Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa

Các phƣơng pháp
vật lý ứng dụng trong hóa

GS.TSKH. Nguyễn Đình Triệu
Trƣờng Đại học khoa học Tự nhiên,ĐHQG Hà nội


Chương trình học
 Các phương pháp vật lý học :
Phần I.
1/ Quang phổ hấp thụ phân tử
- Phương pháp phổ quay và dao động
- Phương pháp phổ Raman
- Phương pháp phổ electron (UV – VIS)
2/ Phương pháp phổ CHTHN ( NMR )
3/ Phương pháp phổ khối lượng
Giới thiệu sách
 Tài liệu học chính thức :
1/ Nguyễn Đình Triệu
Các phương pháp phổ trong hóa hữu cơ và hóa sinh
NXB ĐHQG Hà nội ,2007
2/ Nguyễn Đình Triệu
Bài tập và thực tập phổ
NXB ĐHQG Hà nội 2007 ( in lần 2)
3/ Nguyễn Đình Triệu
Các phương pháp vật lý ứng dụng trong hóa học

NXB ĐHQG Hà nội ,2006 ( in lần 3 )
4/ Nguyễn Đình Triệu
Các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý
Tập 1 , NXB Khoa hoc & Kỹ thuật ,Hà nội 2001, tập 2 - 2006
Ý nghĩa chung
 Ngày nay hña học đang phát triển mạnh
mẽ cả lý thuyết và ứng dụng,hàng năm cñ
hàng vạn chất mới được tổng hợp hoặc
tách từ thiên nhiên ra do đñ yêu cầu tách
tinh khiết và xác minh cấu tạo của chúng
là rất cần thiết,nñ đòi hỏi phải nhanh và
chính xác.
Ý nghĩa chung
 Xưa kia để chứng minh cấu tạo một chất
cñ thể mất hàng năm hoặc cñ khi kéo dài
cả chục năm thì nay cñ thể thực hiện
được sau vài giờ
 Vấn đề cấu tạo các hợp chất hữu cơ được
giải quyết nhanh chñng nhờ các phương
pháp phổ
Ý nghĩa chung
 Cóng thức cấu tạo benzen C
6
H
6
được đề
xuất trước đây
(a)
(b)
(c)

(d)
Ý nghĩa chung
 Cấu tạo vòng benzen hiên nay

(a)
(b)
(c)
(d)


Chương 1

Đại cƣơng về các phƣơng
pháp phổ


Các phương pháp phổ

 Phổ hồng ngoại
 Phổ Raman
 Phổ tử ngoại và khả kiến
 Phổ cộng hưởng từ hạt nhân
 Phổ khối lượng
C s ca cỏc phng phỏp ph
Các phơng pháp phổ dựa trên cơ sở lí
thuyết về sự tơng tác của các bức xạ điện
từ đối với các phân tử. Quá trình tơng tác
đó dẫn đến sự hấp thụ và phát xạ năng l-
ợng và có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc
của phân tử, do đó ngời ta có thể sử dụng

các phơng pháp phổ để xác định cấu
trúc của chúng.


Bức xạ điện từ
Bøc x¹ ®iÖn tõ bao gåm mét vïng sãng rÊt réng
từ tia X đến sóng vô tuyến .

Các đại lượng đặc trưng của bức xạ điện từ
Bước sóng λ – khoảng cách hai đầu mút
Chu kì T – thời gian ngắn nhất truyền 1 bước sóng
qua 1 điểm trong không gian
Tần số ν - ν = 1/T
Năng lượng : E = hν = hc/λ
Số sóng = 1/λ , đơn vị là cm
-1

h - hằng số Planck , c-tốc độ ánh sáng ,ν - tần số ,
λ - bước sóng



Các đại lượng đặc trưng của bức xạ điện từ


 gọi là bước sóng
 h – hằng số Plank
 Năng lượng E được đo bằng đơn vị eV (electron von),
kcal/mol, cal/mol.
 h = 6,626.10-34J.s = 6,59 eV.s

 1kcal/mol = 103 cal/mol = 4,34.10-2eV




hc
c
hhE 


Các đại lượng đặc trưng của bức xạ điện từ
 Giữa các đơn vị năng lượng, chiều dài bước sñng và số
sñng liên hệ với nhau qua các biểu thức dưới đây:

eV
E
molkcal
E
cm
nm
81,1239
/
2,2859110
1
7




ν ( cm

-1
) = 0,349758.10
3
.E (kcal/mol )
= 8,06575.10
3
.E (eV) =
nm

7
10
E(kcal/mol) = 23,0609.E eV = 2,85912.10
-3
ν cm-1 = 28591,2 / λnm
Ví dụ: λ = 400nm, tính E?

eVeVmolkcalmolkcalE 1,3
400
81,1239
/5,71/
400
2,28591

Đơn vị của các đại lượng bức xạ điện từ
 §¬n vÞ n¨ng lîng: thêng dïng eV, kcal/mol,
kJ/mol
 1 eV=23 kcal/mol~96,5 kJ/mol
 §¬n vÞ bước sãng (

): m, cm, m(micromet), nm

(nanomet), A (angstr«m)
 1cm =10
4
m = 10
7
nm = 10
8
A
 §¬n vÞ tÇn sè (

): CPS , Hz (Hertz ), KHz
(kilohertz ), MHz (megahertz ).
 1 CPS (cycle per second) =1Hz (Hertz)
 1MHz=10
3
KHz=10
6
Hz.
Vùng bức xạ điện từ
Phân loại các vùng bức xạ điện từ
Bức xạ λ, cm E, eV
 Tia

10
-11
– 10
-8
~ 10
7
 Tia Röntgen 10

-8
– 10
-6
~ 10
5
 Tử ngoại và khả kiến 10
-6
– 10
-4
~ 10

 Hồng ngoại 10
-4
– 10
-2
~ 10
-1
 Vi sóng 10
-1
– 10 ~ 10
-3
 Sñng vó tuyến > 100 < 10
-6


Khi các phân tử hấp thụ năng lợng từ bên ngoài,
dn n quỏ trỡnh kớch thớch phõn t.
Tùy theo năng lợng kích thích lớn hay nhỏ có thể
xảy ra quá trình quay, dao động hay kích thích
electron .

kích thích quá trình dao ng trên có thể
sử dụng tia sáng vùng hồng ngoại (phổ hồng
ngoại).
Phổ hồng ngoại viết tắt là IR (Infrared).
kích thích điện tửdao động
quay

Bc x in t kớch thớch phõn t

Kớch thớch phõn t
Kích thích các quá trình quay, dao động
và kích thích electron l bc x nằm
trong vùng quang phổ gm ph vi sóng
(MW), ph hồng ngoại (IR), ph khả kiến
(VIS) và tử ngoại (UV) .
Năng lợng cần thiết cho quá trình quay
nhỏ hơn quá trình dao dộng và quá trình
kích thích electron .
Vựng ph quang hc: UV-VIS-IR MW

Vùng phổ quang học
 Vùng phổ quang học bao gồm từ vùng
phổ tử ngoại (UV), khả
kiến(VIS),hồng ngoại(IR)
 Bước sñng :
50 nm đến 1 mm

nh lut Lambert-Beer
Khi chiếu một chùm tia sáng đơn sắc đi qua
một môi trờng vật chất thì cờng độ của tia sáng
ban đầu (I
0
) sẽ bị giảm đi chỉ còn là I (hình
1.3).
Tỷ số I/I
0
.100%=T đợc gọi là độ truyền qua.
Tỷ số (I
0
-I)/Io.100%=A đợc gọi là độ hấp thụ.
Hình 1.3 ( d - chiu dy lp mng )
I
I
0
d
nh lut Lambert-Beer
Độ lớn của độ truyền qua (T) hay độ hấp thụ (A)
phụ thuộc vào bản chất của chất hũa tan , vào
chiều dày d của lợp mỏng và vào nồng độ C của
dung dịch. Có thể viết:
lg(I
0
/I)

=

cd = D

hay

= D


/ c.d


lg


= lg D

/ c.d

là hệ số hấp thụ mol khi C đợc tính bằng
mol/l, d tính bằng cm, còn D là mật độ quang.
Cần chú ý là phơng trình trên chỉ đúng với tia
sáng đơn sắc.

ng cong ph hp th


Phụ thuộc của mật độ quang vào bớc sóng
D

=f().
Ph thuc ca h s hp th :

= f () hay lg = f()
Ph thuc ca truyn qua %T = I/I
0
= f ( )

Đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc này gọi là
phổ. Các đỉnh hấp thụ l cc i (
max
) , chiều
cao của các đỉnh hấp thụ gọi là cờng độ ( D

,
, lg , %T ) (hình 1.4).
H×nh 1.4 Phæ hÊp thô (a)hång ngo¹i (b)tö ngo¹i.
Phổ kế quang học
 Sơ đồ phổ kế một chùm tia
Khe ra
Tù ghi
§etect¬
KhuÕch ®¹i
Khe vµo
Cuvet
L¨ng kÝnh
Nguån s¸ng