Bài giảng vật lý - Phổ hồng ngoại

1. Khi phân tử hợp chất hữu cơ “va chạm” với chùm sóng điện từ sẽhấp thu một năng lượng tương ứng với bước sóng xác định nào đócủa tia tới và không hấp thu các chùm tia có bước sóng khác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng vật lý - Phổ hồng ngoạiChương1.PHỔ HỒNG NGOẠI Infrared (IR) spectroscopy1. Cơ sở lý thuyết:Năng lượng lượng tử (của photon ánh sáng) được xác định bởicông thức sau đây: h: hằng số Planck, 6.6 x 10-34 (J/s) c: tốc độ của ánh sáng trong chân không, 3 x 1010 (m/s) λ : bước sóng (m) ν : tần số (s-1 hoặc Hz)Thông thường thì đơn vị của bước sóng được sử dụng trong phổ hồngngoại là µm ( 1 µm = 10- 4 cm) và thay cho tần số (Hz), người ta sử dụng đơnvị là số sóng: 1. Khi phân tử hợp chất hữu cơ “va chạm” với chùm sóng điện từ sẽhấp thu một năng lượng tương ứng với bước sóng xác định nào đócủa tia tới và không hấp thu các chùm tia có bước sóng khác.2. Nếu ta chiếu mẫu chất hữu cơmột sóng điện từ với các bước sóngkhác nhau và sau đó xác định xembước sóng nào bị hấp thu, bướcsóng nào không thì chúng ta sẽ cóđược một phổ hấp thu của mẫu đó. 3. Kết quả được biễu diễn bằng đồ thị của hàm số năng lượng sóng điện từ đi qua phụ thuộc vào bước sóng.Trục hoành biễu diễn bước sóng với đường nằm ngang ở trên đơn vị là µm; đường nằm ngang ở dưới đơn vị là số sóng (cm-1), trục tung là hệ số hấp thụ sóng điện từ có đơn vị là %.Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộngnằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành3 vùng nhỏ: - Near-IR 400-10 cm-1 (1000- 25 μm) - Mid-IR 4000 - 400 cm-1 (25- 2,5μm) - Far-IR 14000- 4000 cm-1 (2,5 – 0,8μm)Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại nói ở đây là vùng phổ nằmtrong vùng có số sóng 4000 - 400 cm-1.Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các daođộng của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của cácphân tửĐiều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đápứng các yêu cầu sau:- Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bứcxạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của mộtphần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tửtạo thành phân tử đó) cũng là tần số của bức xạ tới.-Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấpthụ đó gây nên sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng.Lưỡng cực điện:Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sựbiến thiên momen lưỡng cực của chúng.Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường, trường đó sẽ tác dụng cáclực lên các điện tích trong phân tử - Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các lựctheo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến sự tách biệt 2 cực tăng hoặc giảm.Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ phân cực của chúng mộtcách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thayđổi một cách tuần hoàn.Khi các nguyên tử tích điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại.Nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụbức xạ mạnh và sẽ có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao độngcủa các nguyên tử tích điện trong phân tử nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu.Theo điều kiện này thì các phần tử có 2 nguyên tử giống nhau sẽ không xuất hiệnphổ dao động. Ví dụ O2, N2 v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại. Đócũng là một điều may mắn, nếu không người ta phải đuổi hết không khí ra khỏimáy quang phổ kế hồng ngoại.Trạng thái dao động của phân tử 2 nguyên tử:Giả sử 2 nguyên tử A và B tác dụng với nhau tạo thành phân tử AB. Gọi r làkhoảng cách giữa hai nhân của nguyên tử A và B, r là không phải không đổimà ở những điều kiện xác định sẽ dao động từ giá trị nhỏ nhất rmin đến giá trịlớn nhất rmax. Từ rmin sang rmax, r có đi qua giá trị cân bằng r(e), là giá trị có xácsuất lớn nhất của r. Người ta nói phân từ AB đã thực hiện chuyển động daođộng nội tại .Khi kéo dãn AB hoặc nén AB thì sẽ có sự thay đổi r cân bằng của AB ở trạngthái bình thường. Sự chênh lệch r đó gọi là ∆r. Lúc đó sẽ xuất hiện 1 lực F kéoAB về vị trí cân bằng. F gọi là lực hồi phục và F tỷ lệ với độ dịch chuyển ∆r. F = - k. ∆r (k: hằng số lực, dyn/cm)Nếu ∆r rất bé, chuyển động dao động là dao động điều hoà.Về mặt cơ học, có thể coi dao động của 2 vật thể A, B như 1 khối thu gọn cókhối lượng m dao động quanh vị trí cân bằng với tần số dao động riêng là:Có thể minh hoạ các kiểu dao động co giãn liên kết và dao động biến dạng củaphân tử nước theo mô hình dưới đây :Hai nguyên tử và liên kết nối chúng với nhau được coi là một dao động kế đơngiản bao gồm hai khối lượng liên kết với nhau bằng một lò xo. Từ định luậtHooke, ta có thể nhận được phương trình sau đây : f: hằng số lực liên kết (Nối đơn f = 5.105 dyn/cm; Nối đôi f = 10.105 dyn/cm; Nối ba f = 15.105 dyn/cm) mH = 1 / 6.02.1023 mC = 12 / 6.02.10231.2. Tương quan giữa phổ dao động và cấu trúc phân tửCác nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử có cácđám phổ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng khác nhau .Mặc dù phương pháp phổ dao động là một trong những phương pháp h ...