Bài giảng Sự liên quan cấu trúc và đặc điểm đỉnh hấp thu trong phổ IR

SỰ LIÊN QUAN CẤU TRÖC VÀ ĐẶC ĐIỂM
ĐỈNH HẤP THU TRONG PHỔ IR

PGS. TS. Vĩnh Định
BM. HPT-KN
1


Sóng điện từ
 thời gian : T (s)
Bước sóng (µm, nm)



E
B

 Tần số :  (Hz)

1

T
 Số sóng : ’ (cm-1)



1






c

 c : vận tốc ánh sáng
E : điện trường
B : từ trường

Năng lƣợng sóng điện từ

E  h  h

c



 h
2


Kích thước: Điện tử

PHÂN TỬ
«
Ngun tử

«

Phân tử

Tính trơ :

Điện tử

«

Ngun tử

«

Phân tử

Linh động : Điện tử

«

Nguyên tử

«

Phân tử

Chuyển dịch : Điện tử
Tần số (Hz):

1015

Dao động
1013

Quay
1010

 Năng lượng của sóng điện từ càng lớn khi tần số càng lớn :

E = h
DEel (≥1eV) > DEvib (≤ 0,1eV) > DEr (≤ 0,01eV) > DEtr (≈ 0eV)

3


R6
R5
R4
R3
R2 V5
R6

V5
V4
V3
V2
V1

E1

Các mức năng lượng lý thuyết của phân tử :
 En : năng lượng điện tử
 Vn : năng lượng dao động
 Rn : năng lượng quay

R5
R4
R3
R2 V4

V6
V5
V4
V3
V2
V1

E0

4


CÁC PHƢƠNG PHÁP PHỔ KHÁC NHAU

Eel > Evib > Erot
Việc khảo sát các mức năng lượng khác nhau trong phân tử:
 Năng lượng QUAY

 PHỔ VI SÓNG

 Năng lượng DAO ĐỘNG  PHỔ HỒNG NGOẠI
 Năng lượng ĐiỆN TỬ

 PHỔ TỬ NGOẠI – KHẢ KiẾN

DE = h
Photon mang nang luong

E2
DE

E1

5


TẬP HỢP CÁC VẠCH PHỔ TẠO THÀNH MỘT DÃI
Nếu một phân tử có:
 Sự chuyển dịch năng lượng điện tử
 thì đồng thời chịu sự thay đổi về :
- năng lượng dao động
- năng lượng quay
 Xuất hiện nhiều sự chuyển dịch mức năng lượng
 Xuất hiện nhiều vạch phổ:

- có tần số khác nhau
- co bước sóng khác nhau

 Xuất hiện một dãi (hay băng) hấp thu
6


VÙNG PHỔ CỦA SÓNG ĐiỆN TỪ

 Năm

1800, William
Herschel đã phát hiện
sự hiện diện của một
loại tia nằm ngoài
vùng màu đỏ của ánh
sáng khả kiến, mắt
người khơng nhìn
thấy nhưng chúng có
hiện diện.
 Ngày nay, tia này
được gọi là tia hồng
ngoại.

11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

7


VÙNG PHỔ CỦA SĨNG ĐiỆN TỪ
Thí nghiệm phát hiện được thực hiện tương tự như sau:
 Cho ánh sáng mặt trời đi qua một lăng kính. Phía sau lăng
kính đặt các nhiệt kế đã bôi đen để hấp thụ tốt ánh sáng
mặt trời.

76oF

VÙNG PHỔ CỦA SÓNG ĐiỆN TỪ

 Điều chỉnh nhiệt kế để

vùng quang phổ chiếu lên
bầu của mỗi nhiệt kế.
 Vùng tím-xanh: 1 nhiệt kế
 Vùng vàng: 1 nhiệt kế
 Ngồi vùng đỏ: 1 nhiệt kế.
 Sau thời gian từ 1 đến 3

phút ta sẽ nhận được kết
quả như hình dưới
11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

9


VÙNG PHỔ CỦA SÓNG ĐiỆN TỪ

 Kết quả là:
Khi để trong bóng râm, nhiệt
độ của cả 3 nhiệt kế là 76oF.
Sau 3 phút:

Nhiệt kế trái: 80oF
Nhiệt kế giữa:83oF

Nhiệt kế phải: 86oF

 Kết luận:
Phải có một loại ánh sáng tồn
tại ngồi vùng đỏ mà chúng ta
không thấy chúng
11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

10


VÙNG PHỔ CỦA SĨNG ĐiỆN TỪ

“Nhìn thấy” thơng qua cái “khơng nhìn thấy”
Cốc nào chứa nước nóng, cốc nào chứa nước lạnh?

11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

11


VÙNG PHỔ CỦA SĨNG ĐiỆN TỪ

“Nhìn thấy” thơng qua cái “khơng nhìn thấy”

11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

12


VÙNG PHỔ CỦA SÓNG ĐiỆN TỪ

 Các màu sắc khác nhau thì hấp thụ lượng nhiệt khác nhau.
 Hãy chú ý đến màu đen và màu trắng!

 Lý do người ta thường mặc đồ màu sáng khi trời nắng ?

Các bộ tộc ở sa mạc thường hay mặc đồ màu trắng !
11/15/2015

Tài liệu hỗ trợ - Quang học HP2- IR-UV

13


VÙNG PHỔ CỦA SÓNG ĐiỆN TỪ

Tần số ()

Cao
Cao
ν (Hz)

Năng lượng

1020

1015

TIA X

UV

2.5 mm
400 nm
BLUE

Ngắn

1013

1010

IR

Vi
song

106
RADIO

NMR

IR

VIS

UV

200 nm

Thấp
Thấp

25 mm

1m

5m

800 nm
RED

Bước sóng ()

Dài
14


LIÊN HỆ GiỮA  VÀ MỨC NĂNG LƢỢNG CHUYỂN DỊCH DE
Bƣớc sóng ()
UV

Vis

IR

Năng lƣợng (DE)
1.5 °A

8.103 °A

2.104 A

Năng lượng chuyển dịch điện tử (EE)

200 kcal

35 kcal

DE = h

=c


h.c
DE =


6.105 A

Năng lượng dao động (EV)

15 kcal

0.5 kcal

h = 6,63.10-34 J.s

Trong chân khơng:
c = 3.1010 cm.s-1

Bƣớc sóng tỉ lệ nghịch với mức năng lƣợng DE

15


TÍNH CHẤT CỦA SĨNG ĐiỆN TỪ
Độ lớn Vật lý

Chu kỳ

Tần số

Bước sóng

Ký hiệu

T

ν

λ

Đơn vị

s

Hz

μm, nm, Ao

cm-1

Định nghĩa

Thời gian
lan truyền
trong khơng
gian của 1
dao động
sóng hình
sin

Số chu kỳ
lan truyền
trong
khơng
gian trong
1 giây

Chiều dài của
một chu kỳ
sóng điện từ

Số chu kỳ
lan truyền
trong
khơng gian
trong 1 cm

Cơng thức

1
=
T

=

Số sóng



c




1






c


NHỮNG PHÂN TỬ HẤP THU TRONG VÙNG PHỔ IR ?
Chỉ những phân tử xuất hiện momen lưỡng cực (i.e. hệ thống
bất đối trong phân tử) mới hấp thu ánh sáng hồng ngoại

Nhóm chức carbonyl là một trong những
“nhóm hấp thu" mạnh nhất

OdCd+

Cùng trong nhóm này cịn có: O-H và C-O
d-

Tia sang IR

+

+

- -

d+
C
O

C

O

d-

d+

d-

d+

O H

C

O

Năng lượng của photon ánh sáng
IR được chuyển vào lưỡng cực dao
động của liên kết này

Mỗi phân tử hấp thu một vùng phổ IR xác định:

 Mỗi loại liên kết (giữa hai nguyên tử) dao động trong một
vùng tần số xác định
 Hai phân tử có cùng nhóm chức thì hấp thu trong cùng một
17
vùng phơ IR


NHỮNG PHÂN TỬ KHÔNG HÂP THU TRONG VÙNG PHỔ IR ?

• Những alken và alkyn có cấu trúc đối xứng
R

R

R

R

R C C R

• Những phân tử có cùng hai ngun tử đối xứng
H-H

Cl-Cl

• Những phân tử nhỏ có hai ngun tử không
phân cực: NaCl, KBr, NaBr …
18


Số dao động cơ bản
 Giả sử phân tử có N nguyên tử, mỗi nguyên tử
được xác định bởi 3 phương chuyển động trong tọa

độ Descartes tức là có 3N bậc tự do, trong đó 3 bậc
tự do mơ tả chuyển động tịnh tiến và 3 bậc tự do mô

tả chuyển động quay của phân tử xung quanh trục.

Như vậy nói chung phân tử có N nguyên tử sẽ có

(3N – 6) dao động cơ bản

19


Đƣờng cong thế năng của dao động điều hòa – ĐL Hook
Dao động điều hòa

EV

Đƣờng Morse

 Thế Năng của dao dộng co dãn
trong phân tử hai nguyên tử
 Thế năng = thế năng của dao
dộng điều hòa
rmin

rO

rmax

Khỏang cách r

20