21.5: Спектри молекул - інфрачервоний

Last updated
Save as PDF

Page ID: 23494

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Коли ми переходимо від спектрів атомів до спектрів молекул, ми виявляємо, що область, яка найбільше цікавить хіміків, - це вже не видимий і ультрафіолетовий, а навпаки інфрачервоний. Як випливає з назви, інфрачервоний простягається за червоний кінець видимого спектра, від межі видимості приблизно на 0,8 мкм (800 нм) до приблизно 100 мкм, де починається мікрохвильова область. Інша відмінність від спектрів, розглянутих у розділі атомних спектрів, полягає в тому, що інфрачервоні спектри - це всі спектри поглинання, а не спектри випромінювання. Інфрачервоне світло пропускається через зразок, а інтенсивність світла, що з'являється, вимірюється в електронному вигляді. Енергії інфрачервоних фотонів дуже значно менше, ніж у видимих і ультрафіолетових фотонів. Фотон довжиною хвилі 10 мкм має енергію лише 0,02 aJ (близько 12 кДж м ^—1) - навіть недостатньо, щоб розірвати водневий зв'язок, не кажучи вже про нормальний ковалентний зв'язок. Однак у нього достатньо енергії, щоб молекула вібрувала сильніше, і оскільки вібраційна енергія квантується, це може відбуватися лише на певних дискретних частотах, а не на інших.

На малюнку 1 показані інфрачервоні спектри двох триатомних молекул, H ₂ O і CO ₂, а також спектри більш складної молекули, C ₂ H ₅ OH (етанол). Кожному з піків в цих спектрах відповідає сильне поглинання інфрачервоного випромінювання на макроскопічному рівні і раптове збільшення амплітуди, з якою молекула вібрує на мікроскопічному рівні. Оскільки багатоатомна молекула може вібрувати різними способами, для кожної молекули існує кілька піків. Чим складніше молекула, тим більше кількість піків. Відзначимо також, що не всі вібрації відповідають розтягуванню і розтяжці зв'язків. Вібрація в багатоатомній молекулі визначається як будь-який періодичний рух, який змінює форму або розмір молекули. У цьому сенсі рухи згинання та скручування також зараховуються як вібрації.

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Інфрачервоні спектри води, вуглекислого газу та етанолу.

Корисна особливість вібрацій, які відбуваються в багатоатомних молекулах, полягає в тому, що багато зв'язків і деякі невеликі групи атомів вібрують приблизно однаково незалежно від того, в якій молекулі вони знаходяться. На малюнку 1, наприклад, розтягнення зв'язку O—H дає пік між 2 і 3 мкм як для H ₂ O, так і C ₂ H ₅ OH. Через це можна визначити багато функціональних груп в органічній молекулі, просто дивлячись на її інфрачервоний спектр. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показані характерні довжини хвиль, за якими можна ідентифікувати деякі загальні функціональні групи. З іншого боку, кожна молекула являє собою унікальне поєднання хімічних зв'язків і функціональних груп. Досить незначні відмінності в молекулярній структурі можуть призвести до помітних відмінностей в інфрачервоному спектрі. Таким чином, ці спектри можна використовувати так само, як поліція використовує відбитки пальців.

Коли готується невідоме з'єднання, однією з перших речей, яку зазвичай вимірюють, є його інфрачервоний спектр. Якщо цей спектр повинен відповідати спектру раніше підготовленої сполуки, невідому сполуку можна легко ідентифікувати. Якщо ні, можливо, все ж можна виявити деякі функціональні групи, які присутні.

Для того, щоб молекулярна вібрація взаємодіяла з електромагнітним випромінюванням, дипольний момент молекули повинен змінюватися в міру виникнення вібрації. Чим більше ця зміна дипольного моменту, тим сильніше речовина поглинає падаюче випромінювання. Таким чином, дуже полярні зв'язки, такі як O—H і C ==O, зазвичай виробляють дуже помітні піки в інфрачервоному спектрі. І навпаки, деякі вібрації взагалі не відображаються в інфрачервоному діапазоні. Зокрема, двоатомні молекули, такі як N ₂ і O ₂, у яких обидва атоми ідентичні, мають нульовий дипольний момент на будь-якій стадії вібрації. Вони не виробляють поглинання в інфрачервоному діапазоні.

Оскільки N ₂ і O ₂, є головними складовими повітря, так само добре, що вони не поглинають інфрачервоне випромінювання. Атмосфера стала б нестерпно гарячою, якби вони це зробили! Як є, в інфрачервоному діапазоні поглинають лише незначні складові атмосфери, СО ₂ _{і Н 2} О. Проте це поглинання все ж відіграє важливу роль в підтримці поверхні землі при її поточній температурі.

Земля поглинає енергію сонця вдень, і випромінює цю енергію вночі. Приплив і відтік повинні балансувати в середньому, інакше земля нагріється або охолоне. Більша частина сонячного випромінювання знаходиться у видимій області спектра, але випромінювання, яке виходить з набагато прохолоднішої землі, знаходиться в основному в інфрачервоному діапазоні, зосередженому приблизно від 10 до 12 мкм. Як видно з малюнка\(\PageIndex{1}\), вода поглинає інфрачервоне випромінювання від 2 до 3 мкм і від 6 до 7,5 мкм. Вода також сильно поглинає вище 18 мкм. Таким чином, значна частина вихідного інфрачервоного випромінювання поглинається водяною парою в земній атмосфері і перешкоджає виходу. Можливо, ви помітили, що після дійсно вологого літнього дня температура вночі не дуже швидко падає. Надлишок водяної пари в атмосфері перешкоджає виходу випромінювання з земної поверхні. З іншого боку, в пустельній місцевості низька вологість дозволяє швидко втратити тепло. Хоча скелі можуть стати досить гарячими, щоб смажити яйце днем, температура часто опускається до замерзання протягом ночі. Хоча місцеві концентрації водяної пари можуть час від часу змінюватися, загальна кількість в земній атмосфері буферується величезними районами океану і залишається майже постійною. При цьому середнє поглинання вихідного випромінювання водою рідко змінюється. Однак кількість CO ₂ в атмосфері не так добре регулюється, і, схоже, діяльність людини призводить до її збільшення. (Використовуючи дані, наведені в прикладі 4 Рівняння та масові відносини, ви можете обчислити, що приблизно 9,4 Pg (9,4 × 10 ¹⁵ г) CO ₂ є результатом спалювання викопного палива у світі щороку.) Навіть у відносно непромисловій зоні, такій як Гаваї, протягом багатьох років спостерігається постійне збільшення концентрації CO ₂.

\(\PageIndex{1}\)Знову посилаючись на малюнок, ми можемо чітко бачити, що інфрачервоне поглинання CO ₂ відбувається саме в тих ділянках спектра, які не були заблоковані поглинанням H ₂ O. Таким чином, збільшення концентрації CO ₂ повинно зменшити випромінювання Землі в космічний простір і може збільшити середню температуру поверхні. У глобальному масштабі це називається парниковим ефектом - CO ₂ і H ₂ O діють як скло в теплиці, дозволяючи видимому світлу проходити, але блокуючи втрати інфрачервоного випромінювання. Кліматологи передбачили, що протягом ста років люди використовували викопне паливо, парниковий ефект повинен був підняти температуру поверхні на 0.5 до 1.0 К. До 1950 року це прогнозування, здавалося, було підтверджено, але виміряні температури з тих пір впали приблизно до рівня 1900 . Спроби пояснити це падіння на основі додаткових твердих частинок в атмосфері зустрічалися з різним ступенем успіху і невдачі. Все, що можна сказати напевно, це те, що ми знаємо набагато менше про атмосферу та світовий клімат, ніж хотілося б.