Đồ án Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật hồng ngoại (IR), hồng ngoại biến đổi fourier (FT IR) trong phân tích dầu mỏ

Quang phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật quang phổ phổ biến nhấtđược sử dụng bởi các nhà hóa học hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là trong các phòng thínghiệm phân tích dầu mỏ của các n

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

LỜI NÓI ĐẦU

Năm 1800, một nhà thiên văn học người Anh, khi dùng nhiệt kế thủy ngân để đonhiệt độ các loại màu trong quang phổ Mặt trời, vô tình mà phát hiện khi đặt nhiệt kếngoài vùng đỏ của quang phổ, số đọc trên nhiệt kế cao hơn nhiều so với vùng quang phổnhìn thấy Do đó, ông suy diễn có vùng hồng ngoại ở bên ngoài quang phổ Mặt trời,đương nhiên mắt thường không nhìn thấy những tia này Suy diễn này về sau đã đượcminh chứng Bức xạ ở ngoài tia đỏ này được gọi là “bức xạ hồng ngoại” Sau khi conngười phát hiện tia hồng ngoại, và cũng từ đó kỹ thuật hồng ngoại ra đời, kỹ thuật hồngngoại là môn khoa học kỹ thuật nghiên cứu sự ra đời, truyền sóng, biến đổi, đo đạc vànhững ứng dụng của tia hồng ngoại

Bức xạ hồng ngoại còn được gọi là tia hồng ngoại hoặc hồng ngoại tuyến, nó làsóng điện từ có bước sóng trong phạm vi 0,75 ~ 1,0 mm Nhiệt năng và bức xạ hồngngoại có thể chuyển hoá lẫn cho nhau, phàm những vật thể có nhiệt độ cao hơn độ khôngtuyệt độ (-273,160C) đều có thể sinh ra bức xạ hồng ngoại, ngược lại, hiệu ứng bức xạhồng ngoại làm vật thể nóng lên thể hiện rất rõ

Quang phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật quang phổ phổ biến nhấtđược sử dụng bởi các nhà hóa học hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là trong các phòng thínghiệm phân tích dầu mỏ của các nhà máy khai thác và chế biến các sản phẩm từ dầu

mỏ Về cơ bản, đây là phép đo sự hấp thụ của các tần số hồng ngoại khác nhau bằng mẫuthử được đặt trên đường đi của một tia hồng ngoại Mục tiêu chính của việc phân tíchquang phổ hồng ngoại là để xác định các nhóm chức hóa học trong mẫu thử Các nhómchức khác nhau hấp thụ các tần số đặc trưng của bức xạ hồng ngoại Với nhiều công cụlấy mẫu, quang phổ kế hồng ngoại có thể sử dụng nhiều loại mẫu khác nhau như khí ga,chất lỏng và chất rắn Do đó, quang phổ hồng ngoại là công cụ quan trọng và phổ biến đểgiải thích cấu trúc và nhận biết hợp chất

Chính vì những ứng dụng có vai trò to lớn của kỹ thuật hồng ngoại trong lĩnh vựcdầu khí, với nhiều nội dung sát thực và hữu ích cho công việc học tập và làm việc của

một kỹ sư ngành hóa Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật hồng ngoại (IR), hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trong phân tích dầu mỏ” cho đồ án chuyên ngành hóa dầu

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU NHÓM III

Vì thời gian tìm hiểu và tiếp cận các tài liệu có phần hạn chế nên không thể tránhkhỏi những thiếu sót Kính mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của giảng viênThS Khưu Châu Quang, người trực tiếp hướng dẫn đề tài cùng các bạn đọc để đồ án củanhóm được hoàn thiện hơn.

Xin chân thành cảm ơn!

Nghệ An, ngày 17 tháng 05 năm 2013

NHÓM THỰC HIỆN ĐỒ ÁN NHÓM III

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI(IR), HỒNG

NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER(FT-IR)

I GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI(IR).

Phương pháp phổ hồng ngoại IR là một trong những phương pháp vật lý rất hữu hiệu đểnghiên cứu cấu tạo của các phân tử hữu cơ Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượngphân tử của vật chất quay xung quanh trục của nó dưới tác động của sóng điện từ khiđược chiếu bởi ánh sáng có bước sóng từ 50 m -1mm (200-10 cm-1) và sự dao độngcủa các nguyên tử và các liên kết khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng ngắnhơn từ 0.8-50 m

Việc ứng dụng phương pháp phổ hồng ngoại ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vựcnghiên cứu khác nhau đã khẳng định vị trí quan trọng của phương pháp trong nghiêncứu khoa học cũng như trong phân tích các hợp chất hóa học đặc biệt là các hợp chấthữu cơ Vì vậy việc tiếp thu được sơ sở lý thuyết của phương pháp và kỹ thuật thao tácvận hành máy móc thiết bị đo phổ hồng ngoại là rất quan trọng và cần thiết

Bức xạ hồng ngoại là 1 loại sóng bức xạ điện từ bao gồm các bước sóng từ 0.8 µ đến1mm, như đã được trình bày ở phần sơ đồ 1.1, bước sóng của bức xạ gần, bức xạ trungbình và bức xạ có cự li (miền) theo thứ tự là từ 8 µ tới 2.5µm, 2.5 tới 25 µm, từ 25 tới1mm Cũng như các hỗn hợp hữu cơ có dải giao động ở miền bức xạ trung bình, vì vậy

nó thông thường được sử dụng để xác định thành phần hóa học và nhóm chức năng củachúng

Tung độ của quang phổ hồng ngoại có thể được diễn tả trong sự truyền (phản xạ)hoặc cơ chế hấp thụ Độ truyền được đo bằng

Khi chiều dài của đường quang học được tổ chức chắc chắn, cường độ của một dải bướcsóng hấp thụ trong quang phổ hồng ngoại thì tỷ lệ thuận với nồng độ ( hoặc số lượngthành phần hoặc dung tích)của một mẫu Do đó,các quang phổ hồng ngoại cũng có thểđược sử dụng cho các phân tích định lượng (When the length of optical path is held

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU NHÓM III

Thay thế cho bước sóng, đường ngang thường được sử dụng để miêu tả trongwavenumber (có thể là sóng số) cái mà vẫn được sử dụng trong bước sóng thuận nghịchđơn vị là cm-1

Mối quan hệ được mô tả trong công thức(1 4)

Theo đó, trong ví dụ 5, 5 µm cuả bước sóng tương đương với 2000 cm-1 củawavenumber Đơn vị cm-1 được gọi là wavenumber

Mục đích chính của bức xạ hồng ngoại là để xác định các nhóm chức năng vànhận dạng vật chất Vì mỗi đỉnh của bức xạ hồng ngoại là độc nhất cho 1 nhóm chứcnăng như số liệu 1.3, cấu trúc phân tử của 1 vật chất có thể xác định định 1 cách cục bộbằng thông qua phân tích hồng ngoại quang phổ Bảng Colthap chỉ ra mối quan hệ giữađỉnh wavenumber và nhóm chức năng đã được sử dụng r rộng rãi để phân tích hồngngoại quang phổ Mặc dù có một số phần mềm chuyên môn trên thị trường đướcửdungjcho việc phân tích hồng ngoại quang phổ nhung quyết định cuối cùng của nhómchức năng là vẫn tin cậy rất nhiều vào nghành hóa học

Vì mỗi loại vật chất mang 1 đặc tính riêng giống như dấu vân tay của con người,nên vật chất có thể dễ dạng được nhận dạng bằng việc so sánh quang phổ hồng ngoại đođược với thư viện như đã chỉ ra trong số liệu 1.4 Thư viện Sadtler bao gồm 150000hồng ngoại quang phổ nổi tiếng nhất và thường xuyên được sử dụng để xác định 1 vậtchất chưa biết

II NGUYÊN TẮC VÀ CẤU TRÚC CỦA HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER 2.1 Quá trình hình thành quang phổ kế.

Quang phổ kế có thể được chia thành 2 loại, độ quang phổ hồng ngoại phân tán(IR) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), sự khác nhau trong việc xâydựng công cụ giữa IR và FTIR được chứng minh trong sơ đồ 2.1

Đối với một phân tán IR quang phổ kế, một loại lưới monochrometer được sửdụng để phát tán bức xạ của nguồn đa sắc vào các yếu tố quang phổ khác nhau, sau đóđược đo bằng máy đo Thay thế bằng việc sử dụng monochrometer như phân tán IR, 1FTIR quang phổ kế sử dụng 1 giao thoa kế để tạo ra interferogram (cái ghi giao thoa)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

Như đã chỉ ra ở sơ đồ 2.2, 1 phổ năng lượng, cái mà được mô tả trong giới hạn trườngnăng lượng thì được thu được thông qua sự biến đổi Fourier (FT) của 1 interferogram

2.2 Giao thoa kế của FTIR

2.3 Mối quan hệ giữa sự biến đổi Fourier và quang phổ

2.4 Lợi ích (lợi thế) của FTIR

2.4.1 lợi ích hỗn hợp

2.4.2 lợi ích mở

2.4.3 lợi ích tham khảo Laser

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU NHÓM III

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU THIẾT BỊ QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI(IR), HỒNG NGOẠI

BIẾN ĐỔI FOURIER(FT-IR)

I Máy quang phổ hồng ngoại và các điều kiện ghi phổ.

1 Máy quang phổ hồng ngoại hai chùm tia.

Máy đo phổ hồng ngoại phổ biến nhất hiện nay là loại máy gồm các bộ phậnchính sau:

Nguồn bức xạ 1 phát ra chùm tia hồng ngoại với mọi tần số trong vùng

cần khảo sát Chùm tia này được chia làm hai phần, một phần đi qua mẫu (2), phần khác đi qua môi trường đo 2‟ (dung môi) Bộ tạo đơn sắc 3 sẽ tách từng tần số để đưa qua bộ phận phân tích (detectơ) 4 Detectơ sẽ so sánh cường độ hai chùm tia để cho ra những tín hiệu có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu Máy tự ghi 6 sẽ nhận tín hiệu điện do detectơ cung cấp dưới dạng những đường cong phụ thuộc vào % bức xạ truyền qua vào số sóng cm-

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

vật liệu như LiF, CaF2, NaCl, KBr ,

Các cách tử này chỉ cho ánh sáng với khoảng buớc sóng nhất định đi

qua

Cấu tạo của đèn Nernst gồm một ống thủy tinh có đường kính khoảng

1-2mm, dài khoảng 20-50 mm Trong ống đựng oxit ZrO2 và Y2O3 có các sợi platingắn vào hai đầu ống để nối với mạch điện Nhiệt độ đốt nóng khoảng 1200-2200 oKĐèn Globar

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU NHÓM III

Đèn này cũng phát bức xạ hồng ngoại liên tục và cũng thuộc loại đèn đốt nóngvật đen Cấu tạo của đèn là một thanh silicacbua dài 40-60 mm và có đường kínhkhoảng 4-6 mm, nhiệt độ đốt nóng khoảng 1300-1500 oK.

1.2 Nhận tín hiệu

Các bức xạ hồng ngoại có cường độ và năng lượng thấp nên thường được sửdụng detectơ nhiệt dựa trên hiệu ứng nhiệt để phát hiện tất cả các vùng sóng hồngngoại

Detectơ hỏa điện thường được dùng trong thiết bị phổ hồng ngoạ1.đó là mộtthanh mỏng chất hỏa điện nằm giữa hai điện cực tạo ra một tụ điện

Các chất hỏa điện thường dùng là triglixin sunfat (TGS) được biến tính vớidơteri (DTGS)

Tia sáng sau khi đi qua mẫu đo sẽ bị hấp thụ một phần còn lại được đưa qua bộphận nhận tín hiệu biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện với dòng rất nhỏ Cường

độ dòng điện phụ thuộc vào ánh sáng bị hấp thụ nhiều hay ít

Thông thường dòng điện này rất nhỏ nên phải có bộ phận khuếch đại để dòngđiện mạnh lên và sau đó đưa vào máy tính để vẽ phổ đồ và xử lý số liệu

Ví dụ : một số vật liệu lăng kính các bước sóng

Hiện nay các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu

biến đổi Furie‟ FTIR (Fourier Transformation Infared Spectrophotometer)

Trong máy đo FTIR người ta không dùng bộ tạo đơn sắc mà dùng bộ tạo giaothoa gồm một gương cố định và một gương di động và bộ phân chia chùm tiasáng

II Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier gồm các bộ phận chính Sau:

i Nguồn sáng (1)

ii Giao thoa kế (2)iii Detectơ (6)

iv Máy tính (7)

Hình 1.11: Sơ đồ phổ kế biến đổi Fourier FT-IR

1 Nguồn sáng; 2 Gương cố định; 3 Gương di động

4 Chia chùm sóng; 5 mẫu đo; 6 Detectơ; 7 Máy tính

Bảng 1.7: Vật liệu chế tạo bộ phận tách quang

Vật liệu Vùng bức xạ hồng

ngoại cm-1

Ghi chú

Si thạch anhSi/CaF2Si/CaF2Ge/CsI, NaCl, KBr

Mylar 3,5Mylar 6,5Mylar 12,5

20.000-300010.000-20005000-3005000-400700-100500-100250-50

Bảng 1.8: Một số chất bán dẫn làm detectơ

và vùng phổ hồng ngoại tương ứngVật liệu detectơ Vùng phổ IR cm-1Diod Si

PbS (N2)DTGS (detetơ triglycin sunfat)

CsLMCT (N2)

20000-800010000-40005000-4005000-2005000-500Máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier thuận tiện hơn máy phổ hồng ngoại

thường Việc dùng giao thoa kế cho phép làm khe sáng rộng hơn do đó lượng ánh sángthu được trên giao thoa kế sẽ lớn hơn nhiều so với bộ tạo đơn sắc Ngoài ra nó còngiảm được nhiễu, tăng tín hiệu và tự động hóa ở mức độ cao

Trong quá trình làm việc thang tần số của máy có thể bị xê dịch vì vậy phảiđiều chỉnh lại theo chất chuẩn như amoniac, hơi nước hoặc polistiren

Mẫu phân tích có thể ở dạng khí, lỏng, rắn Mỗi loại mẫu đều có cuvet riêng vàchuẩn bị theo phương pháp thích hợp

3.1 Mẫu dạng

khí

Có loại cuvet riêng với độ dài 10cm trong đó có đặt gương phản chiếu để tăngchiều dài đường đi của ánh sáng và tăng độ hấp thụ ánh sáng của phân tử khí Hai đầucuvet được bịt bằng tấm NaCl

3.2 Mẫu dạng lỏng

Nếu là chất lỏng tinh khiết thì dùng hai tấm NaCl và nhỏ một giọt chất lỏngvào giữa hai tấm NaCl tạo thành lớp màng chất lỏng ép giữa tai tấm đó.hoặc cũng cóthể đo bằng cuvet riêng khi chất tan trong dung mô1

Dung môi pha loãng mẫu thường sử dụng là CCl4 hoặc CHCl3

Cần phải chú ý là mẫu và dung môi phải tuyệt đối khan nếu không sẽ làm hỏngcác tấm của sổ bằng tinh thể KBr hay NaCl

Dung dịch mẫu đuợc chuẩn bị như sau

Hòa tan chất nghiên cứu vào dung môi thích hợp với nồng độ 1-5 %, sau

đó cho vào cuvét thứ nhất Độ dầy của cuvét là 0,1 mm Cho dung môi vào

cuvét thứ hai giống hệt cuvét thứ nhất về độ dầy và vật liệu chế tạo Nhờ so sánh haichùm tia đi qua dung dịch và dung môi người ta có thể loại vạch hấp thụ của dung môi.Nồng độ chất ghi phổ IR của mẫu lỏng trong khoảng từ 10-2 đến 1 mol /l.

Để ghi phổ cho những mẫu có tinh kiềm, axit, hoặc dung dịch nước thì phải dùng cáccuvet không tan trong nước như fluorit, silic, germany là những vật liệu không hấp thụtrong vùng ánh sáng hồng ngoại.Độ dầy của cuvét cũng có ảnh hưởng lớn khả nănghấp thụ ánh sáng của dung môi

Ví dụ : CCl4 ở cuvét có độ dầy =0,1 mm được coi là trong suốt ở vùng

4000-820 và 720-650 cm-1 nhưng cuvét có độ dầy 1mm nó hấp thụ đáng kể ở 1600-15501270-1200, 1020-960 cm-1

Lượng mẫu cần thiết để ép màng khoảng 2-5 mg

Cần chú ý là KBr có tính hút ẩm rất mạnh nên trong phổ thường xuất hiện vạchphổ hấp thụ của nước ở 3450 cm-1 Ngoài ra dùng KBr còn có thể xẩy ra phản ứng traođổi cation hoặc anion với các chất nghiên cứu là muối vô cơ hoặc các phức vô cơ

CHƯƠNG III ỨNG DỤNG CỦA QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG PHÂN TÍCH

HỢP CHẤT HỮU CƠ, HÓA DẦU

Quang phổ hồng ngoại dùng để xác định các nhóm chức, để định danh các hợpchất hữu cơ và để nghiên cứu cấu trúc của chúng

Để xác định các nhóm chức cần phải sử dụng một loạt các vạch hấp thụ đặc trưngcủa nhóm này

Ví dụ để định danh các hydrocacbon thơm có thể dựa vào các vạch phổ đặctrưng trong vùng 3000 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C- Harom., 1600-

1500 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=C arom và 900-700 cm-1 đặctrưng cho dao động biến dạng của liên kết C-H

Sự thay đổi tần số hấp thụ liên quan đến trạng thái tồn tại của các phân tử hợpchất Ở trạng thái lỏng và khí một số hợp chất hữu cơ có thể có nhiều

cấu trúc đồng phân Ở trạng thái rắn thì thông thường chỉ tồn tại một đồng

phân

Ví dụ: phổ hồng ngoại của của cloaxeton có hai vạch phổ của hai đồng phân ởvùng dao động của liên kết C-Cl ở 673 và 728 cm-1 trong khi đó ở trạng thái rắnchỉ có một vạch phổ hấp thụ ở 761 cm-1

I Các tần số đặc trưng của hợp chất hữu cơ hydrocacbon

1 Hydrocácbon bão hòa (Parafin)

Quang phổ hồng ngoại của các hydrocacbon bão hòa đặc trưng bởi sự xuất hiệncác vùng hấp thụ đặc trưng của các liên kết trong các nhóm chức metyl -CH3, metylen-CH2-, metyliden -CH –

Các nhóm chức này có tần số dao động ở ba vùng hấp thụ là 3000-2800,

1400-1300 và 700 cm-1

Phổ hấp phụ ở vùng 3000-2800 cm-1 đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kếtC-H trong các nhóm chức -CH3 và -CH2- Trong vùng này những đỉnh ở 2962 và 2872

cm-1 là dao động đối xứng và bất đối xứng của liên kết C-H

Ví dụ sau thể hiện những vạch phổ đặc trưng của các nhóm kể trên

Dao động hóa trị đối xứng của CH3 ở 2872 10cm-1

Dao động hóa trị bất đối xứng của CH3 mạch thẳng hấp thụ ở

2962 10cm-1 còn của nhóm CH3 mạch nhánh ở 2930 cm-1

Ở các hợp chất thơm nhóm CH3 hấp thụ ở 295 và 185 cm-1

Dao động biến dạng bất đối xứng ở nhóm CH3 ơ gần 1465 cm-1

Và dao động biến dạng đối xứng ở 1375 cm-1

Khi nhóm CH3 gần với các dị nguyên tố O, P, N, S thì tần số dao động hóa trị

và biến dạng có thay đổi chút ít

Dao động quả lắc của nhóm CH3 hấp phụ mạnh ở 1150-1120 cm-1 và

1 Dao động hóa trị bất đối xứng (a)

2 Dao động hóa trị đối xứng.(b)

3 Dao động biến dạng hình kéo (c)

4 Dao động biến dạng quạt (d)

5 Dao động biến dạng xoắn.(e)

6 Dao động biến dạng đu đưa (f)

Hình 1.13: Các kiểu dao động của nhóm CH2Đối với hydrocacbon mạch thẳng dao động hóa trị bất đối xứng của nhóm

–CH2 nằm ở vùng 2390 cm-1 còn dao động hóa trị đối xứng ở 2850 cm-1

Các dao động biến dạng của nhóm CH2 cũng có dao động biến dạng đối xứng ở

1380 cm-1 và bất đối xứng ở 1460 cm-1

Trong hydrocacbon mạch thẳng nếu số cácbon n >5 phổ IR của nhóm

CH3 xuất hiện như một vài phổ đặc trưng cho dao động biến dạng của nhóm

Dao động hóa trị đối xứng ở 3030-2840 cm-1

Dao động biến dạng của nhóm CH2 vòng ở 1470-1450 cm-1

Nói chung khi độ dài của cạnh càng lớn thì cường độ của các vạch hấp thụ càngtăng, sự phụ thuộc này có thể biểu diễn qua đồ thị sau

Hình 1.14 Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ vào số nhóm CH2

5 Nhóm metyliden –CH–

Nhóm C-H bão hòa có dao động hóa trị ở 2900 cm-1, còn dao động biến dạng của

nó ở 1350-1315 cm-1, khi nhóm C-H gắn trực tiếp với với các dị nguyên tố thì tần

số dao động có thể bị thay đổ1

Ví dụ : CHCO có dao động biến dạng ở 1420-1370 cm-1

Nhóm CH không no và thơm có thể phân biệt với nhóm CH no ở tần số hấp thụthường >3000 cm-1, còn no < 3000 cm-1 Tuy nhiên do cường độ của vạch không nonhỏ hơn nên chúng thường bị che phủ bởi vạch phổ của CH no hoặc các vạch củanhóm NH và OH có cường độ lớn hơn rất nhiều

6 Hydrocacbon khong no (olephin)

Các olephin là những hợp chất hữu cơ chứa trong mạch của nó các liên kết đô1.Đại diện đầu tiên của dãy đồng đẳng này là etylen được coi là olephin chưa thế Cácđồng đẳng cao của nó là các olephin thế gốc hydrocacbon bao gồm các dạng thế sau :

i. Thế mono

ii. Thế cis-diiii. Thế trans-di

iv. Thế gemi-di

v. Thế tri

vi. Thế tetraĐối với hợp chất mà phân tử olephin đối xứng tâm thì dao động hóa trị C=Ckhông xuất hiện vì dao động này không làm thay đổi momen lưỡng cực Còn trong cáchợp chất không đối xứng thì cường độ hấp thụ của liên kết này tăng khi liên kết đôidịch chuyển về phía đầu mạch

Vị trí đỉnh hấp thụ của dao động hóa trị liên kết C=C trong ở 1680-1640 cm-1 và

nó phụ thuộc vào cấu trúc hình học và mức độ thế của liên kết

Bảng 1.9: Dao động của C=C olephin

RCH=CH2(thế mono)

R1R2C=CH2(thế gemi)

R1CH=CHR2 (thế cis, trans) Cis

Trans R1R2C=CHR3(thế tri)

R1R2C=CR3R4 (thế tetra)

1648-16381658-1648

1662-16521678-16681675-16651675-1665

Như trong bảng trên khi tăng số thế tần số dao động liên kết C=C tăng.

Mặt khác cấu trúc hình học của phân tử cũng làm thay đổi tần số như cấu trúcđồng phân trans tần số cao hơn so với đồng phân cis, tuy vậy cường độ vạch hấp thụlại thấp hơn

Bảng 1.10 cường độ vạch hấp thụ của các chất

Hexen-1Pentadien-1,4 3,3 dimetylbyten-1 2,dimetylpenten-1cis-penten -2trans-penten -2

164216421645165316581670

42404633102

Trong phân tử olephin tồn tại dao động hóa trị và biến dạng của liên kết C-H,dao động quả lắc, dao động quạt là dao động hóa trị của liên kết C=C

vii. Dao động hóa trị của =CH nằm ở 3100-3000 cm-1.viii. Dao dộng biến dạng =CH ở 1400-1000 trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng ở 1000-600 cm-1.

ix. Dao động hóa trị đơn của C=C ở 1680-1640 và liên hợp ở 1650- 1600cm-1

x. Dao động của nối đôi liên hợp với nhóm cacbonyl nằm ở vùng 1640- 1590 cm-1

xi. Dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của nhóm H-C=C-Htrong phân tử olephin rất đặc trưng ở tần số 1000-800 cm-1 và cócường độ đủ mạnh để có thể nhận biết nhóm chức này

Đối với các hợp chất olephin vòng (xicloanken) tần số dao động C=C có thể thayđổi theo độ lớn của vòng và các nhóm thế của chúng

b Hydrocacbon thơm (Aromatic)

Hyrocacbon thơm có các dao động ở ba vùng sau: Dao

động hóa trị của liên kết C-H ở 3100-3000 cm-1 Dao động

hóa trị C-C ở vùng 2000-1650 cm-1

Dao động biến dạng C-H ở vùng 900-650 cm-1

Dao động hóa trị C-H có cường độ vạch phổ trung bình và thường là một nhómvạch phổ Khi có nhóm alkyl thì vạch hấp thụ của nhóm C-H trong vòng thơm thể hiệnnhư một vai trên vạch phổ của liên kết C-H bão hòa

Khi có mặt các nhóm thế thì tần số dao động hóa trị thay đổi chút ít

Các dẫn xuất thế một lần của benzen C6H5X trong đó X là nhóm, halogen,

ankyl, amin NH2, Andehit CHO

Sự hấp thụ của các hợp chất thơm trong vùng 1600-1500 cm-1 gồm các vạchphổ ở 1600,1580, 1500, 1450 cm-1

Cường độ của các vạch này thay đổi rất rộng Vạch ở 1500 cm-1 có

cường độ lớn hơn so với vạch ở 1600 cm-1

Vạch ở 1580 chỉ xuất hiện khi vòng benzen liên hợp với nhóm không no Sự liênhợp sẽ làm tăng cường độ các vạch phổ nhưng ít làm thay đổi vị trí của nó

Cường độ vạch phổ ở vùng < 900 cm-1 - 670cm-1 của hydrocacbon thơm

rất mạnh đặc trưng cho dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của liên kết C-H

Thế hai lần 1,2Thế hai lần 1,3

Thế hai lần 1,4 và bốn lần

1,2,3,4Thế ba lần 1,2,3

Thế ba lần 1,2,4

Thế ba lần 1,3,5Thế bốn lần 1,2,3,5 và1,2,4,5

Thế năm lần

770-730710-690770-735900-860810-750725-680860-800800-770720-685

860-800900-860900-860865-810730-675860-800900-860

MạnhMạnhMạnhMạnhTrung bìnhMạnh MạnhMạnhTrung bình

Mạnh Trungbình Trungbình MạnhMạnh Trungbình Trungbình

Đối với vòng benzen dao động biến dạng này ở vạch 671 cm-1, còn ở vòngbenzen thế tần số của dao động biến dạng của liên kết C-H phụ thuộc vào số và vị trícủa nhóm thế.

Theo số lượng và vị trí vạch phổ có thể xác định loại thế của vòng

benzen.(para, octo, hay meta )

Loại thế của vòng benzen còn có thể xác định theo vạch phổ ở vùng

2000-1600cm-1

Ở vùng phổ này xuất hiện dao động biến dạng tổ hợp của liên kết C-H với cường

độ yếu ( =5) vì vậy muốn thấy được vạch này cần phải ghi phổ của mẫu với nồng

độ âm điện của các nhóm thế Cường độ của các vạch mạnh hay yếu tùy theo nhóm thế

là đẩy điện tử hay hút điện tử

Hình 1.15: Phổ hồng ngoại của 1.m- xylen, 2:o-xylen ;3 : p-xylen

c Hidrocacbon axetilenic

Khi trong phân tử chứa liên kết ba C C trong phổ hồng ngoại sẽ xuất hiệntần số hấp thụ đặc trưng ở 2300-2100 cm-1

Dao động hóa trị CH của axetylen không thế chỉ hấp thụ ơ 3287 cm-1 và

ở 729 cm-1 Còn vạch hấp thu ứng với C C thì không xuất hiện vì bị cấm

e Các hợp chất hữu cơ với các nhóm chức khác nhau

5.6.1 Các hợp chất chứa oxy (ancol, phenol, ete)

Những hợp chất chứa nhóm hydroxyl OH sẽ có các phổ đặc trưng của dao độngcác liên kết O-H và C-O Các vạch phổ đặc trưng nhất ở vùng 3600- 3000 cm-1 là daođộng hóa trị của nhóm O-H ở 1400-1000 cm-1 là dao động biến dạng của liên kết C–O– H

Dao động hóa trị của nhóm O-H là rất đặc trưng hấp thụ ở vùng tần số rất rộng từ3600-2500 cm-1 vì trong đó có hydro linh động tham gia do việc tạo thành liên kếtcầu nối hydro giữa các phân tử

Vị trí của vạch phổ hấp thụ có thể thay đổi thùy theo nồng độ dung dịch và tùyloại dung môi hòa tan vì nó làm thay đổi số lượng cầu nối hydro

Nhóm O-H tự do của phenol và và rượu có vạch hấp thụ ở vùng rất hẹp ở3670-3580 cm-1 và rất dễ dàng xác định

Bảng 1.13: Tần số hấp thụ của các nhóm OH của ancol và phenol

cm-1

Dạng dao

-OH liên kết hidro 3600-3200 Hóa trị OH Thường tù Liên kết

hidro càng mạnh,tần số càng giảm-OH liên kết hydro

1410-12601150-1040

Biến dạngOHHóa trị C-O

Tăng khi có liên kết

hidro

Một đặc trưng quan trọng của sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử là sựthay đổi vị trí vạch phổ ở vùng 3600-3200 cm-1 khi thay đổi nồng độ của hợp chấttrong dung môi

Khi ở nồng độ thấp các vạch phổ có vùng hấp thụ rất hẹp nói lên nhóm OH tựdo

Hình 1.16 : Phổ hồng ngoại của một số hợp chất chứa nhóm OH

1:6-clo -1-hexanol ;2: o-crezol ;3:pyrocatechol

Khi tăng nồng độ dẫn đến tạo thành các dimer và polymer Trong phổ IR ngoàivạch phổ đặc trưng cho nhóm OH tự do còn xuất hiện các vạch phổ ở vùng có bướcsóng dài hơn Nếu tiếp tục tăng nồng độ của hợp chất sẽ làm tăng cường độ hấp thụcủa các nhóm OH liên kết và giảm cường độ của nhóm OH tự do.

Nhóm OH với liên kết cầu hydro nội phân tử có vạch hấp thụ rất hẹp trongkhoảng 3590-3420 cm-1

Khác với những hợp chất có liên kết cầu hydro giữa các phân tử, vạch hấp thụđặc trưng của chúng trong dung môi không phụ thuộc vào nồng độ của chúng

Như vậy trong vùng phổ IR từ 3600-3000 cm-1 cho phép khảo sát các loạiliên kết hydro của các hợp chất hữu cơ bằng cách thay đổi nồng độ của chúng trongdung môi và quan sát sự phụ thuộc của cường độ và vị trí cách vạch phổ đặc trưngcủa chúng theo nồng độ

Bảng 1.14: Dao động hóa trị của nhóm O-H (cm-1)

O-H tự do

Cầu hydro ngoại phân tử

Cầu hydro nội phân tử

3618 -liên hợp3620-không liên hợp3617-3590 không liên hợp3250-3200 liên hợp 3632-không liên hợp 3615 liên

hợp

3634 không liên hợp

Dao động biến dạng của nhóm O-H trong phân tử phenol và ancol nằm

trong vùng 1400-1200 cm-1 phụ thuộc vào bậc của ancol

Bảng 1.15 : Dao động biến dạng của nhóm O-H của hợp chất

phenol và ancolHợp chất Tần số cm-1Ancol bậc I

Ancol bậc IIAncol bậc IIIPhenol

2-ankylphenol

3-ankylphenol4-ankylphenol

1420,13301430,1320,1225

1410, 13201390-13301260-11801321-13191256-12421171-11601285-12691188-11801260-12481171-1166

a Dao động hóa trị của nhóm

C-O-Liên kết C-O là liên kết không phân cực có vạch phổ cường độ mạnh ở vùng1200-1000 cm-1, đặc trưng cho dao động hóa trị của mạch Ngoài ra còn xuất hiện cácvạch phổ cường độ mạnh ở vùng 1400-1000 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạngtrong mặt phẳng

Bảng 1.16: Dao động hóa trị của nhóm C-O- trong ancol

tùy thuộc vào bậc của ancol

Ancol bậc IAncol bậc II thẳng Ancol bậc II thơm Ancol bậc III Phenol

1075-10001125-10901075-10001210-11001260-1180

b Các hợp chất ete

Trong phân tử của hợp chất ete có nhóm C-O-C hấp thụ ở vùng sau

Khi có mặt oxy trong phân tử thì tần số dao động hóa trị của nhóm CH3

và CH2 nối trực tiếp với nguyên tử oxy sẽ bị thay đổ1