Một phân tử được hình thành bởi các nguyên tử liên kết với nhau. Dao động của một phân tử xảy ra khi các nguyên tử trong một phân tử chuyển động tuần hoàn, khi đó phân tử đó có chuyển động dịch chuyển hồng ngoại và chuyển động quay. Tần số của chuyển động tuần hoàn chính là tần số dao động, và các tần số chủ yếu của các dao động của phân tử có phạm vi từ nhỏ hơn 1012 đến xấp xỉ 1014. Tần số dao động phụ thuộc vào sốlượng các hạt nhân và các lực liên kết.
Một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên
của một phần phân tử (tức là các nguyên tửhay các nhóm nguyên tử tạo thành phân
tử đó) dao động cùng tần số với bức xạ tới và khi sự hấp thụ đó gây nên sự biến
thiên mô men lưỡng cực của chúng. Một phân tử có lưỡng cực điện khi ở nguyên tử thành phần của nó có điện tích âm và dương rõ rệt. Khi phân tửlưỡng cực được giữ
trong một điện trường, điện trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử. Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độphân cực của chúng
26
một cách tuần hoàn, nên khoảng cách giữa các nguyên tửtích điện của phân tửcũng thay đổi một cách tuần hoàn.
Mô men lưỡng cực µ thay đổi giữa các mức năng lượng và điều kiện cần thiết
để sự kích thích xảy ra là mô men lưỡng cực thay đổi khi khoảng cách giữa các nguyên tử dao động thay đổi dọc theo trục tọa độ Q. Từ đó ta có quy luật chọn lọc
đối với dao động hoạt động hồng ngoại:
0
Q
æ¶ ö¹ ç¶ ÷
è ø (1.36)
Chuyển động dao động của phân tử nhiều nguyên tử rất phức tạp. Để đơn giản, người ta thường phân một chuyển động phức tạp thành một số hữu hạn các dao động đơn giản hơn gọi là dao động riêng. Các dao động riêng của phân tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ một cách chọn lọc, đối với các phân tử có mô men lưỡng cực μ thì chỉ những dao động nào làm thay đổi mô men lưỡng cực này mới bị kích thích bức xạ hồng ngoại.
Dao động của phân tử gồm hai nguyên tử là dao động kéo giãn dọc theo trục
liên kết của hai nguyên tử, gọi là dao động kéo dãn (stretching) hay dao động hóa
trị. Kết quả của dao động này làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong
phân tử. Ở phân tử có 3 nguyên tử trở lên, ngoài dao động kéo dãn làm thay đổi độ dài liên kết còn có loại dao động có thể làm thay đổi góc giữa liên kết được gọi là dao động biến dạng. Người ta còn phân biệt dao động kéo giãn đối xứng νss (khi 2
liên kết cùng dài ra hoặc cùng ngắn lại) và dao động kéo dãn bất đối xứng νas (khi một liên kết dài ra trong khi liên kết kia ngắn lại). Với dao động biến dạng, người ta
còn phân biệt biến dạng trong mặt phẳng (sự thay đổi góc liên kết xảy ra trong cùng
một mặt phẳng) và biến dạng ngoài mặt phẳng (sự thay đổi góc liên kết xảy ra
27
Hình 1.12. Các mode dao động của nhóm -CH2và -CH3.
Các vùng phổ hồng ngoại của các nhóm nguyên tử tương ứng với các số sóng khác nhau được thể hiện trên hình 1.13.
28
Trong bản luận văn này, chúng tôi chỉquan tâm đến các mode dao động của
các nguyên tử trong phân tử AA và của nước: -CH3, CH2, C=O, COO¯, OH với
các tần số cho trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1. Các mode dao động tương ứng với sốsóng của các nhóm phân tử.
Mode dao động Sốsóng (cm-1) C=O 1720 CH2ss 2855 CH2as 2920 CH3as 2960 CH3Fr 2935 OH (dạng băng) 3200 OH (dạng lỏng) 3450