El principio del espectro infrarrojo
Cuando un haz de luz infrarroja con una longitud de onda continua pasa a través de una sustancia, la frecuencia de vibración o frecuencia de rotación de un determinado grupo en la molécula de la sustancia es la Al igual que la frecuencia de la luz infrarroja, la molécula absorbe energía y salta del nivel de energía vibratoria (rotacional) del estado fundamental original a un nivel de energía vibratoria (rotacional) de mayor energía. Después de que la molécula absorbe la radiación infrarroja, sufre una transición de vibración. y niveles de energía rotacional, y la luz en esa longitud de onda es absorbida por el material.
Entonces, la espectroscopia infrarroja es esencialmente un método analítico que determina la estructura molecular de una sustancia e identifica compuestos basándose en información como vibraciones relativas y rotaciones moleculares entre átomos dentro de la molécula. Al registrar con un instrumento la absorción de luz infrarroja por las moléculas, se obtiene el espectro infrarrojo. Los espectros infrarrojos suelen utilizar la longitud de onda (λ) o el número de onda (σ) como abscisa para indicar la posición del pico de absorción, y utilizan la transmitancia (T) o la absorbancia (A) como ordenada para indicar la intensidad de absorción.
Cuando una onda electromagnética externa irradia una molécula, si la energía de la onda electromagnética irradiada es igual a la diferencia entre los dos niveles de energía de la molécula, la onda electromagnética de esta frecuencia será absorbida por la molécula. , provocando una transición del nivel de energía correspondiente de la molécula. La expresión macroscópica es la siguiente: La intensidad de la luz transmitida se vuelve más pequeña. Una de las condiciones que debe cumplir una sustancia para producir un espectro de absorción infrarroja es que la energía de la onda electromagnética y la diferencia entre los dos niveles de energía de la molécula sean iguales, lo que determina el lugar donde aparece el pico de absorción.
La segunda condición para la generación del espectro de absorción infrarroja es el acoplamiento entre la luz infrarroja y las moléculas. Para cumplir esta condición, el momento dipolar de las moléculas debe cambiar cuando vibran. En realidad, esto garantiza que la energía de la luz infrarroja pueda transferirse a las moléculas, y esta transferencia de energía se logra mediante cambios en el momento dipolar de vibración de las moléculas.
No todas las vibraciones producirán absorción infrarroja. Sólo las vibraciones con cambios en el momento dipolar pueden causar una absorción infrarroja observable. Este tipo de vibración se llama vibración molecular infrarroja con un momento dipolar igual a cero no puede producirla. La absorción infrarroja se llama vibración inactiva infrarroja.
Las formas de vibración de las moléculas se pueden dividir en dos categorías principales: vibración de estiramiento y vibración de flexión. El primero se refiere al movimiento alternativo de los átomos a lo largo del eje del enlace y la longitud del enlace cambia durante el proceso de vibración. Este último se refiere a la vibración de los átomos perpendicular a la dirección de los enlaces químicos. Generalmente se utilizan diferentes símbolos para representar diferentes formas de vibración. Por ejemplo, la vibración de estiramiento se puede dividir en vibración de estiramiento simétrica y vibración de estiramiento antisimétrica, representadas por Vs y Vas respectivamente. La vibración por flexión se puede dividir en vibración por flexión en el plano (δ) y vibración por flexión fuera del plano (γ).
Teóricamente, cada vibración básica puede absorber luz infrarroja con la misma frecuencia, y aparece un pico de absorción en la posición correspondiente en el espectro infrarrojo. De hecho, algunas moléculas vibrantes no tienen cambios en el momento dipolar y están inactivas en el infrarrojo; otras tienen la misma frecuencia de vibración y están degeneradas y algunas frecuencias de vibración están más allá del rango que el instrumento puede detectar, todas las cuales forman el infrarrojo real; espectro El número de picos de absorción es mucho menor que el valor teórico.
Los distintos grupos que componen la molécula tienen sus propios picos de absorción específicos en el infrarrojo, característicos. En diferentes compuestos, la vibración de absorción del mismo grupo funcional siempre aparece en un rango estrecho de número de onda, pero no aparece en un número de onda fijo. El número de onda específico en el que aparece está relacionado con el entorno del grupo en el. molécula.
Hay muchos factores que causan el cambio de frecuencia de grupo, entre los cuales los factores externos son principalmente el estado físico y el entorno químico de la molécula, como los efectos de la temperatura y los efectos de los disolventes.
En cuanto a los factores internos que conducen al cambio de frecuencia del grupo, los efectos eléctricos de los sustituyentes en la molécula se conocen hasta ahora: como el efecto de inducción, el efecto de yugo, el efecto intermediario, el efecto de campo dipolar, etc.; efectos mecánicos: como efecto masa, efecto de ángulo de unión causado por tensión, efecto de acoplamiento entre vibraciones, etc.
Aunque ha habido muchos informes de investigación sobre estos temas y discusiones relativamente sistemáticas, si desea predecir cuantitativamente la dirección y el tamaño del cambio de frecuencia del grupo relevante en función de los resultados de un determinado efecto, es necesario A menudo es difícil hacerlo porque la mayoría de estos efectos no ocurren solos. Esto dificulta las comparaciones entre diferentes moléculas.
Además, los efectos de los enlaces de hidrógeno y los efectos de coordinación también pueden causar cambios de frecuencia de grupo. Si ocurre entre moléculas, es un factor externo. Si ocurre dentro de una molécula, es un factor interno.
La intensidad de la banda infrarroja es una medida de la probabilidad de transición vibratoria, y la probabilidad de transición está relacionada con el cambio en el momento dipolar cuando la molécula vibra. Cuanto mayor es el cambio en el momento dipolar, mayor es la banda. intensidad. El cambio en el momento dipolar está relacionado con el momento dipolar inherente del grupo mismo. Por lo tanto, cuanto más fuerte es la polaridad del grupo, mayor es el cambio en el momento dipolar durante la vibración y cuanto más fuerte es la banda de absorción, mayor es la simetría del grupo. molécula, cuanto mayor es el momento dipolar durante la vibración, cuanto menor es el cambio de momento, más débil es la banda de absorción.
El espectro infrarrojo es la capacidad de las moléculas de absorber selectivamente rayos infrarrojos de determinadas longitudes de onda, provocando transiciones en los niveles de energía vibratoria y los niveles de energía rotacional en las moléculas. Al detectar la absorción de rayos infrarrojos, el espectro de absorción infrarroja de. Se puede obtener la sustancia y se llama espectro de vibración molecular o espectro vibratorio.
División del espectro infrarrojo
El espectro infrarrojo generalmente se divide en tres regiones: región del infrarrojo cercano (0,75 ~ 2,5 μm), región del infrarrojo medio (2,5 ~ 25 μm) y región del infrarrojo lejano. -región infrarroja (25~300μm). En términos generales, el espectro del infrarrojo cercano se genera mediante la duplicación de la frecuencia y la frecuencia combinada de las moléculas; el espectro del infrarrojo medio pertenece al espectro de vibración de frecuencia fundamental de las moléculas; el espectro del infrarrojo lejano pertenece al espectro de rotación de las moléculas y al espectro de vibración de ciertas moléculas; grupos.
Dado que las bandas de absorción de frecuencia fundamental de la mayoría de las sustancias orgánicas e inorgánicas aparecen en la región del infrarrojo medio, la región del infrarrojo medio es el área con más investigación y aplicación, más datos acumulados y más Tecnología de instrumentos madura. El comúnmente denominado espectro infrarrojo se refiere al espectro del infrarrojo medio.
Aplicaciones
La espectroscopía infrarroja tiene una amplia gama de aplicabilidad a muestras. Se puede aplicar a muestras sólidas, líquidas o gaseosas, y se pueden detectar compuestos inorgánicos, orgánicos y poliméricos. Además, la espectroscopia infrarroja también tiene las características de pruebas rápidas, operación conveniente, buena repetibilidad, alta sensibilidad, pequeño consumo de muestras y estructura de instrumento simple. Por lo tanto, se ha convertido en la herramienta más utilizada e indispensable en la química estructural y la química analítica modernas. .
La espectroscopia infrarroja también se utiliza ampliamente en el estudio de la configuración, conformación y propiedades mecánicas de los polímeros, así como en los campos de la física, la astronomía, la meteorología, la teledetección, la biología, la medicina y otros campos.
La posición y la intensidad del pico de absorción infrarroja reflejan las características de la estructura molecular y pueden usarse para identificar la composición estructural de una sustancia desconocida o determinar su grupo químico; relacionado con el grupo químico Contenido relacionado, se puede utilizar para análisis cuantitativos e identificación de pureza.
Además, la espectroscopia infrarroja también juega un cierto papel en el estudio del mecanismo de las reacciones químicas. Pero su aplicación más utilizada es la identificación estructural de compuestos desconocidos.
La espectroscopia infrarroja no sólo se puede utilizar para estudiar la estructura y los enlaces químicos de las moléculas, como la determinación de constantes de fuerza y criterios de simetría molecular, sino que también se puede utilizar como método para caracterizar e identificar sustancias químicas. especies.
Por ejemplo, las moléculas de agua gaseosa son moléculas no lineales de tres átomos, con v1=3652 cm, v3=3756 cm y v2=1596 cm en el espectro infrarrojo de las moléculas de agua líquida, debido al hidrógeno. entre moléculas de agua El efecto de enlace hace que las bandas de vibración de estiramiento de v1 y v3 se superpongan, y aparece una banda ancha a 3402 cm, y su vibración de ángulo variable v2 se ubica a 1647 cm.
En agua pesada, dado que la masa atómica del deuterio es mayor que la del hidrógeno, las bandas superpuestas de v1 y v3 del agua pesada se mueven a 2502 cm, y v2 es de 1210 cm. El fenómeno anterior muestra que aunque las estructuras del agua y del agua pesada son muy similares, sus espectros infrarrojos son muy diferentes.
El espectro infrarrojo es muy característico, por lo que es muy común utilizar el método de comparar el espectro infrarrojo con el compuesto estándar para su análisis e identificación, y se han recopilado y publicado varios espectros infrarrojos estándar, como " Sa La colección de espectros de rejilla infrarroja Teller Standard recopila espectros infrarrojos de más de 100.000 compuestos. En los últimos años, estos mapas se han almacenado en computadoras para compararlos y recuperarlos.
Referencia: Enciclopedia Baidu: Espectro Infrarrojo