Cơ sở lý thuyết phổ hông ngoại

Ngày nay các phương pháp vật lý, đặc biệt là các phương pháp phổ được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóa học cũng như các quá trình phản ứng hóa học. Những phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc xác định các hợp chất hữu cơ. Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của các bức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất. Khi tương tác với các bức xạ điện từ, các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát xạ năng lượng khác nhau. Kết quả của sự hấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác định ngược lại cấu trúc phân tử. một trong những phương pháp phân tích phổ đó là phương pháp phân tích phổ hồng ngoại

Môn phương pháp phân tích

M  Đ u ở ầ

Ngày nay các phương pháp vật lý, đặc biệt là các phương pháp phổ được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các hợp chất hóa học cũng như các quá trình phản ứng hóa học Những phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa đối với việc xác định các hợp chất hữu cơ Cơ sở của phương pháp phổ là quá trình tương tác của các bức xạ điện từ đối với các phân tử vật chất Khi tương tác với các bức xạ điện

từ, các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ hấp thụ và phát

xạ năng lượng khác nhau Kết quả của sự hấp thụ và phát xạ năng lượng này chính là phổ, từ phổ chúng ta có thể xác định ngược lại cấu trúc phân tử một trong những phương pháp phân tích phổ đó là phương pháp phân tích phổ hồng ngoại

Nội dung chính

 I Điều kiện xảy ra.

 II Luận điểm cơ bản.

 III Ứng dụng.

 IV Kết luận.

I.Điều kiện xảy ra

Vd:

Tần số dao dộng tự nhiên của HCl 8,7.1013s-1Thực nghiệm cho thấy khi cho bức xạ hồng ngoại chiếu qua mẫu HCl người ta nhận thấy rằng bức xạ có tần số 8×1013s-1 bị hấp thụ trong khi các tần số khác được truyền qua

Điều kiện này chỉ áp dụng cho các phân tử thực hiện chuyển dao động điều hòa

1.1 Độ dài chính xác của bức xa

Khi hấp thụ bức xa hồng ngoại tần số dao động tự nhiên của 1 phân tử cùng với tần số bức xạ tới

1.2 Lưỡng cực điện

Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi có sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng

Một phân tử lưỡng cực khi nó có điện tích (+) và điện tích (-) rõ rệt

II Luận điểm

Các phân tử khi bị chiếu bởi bức xạ điện từ có bước sóng ở vùng hồng ngoại xa từ 200-10cm-1 sẽ quay quanh trục cân bằng

Phương trình năng lượng quay

2.1 Dao động quay của phân tử và quang phổ quay

ta có F(J)=BJ(J+1) Hằng số B đặc trưng cho môi phân tử

Để thu được phổ quay của phân tử người ta dùng bức xạ hồng ngoại xa hoặc bức xạ vi sóng phổ quay của phân tử ngoài việc nhận dạng các chất còn xác định được khoảng cách giữa các nguyên tử ,góc liên kết

2.2 Dao động điều hòa

Là dao động của quả lắc nghĩa là vật thể chuyển động quanh vị trí cân bằng của nó vê cả 2 phía với biên độ không đổi.

Lực đàn hồi F = - k.x

K hằng số lực phụ thuộc độ bền liên kết các nguyên tử

X độ lệch phụ thuộc thời gian

Tần số được biểu diễn V=

M là khối lượng rút gọn

 

Năng lượng dao động biểu diễn Ed=h.v.(n+)

N là sô lượng tử dao động có giá trị 0,1,2,3,4…

 

2.3 Dao động không điều hòa

Trong thực tế dao động các nguyên tử trong phân tử không phải dao động điều hòa và biên

độ dao đông thay đổi Khi tăng khoảng cách giữa các nguyên tử đến một giới hạn nào đó chúng

sẽ bị phân ly hoặc khi ép 2 nguyên tử lại gần nhau sẽ xuất hiện một lực đẩy và lực đẩy này sẽ tăng lên khi các nguyên tử các gần nhau

Càng lên cao các vạch năng lượng càng gần lại nhau.Khi bị kích thíc bởi năng lượng nào đó phân

tử đang ở trạng thái cơ bản sẽ nhảy sang mức năng lượng cao hơn

Ví dụ: Mức năng lượng của phân tử dao động

M c dao đ ng ứ ộ V cm­1

0 0­1 1­2 2­3 3­4 4­5

0 288,5 566,8 8347,5 10293,6 13396,5

Ví dụ: Dải vạch phổ phân tử HCl

2.4 Dao động quay

Khi bị kích thíc bởi ánh sáng phân tử có thể xảy ra quá trình quay và dao động đồng thời.kết quả mỗi vạch phổ dao động là tập hợp nhiều vạch nhỏ có tần số bằng tổng của tần số dao động và tần số quay

V=Vdd +Vqy

Năng lượng ứng với trạng thái này là tổng

năng lượng quay

Eqvà năng lượng dao động Ed

Eqd =Eq +Ed

2.5 Dao động riêng của phân tử

Các phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên ngoài dao động kéo dãn và nén dọc còn có dao động làm thay đổi góc liên kết thường dễ dàng hơn thay đổi độ dài lien kết nên năng lượng của nó thường nhỏ Ta phân chia những dao động phức tạp này thành dao động đơn giản hơn gọi là dao động cơ bản hay dao động chuẩn,chúng có N nguyên tử sẽ có 3N-6 dao động chuẩn ,các dao động không suy biến và có tần

số khác nhau

Điều kiện phải cung cấp 1 năng lượng tương

ứng các năng lương có cùng mức năng lượng

gọi là dao động thoái biến

Số dao động sẽ là 3N-5 với phân tử thẳng và

3N-6 với phân tử không thẳng

2.5.1 Dao động hóa trị

Là dao động làm thay đổi chiều dài liên

kết của các nguyên tử phân tử nhưng

không làm thay đổi góc liên kết

2.5.2 Dao động biến dạng

Là những dao động làm thay đổi góc liên kết nhưng không làm thay đổi chiêu dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử

2.5.3 Dao động đối xứng và bất đối xứng

Xét phân tử nước có 3 nguyên tử của 2 nguyên tố Dao động hóa trị đối xứng của liên kết OH là kéo và nén đồng thời.còn dao động bất đối xứng của liên kết

OH là 1 bên OH dãn ra 1 bên OH nén lại dao động biến dạng của OH là góc hóa trị bị thay đổi lúc to lúc nhỏ

Như vây H2O phân tử không thẳng có 3 dao động đó

là 2 dao động hóa trị đối xứng và bất đối xúng 1 dao động biến dạng

Trên phổ hồng ngoại có 2 vạch hấp thụ gần nhau ở

3756 cm-1 va 3652cm -1 ứng với dao động hóa trị đối xứng và bất đối xứng,1 vạch hấp thụ 1596 cm-1 ứng với dao động biến dạng của liên kết OH

2.6 Dao động nhóm và tần số đặc trưng

Cho 1 vài dao động của các lien kết riêng rẽ hoặc của các nhóm chức độc lập với các dao động khác trong toàn bộ phân tử ,dao động này xuất hiện ở khoảng tần số rất hẹp và đặc trưng trong phổ của tất cả các chất chứa nhóm chức này

Những nhóm nguyên tử giống nhau trong các phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ có những giao động định vị thể hiện nhưng khoảng tần

số giống nhau gọi là tần số đặc trưng

Ví dụ: Các nhóm C-H , O-H, N-H….Trong các nhóm nguyên

tủ này của phân tử hằng số lực liên kết hoặc khối lượng khác biệt nhau so với phần khác của phân tử

Tần số dao động đặ trung của các nhóm chức phụ thuộc vào hằng số lực liên kêt ,khối lượng nguyên tử và trạng thái phân tử

IV: Kết luận

 Sau khi nghiên cứu cơ sở của phương pháp phổ hông ngoại ta thấy rõ bản chất của phương pháp là ghi lại các tân số sóng hấp thụ thông qua các loại dao động Từ đó

có thể đọc ,đánh giá cung cấp thông tin về cấu trúc phân

tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là các hợp chất hóa học có khả năng hấp phụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại ,sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại các phân tử các hơp chất hóa học giao động với nhiều vận tốc giao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức

xạ hồng ngoại

Cám ơn mọi người chú ý theo dõi