Инфракрасная область – это длинноволновая часть спектра с длинами волн от 0,75 до 300 мкм, причем часть спектра с длинами волн от 0,75 до 2,5 мкм называют ближней, от 2,5 до 15 мкм – средней и от 15 до 300 мкм – далекой областью. Этому соответствуют ИК-спектрометры, определенные оптические материалы, из которых готовят призмы, источники и приемники электромагнитного излучения.

Известны инфракрасные спектры испускания, отражения и поглощения. Однако наибольшее распространение в ИК-спектроскопии получил адсорбционные метод, т. е. метод, с помощью которого в результате взаимодействия вещества с электромагнитным излучением получают спектры поглощения. Преимущество этого метода состоит в том, что спектр поглощения можно получить располагая лишь небольшим количеством вещества в любом агрегатном состоянии, в растворе, при разных температуре и давлении, вещества, окрашенного и непрозрачного в видимом свете, люминесцирующего и т. п.

Инфракрасное излучение относится к той части электромагнитного спектра, которая находится между видимой и микроволновой областями. Наибольшее применение нашла только его ограниченная часть между 4000 и 650 см^-1 (2,5-15 мкм).

Даже очень простые молекулы могут дать чрезвычайно сложный спектр. Химик-органик пользуется этим, когда сравнивает спектр неизвестного вещества со спектром заведомо известного образца. Совпадение всех полос – превосходное доказательство идентичности. Никакие два соединения, за исключением оптических изомеров (энантиомеров), не могут дать одинаковые ИК-спектры.

Основные элементы теории ИК-спектроскопии

ИК-спектр является характеристикой всей молекулы, некоторые группы атомов поглощают при определенной частоте (или вблизи нее) независимо от структуры остальной части молекулы. Эти полосы, которые называют характеристиками, настолько постоянны, что по ним можно судить о структурных элементах молекулы. Для этого имеются обширные таблицы характеристических частот, по которым многие полосы ИК-спектра могут быть связаны с определенными структурными элементами (функциональными группами), входящими в состав молекулы.

Почти во всех академических и промышленных лабораториях имеются ИК-спектрофотометры , которые являются их основным инструментом при идентификации вновь синтезируемых веществ.

ИК-излучение с частотой менее 100 см^-1 поглощается и преобразуется органической молекулой в энергию вращения. Поглощение квантованно, и таким образом, вращательный спектр молекул состоит из дискретных линий.

ИК-излучение в интервале 10000-100 см^-1 при поглощении преобразуется молекулой в энергию колебания. Это поглощение также квантованно, но колебательный спектр состоит не из линий, а из полос, поскольку каждое изменение колебательной энергии сопровождается изменениями многочисленных дискретных состояний вращательной энергии. Частота, при которой наблюдается полоса поглощения, зависит от относительных масс атомов, силовых постоянных связей и геометрии молекулы.

Положение полос в спектрах обозначается либо через длины волн, либо через волновые числа. Раньше в качестве единицы длины в ИК-спектрометрии обычно использовался микрон ( = 10^-6м), замененный недавно на микрометр (1 мкм = 10^-6м). В настоящее время в ИК-спектроскопии основной единицей является волновое число (см^-1, обратный сантиметр), так как оно прямо пропорционально энергии. Современные спектрометры имеют линейную шкалу относительно см^-1. Длины волн и волновые числа связаны следующим соотношением:

Интенсивности полос выражаются либо через пропускание (Т), либо через оптическую плотность (А). Пропускание – это отношение лучистой энергии, пропущенной образцом, к лучистой энергии, подающей на образец. Оптическая плотность – это десятичный логарифм величины, обратной пропусканию: А = 1q (1/T).

Имеются два типа молекулярных колебаний: валентные и деформационные. Валентное колебание – это такое ритмичное движение вдоль оси связи, когда межатомное расстояние увеличивается или уменьшается. Деформационное колебание может заключаться в изменении угла, образованного связями около общего атома, или в движении группы атомов по отношению друг к другу к остальной части молекулы без смещения атомов по отношению друг к другу внутри этой группы.

Симметричное Асимметричное Деформационное

валентное (V_SOH), валентное (V_OSOH), (_SHOH),

3652 см^-1 3756 см^-1 1596 см^-1

Рис. 1 Формы колебания группы Н₂О.

В ИК-спектре наблюдаются только такие колебания, которые приводят к периодическому изменению дипольного момента молекулы. Переменное электрическое поле, возникающее при изменении распределения зарядов при колебаниях, связано с электромагнитным изучением.

Симметричное валентное колебание неактивно в ИК-спектре, так как оно не связано с изменением дипольного момента молекулы.

Используя закон Гука, можно сделать приблизительно отнесение валентных частот. Два атома и связь между ними рассматриваются как гармонический осциллятор, состоящий из двух масс, соединенных пружинкой. Уравнение (1), выведенное из закона Гука, связывает частоту колебания с массой атомов и силовой постоянной связи:

(1)

где  - частота колебаний (см^-1)

, с – скорость света (с≈ 3∙10¹⁰см/с), F – силовая постоянная связи (дин/см), Мх и Му – соответственно массы атомов х и у (г).

Для одинарной связи значение F около 510⁵ дин/см. Для двойной связи оно приблизительно в два раза больше и для тройной связи – в три раза.

Для приближенного вычисления частоты колебаний связи, растягивающейся по закону Гука, следует учитывать относительные вклады силовой постоянной связи и атомных масс.

При интерпретации ИК-спектров нет жестких правил.

Точный расчет колебаний сложной молекулы невозможен, поэтому ИК-спектр должен интерпретировать на основе эмпирического сравнения спектров и эксплуатации исследований более простых молекул. На многие вопросы, возникающие при интерпретации ИК-спектров, можно ответить при изучении данных, получаемых из масс - , УФ- и ЯМР – спектров.

Многочисленные ИК-спектры органических молекул обобщены в таблицы характеристических групповых частот. Многие частоты изменяются в довольно широких интервалах, что вызвано сложными взаимодействиями колебаний внутри молекулы. Важные детали структуры молекулы можно обнаружить по точному положению полосы поглощения внутри этой ограниченной области. Смещение положения полосы и изменение могут давать важные детали структуры.

Структурный спектроанализ

Так как прибор Tensor -27 охватывает своим рабочим диапазоном волновые числа большинства линий колебательных спектров молекул, он позволяет исследовать характерные колебательные спектры очень многих соединений как галогенированных углеводородных, а также фосфорных, сернистых и ароматических органических, некоторые важные линии которые лежат в области довольно малых волновых чисел.

По этим спектрам могут быть определены такие параметры молекулы, как междуатомные расстояния, валентные углы силы связи и др. Относящиеся к определенным атомным группам и структурным элементам молекул линии поглощения лежат в характерных узких диапазонах волновых чисел: спектры всех молекул с группами =СН₂ и –СН₃, например, содержат линии в диапазоне волновых чисел 3300…2800 см^-1, с группами –ОН- в диапазоне волновых чисел 3700…3300 см^-1, а со связями С-Br – в диапазоне волновых чисел 650-55 см^-1, причем точные волновые числа таких линий, в пределах соответствующих характерных диапазонов зависят от свойств радикалов молекул.

Характерные для всяческих связей и групп атомов спектральные линии составлены в обширных таблицах, которые являются незаменимыми средствами для раскрытия неизвестных структур химических соединений по их ИК-спектрам. В случае совпадения некоторых линий спектров двух веществ по волновым числам, помимо последних для надежного различения их структур важно знать и соответствующие коэффициенты пропускания.

Структурный спектроанализ начинают обычно с определения относящихся к найденным линиям поглощения связей и групп атомов на основании как упомянутых таблиц, так и полученных от схожих веществ известной структуры спектров сравнения. Окончательно выяснить неизвестную структуру можно по результатам последующего подробного колебательного спектроанализа – трудоемкого и иногда – в случае сложных структур – даже не полностью осуществимого процесса. Необходимой предпосылкой всякого структурного спектроанализа является наличие совершенно однородной и крайне чистой пробы исследуемого вещества.

Качественный спектроанализ

Идентификация веществ.

Даваемый любым веществом ИК-спектр характеризует его настолько однозначно, что он был даже назван «отпечатком его пальцев». Сколько угодно схожие по всем остальным свойствам вещества можно надежно различать именно на основании их спектров. Таким образом. Для идентификации неизвестного вещества достаточно сравнить полученный от него спектр пропускания со спектром схожих с ним чистых известных веществ. Имея в своем распоряжении богатую коллекцию или специальный каталог таких спектров сравнения, можно легко и надежно идентифицировать любое вещество.

Назначение , принцип работы и устройство спектрометра Фурье ТENSOR 27

TENSOR 27 – это современный универсальный настольный Фурье-ИК спектрометр, предназначенный как для рутинной лабораторной работы, так и для применений в специализированной аналитической лаборатории. Этот прибор обеспечивает регистрацию данных в средней ИК области, в зависимости от установленной комбинации источник/детектор.

В стандартной конфигурации этот прибор оборудован высоко эмиссионным ИК источником, охлаждаемым воздухом и детектором DLATGS (Дейтерированный L--Аланин легированный триглицинсульфатом) с низким уровнем шума для широкого спектрального диапазона и высочайшей спектральной чувствительности. Камера образца снабжена платой QuickLock, которая благодаря функциональным возможностям технологии QuickLock обеспечивает быструю и воспроизводимую смену и автоматическое распознавание приставок. Камера образца отделена окнами от отсека интерферометра и отсека детектора.

Электроника прибора основана на скоростном 24-битном блоке выборки данных, который гарантирует экспериментальные результаты высочайшей точности. Для управления прибором и обработки данных может использоваться любая модемная система обработки данных (рабочая станция на базе ПК, портативный компьютер и т.п.) с операционной системой Microsoft Windows 2000 и спектроскопическим пакетом программ OPUS. TENSOR подключается к системе обработки данных посредством стандартного соединения 10Base-T Ethernet, которая также обеспечивает интеграцию этого спектрометра в существующую сеть.

TENSOR – полностью управляемый компьютером прибор. Все его компоненты могут работать под управлением программного пакета OPUS. Диагностические процедуры помогают поддерживать оптимальный статус и максимальные характеристики прибора. Градуировочные возможности TENSOR (IVU – internal validation unit) являются стандартными. Поставляемое с прибором программное обеспечение позволяет автоматически вводить градуировочные фильтры для проверки эксплуатационных показателей и поверки спектрометра.

TENSOR имеет пять отсеков:

Рисунок 7: Вид прибора TENSOR спереди, показывающий разные отсеки

	Название
А	Отсек источник/электроника
В	Отсек интерферометра
С	Порт внешнего пучка
D	Кюветный отсек
Е	Отсек детектора
F	Отсек блока питания

ОПТИЧЕСКИЙ ПУТЬ В ПРИБОРЕ

В зависимости от положения переключающего зеркала (Е), луч направляется либо в кюветный отсек (G), либо в выходной порт (D).

Рисунок 5: Оптический путь при рутинном анализе

	Компоненты		Компоненты
A	ИК источник	F	Переключающее зеркало
B	Апертурный диск	G	Окно кюветного отсека
С	Диск с фильтрами (IVU)	G'	Дополнительное окно
D	Выходной порт	H	Держатель образца
E	Светоделитель	I	Детектор

Подготовка образца

Необходимая подготовка образца зависит от состава, физического состояния и оптических свойств образца в волновом диапазоне спектра. Для некоторых образцов, чтобы получить приемлемый спектр, может оказаться необходимым применение метода "проб и ошибок".

Независимо от физического состояния образца, вещество в нем должно быть однородным. Изменения концентрации или состава в объеме образца, попадающем в пучок спектрометра, может привести к ошибкам или к неправильным выводам.