Типичные линии поглощения в инфракрасном диапазоне

Автор: Грегори Бруст

Инфракрасная спектроскопия или ИК-спектроскопия является одним из типов колебательной спектроскопии, которая, как вы, наверное, догадались, является спектроскопическим методом, в котором исследуются колебания молекул. Чтобы полностью понять метод ИК-спектроскопии, вы должны сначала понять принципы простого гармонического движения.

Представьте себе два шарика, или две массы, соединенных пружиной. Если вам это кажется немного запутанным, то на этом рисунке схематично изображено то, что вам необходимо себе представить.

Это и есть то, что называется простой гармонический осциллятор. Если вы однажды запустите колебания такого осциллятора, то шарик будет осциллировать, то есть колебаться вперед-назад на пружине. Частота этого движения будет зависеть от массы шариков и жесткости пружины. Шарик с меньшей массой проще сдвинуть с места, чем шарик с большей массой. Поэтому маленькие массы колеблются с более высокой частотой, чем большие массы. Очень жесткую пружину, как например кроватную пружину, сложно деформировать, и она быстрее возвращается в исходное состояние после того, как деформирующее усилие снято. С другой стороны, более слабую пружину легче деформировать, и она возвращается в исходное состояние гораздо медленнее. Поэтому более жесткая пружина будет колебаться на более высокой частоте, чем слабая. Химическую связь между атомами можно представить себе как простой осциллятор. Связь играет роль пружины, а атомы или группы атомов, соединенные связью, являются массами. Каждый атом обладает определенной массой, а связи, одинарная, двойная или тройная, обладают различной жесткостью, поэтому каждая комбинация атомов и связей обладает своей характерной частотой гармонических колебаний. Вы можете узнать больше об этих колебаниях и их частотах здесь.

Когда объект колеблется на некоторой частоте и встречает другие колебания на точно такой же частоте, осциллятор будет поглощать энергию таких колебаний. Возьмем в качестве примера гитарную струну. Если вы дернете струну " соль", то она начнет вибрировать и издавать замечательно красивый звук " соль". Если вы теперь дернете струну " ре", прижав ее на пятом ладу, то она тоже будет издавать звук " соль". Если вы теперь внимательно посмотрите на струны, то вы увидите, что колеблется не только струна " ре", но и струна " соль", поскольку некоторая часть энергии колебаний от вибрирующей струны " ре" передалась струне " соль" и заставила ее тоже вибрировать. То же самое происходит и при колебаниях молекул, с той разницей, что звучание струны " соль" никак не повлияет на колебания химических связей.

При любой температуре выше абсолютного нуля все маленькие простые гармонические осцилляторы, из которых состоит молекула, будут весьма энергично колебаться. Так получается, что инфракрасный свет попадает в тот же частотный диапазон, что и колеблющаяся молекула. Поэтому, если вы попадете инфракрасным светом по колеблющейся молекуле, то она поглотит те частоты этого света, которые в точности совпадают с частотами различных гармонических осцилляторов, которые составляют эту молекулу. Когда этот свет поглощен, маленькие осцилляторы в молекуле будут продолжать колебаться на той же частоте, но поскольку они поглотили энергию света, то амплитуда их колебаний станет больше. Это значит, что " пружины" будут растягиваться сильнее, чем до поглощения света. Оставшийся свет, котороый не был поглощен ни одним из осцилляторов в нашей молекуле, пройдет через образец на детектор. Компьютер проанализирует прошедший свет и определит, какие частоты были поглощены.

В прошлом единственным способом получить качественные данные было стрелять по молекулам только одной частотой инфракрасного света за один раз. Это занимало очень много времени, поскольку частот было много, и чтобы получить хороший спектр необходимо было делать много проходов. Но теперь, благодаря удивительному Алгоритму Преобразования Фурье, вы можете стрелять по молекулам всеми частотами ИК-излучения одновременно и получить прекрасный спектр за время в несколько раз меньше, чем раньше. Ух ты! Если вам любопытно, то вот этот замечательный Алгоритм Преобразования Фурье.

Сначала вы должны привести ваш исследуемый материал к виду, в котором его можно поместить в инфракрасный спектрометр. Обычно это достигается путем создания пленки на подложке из хлорида натрия (то есть поваренной соли). Можно также растереть материал с бромидом калия (KBr) и сделать из него шарик. Эти соли используются потому, что они невидимы в ИК-диапазоне. Есть и другие способы приготовления образца, но эти наиболее употребительны при обращении с полимерами. Потом вы помещаете образец в ИК-спектрометр, на который вам столь любезно указывает Лесли, и закрываете крышку. Подождав несколько секунд, пока камера с образцом не будет очищена от углекислого газа, вы нажимаете кнопку " SCAN" (сканировать) на компьютере и - ВУАЛЯ - меньше, чем через минуту вы получаете ИК-спектр вашего образца.

Обратите внимание на то, что разные группы томов колеблются на различных частотах, причем одна и та же группа атомов может колебаться шестью разными способами. Получается очень большое количество различных колебаний! Как может кто-нибудь вообще получить хоть какую-нибудь информацию из нфракрасного спектра? Нам придется учиться, как Эдисону - методом проб и ошибок. Мы выучили, где проявляется поглощение, соответствующее различным группам, путем измерения большого количества ИК-спектров большого числа известных химических соединений и выяснения, на какой частоте поглощает какая из групп. Потом были сделаны таблицы этих значений, чтобы вы и я смогли научиться сами, воспользовавшись опытом других ученых, и впредь могли сами расшифровывать эти спектры. Здорово звучит, не правда ли? В качестве специального подарка для вас я привел внизу таблицу, в которой поазаны наиболее типичные линии поглощения в инфракрасном диапазоне и их положение в спектре. Учитесь и радуйтесь!

Типичные линии поглощения в инфракрасном диапазоне

колебание	частотный диапазон (см^-1)
карбонил (C=O), растяжение	1870 - 1650
Спирты
O-H, растяжение	3640 - 3250
C-OH, растяжение	1160 - 1030
C-OH, сгибание в плоскости	1440 - 1260
C-OH изгиб (wag)	700 - 600
Алканы
C-H, растяжение	2980 - 2850
CH₂ изгиб (wag)	1470 - 1450

CH₂ качание	740 - 720
CH₃ изгиб (wag)	1390 - 1370
CH₃ скручивание	1470 - 1440
Алкены
=CH₂, растяжение	3040 - 3010
=CH₂ изгиб (wag)	950 - 900
C=C, растяжение (цис-изомер)	1665 - 1635
C=C, растяжение (транс-изомер)	1675 - 1665
Амины
N-H, растяжение	3460 - 3280
NH₂ изгиб (wag)	1650 - 1590
C-N, растяжение	1190 - 1130
C-N-C, ножницы	510 - 480
Сложные эфиры
C-O-C, асимметричное растяжение	1290 - 1180
O-C-O, ножницы	645 - 575
Соединения азота
NO₂, симметричное растяжение	1570 - 1550
NO₂, асимметричное растяжение	1380 - 1360
NO₂, ножницы	650 - 600
NO₂ качание (rock)	530 - 470
Соединения серы
SO₂, симметричное растяжение	1170 - 1120
SO₂, асиметричное растяжение	1360 - 1290
SO₂, ножницы	610 - 545