Bài giảng vật lý - Phổ hồng ngoại docx

Chương1.PHỔ HỒNG NGOẠI
Infrared (IR) spectroscopy
1. Cơ sở lý thuyết:
Năng lượng lượng tử (của photon ánh sáng) được xác định bởi
công 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 10
10
(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 hồng
ngoại là µm ( 1 µm = 10
- 4
cm) và thay cho tần số (Hz), người ta sử dụng đơn
vị là số sóng:
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 %.
1. Khi phân tử hợp chất hữu cơ “va chạm” với chùm sóng điện từ sẽ
hấp thu một năng lượng tương ứng với bước sóng xác định nào đó
của tia tới và không hấp thu các chùm tia có bước sóng khác.
2. Nếu ta chiếu mẫu chất hữu cơ một

sóng điện từ với các bước sóng
khác nhau và sau đó xác định xem
bước sóng nào bị hấp thu, bước
sóng nào không thì chúng ta sẽ có
được một phổ hấp thu của mẫu đó.
Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng
nằm giữa vùng trông thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành
3 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 nằm
trong vùng có số sóng 4000 - 400 cm
-1
.
Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao
động của các phân tử do đó là các thông tin về cấu trúc của các
phân tử
Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:
Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng
các yêu cầu sau:
- Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ
hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần
phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo

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 hấp thụ
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 sự
biến thiên momen lưỡng cực của chúng.
Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường, trường đó sẽ tác dụng
các lực lên các điện tích trong phân tử - Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các
lực theo 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 một
cách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thay
đổi 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 thụ
bức xạ mạnh và sẽ có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động
của 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 hiện
phổ dao động. Ví dụ O
2
, N
2
v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại. Đó
cũng là một điều may mắn, nếu không người ta phải đuổi hết không khí ra khỏi
máy 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 là
khoảng cách giữa hai nhân của nguyên tử A và B, r là không phải không đổi
mà ở những điều kiện xác định sẽ dao động từ giá trị nhỏ nhất r
min

đến giá trị
lớn nhất r
max
. Từ r
min
sang r
max
, r có đi qua giá trị cân bằng r(e), là giá trị có xác
suất lớn nhất của r. Người ta nói phân từ AB đã thực hiện chuyển động dao
động nội tại .
Khi kéo dãn AB hoặc nén AB thì sẽ có sự thay đổi r cân bằng của AB ở trạng
thái bình thường. Sự chênh lệch r đó gọi là ∆r. Lúc đó sẽ xuất hiện 1 lực F kéo
AB 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 có
khối 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 của
phân tử nước theo mô hình dưới đây :
Hai nguyên tử và liên kết nối chúng với nhau được coi là một dao động kế đơn
giản bao gồm hai khối lượng liên kết với nhau bằng một lò xo. Từ định luật
Hooke, ta có thể nhận được phương trình sau đây :
f: hằng số lực liên kết (Nối đơn f = 5.10
5
dyn/cm; Nối đôi f = 10.10
5
dyn/cm;
Nối ba f = 15.10
5
dyn/cm)

m
H
= 1 / 6.02.10
23
m
C
= 12 / 6.02.10
23


1.2. Tương quan giữa phổ dao động và cấu trúc phân tử
Các nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử có các
đám phổ hấp thụ hồng ngoại đặc trưng khác nhau .
Mặc dù phương pháp phổ dao động là một trong những phương pháp hữu hiệu nhất để xác định
các chất về định tính cũng như định lượng, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học
cũng như trong kiểm tra công nghiệp, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định:
- Bằng phương pháp phổ hồng ngoại không cho biết phân tử lượng (trừ trường hợp đặc biệt).
-
Nói chung phổ hồng ngoại không cung cấp thông tin về các vị trí tương đối của các nhóm chức
khác nhau trên một phân tử.
- Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có
trường hợp 2 chất có phổ hồng ngoại giống nhau.
1.3. Ứng dụng :
1. Nhận biết các chất - Trước khi ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta đã
có thể có nhiều thông tin về hợp chất hoặc hỗn hợp cần nghiên cứu,
như: trạng thái vật lý, dạng bên ngoài, độ tan, điểm nóng chảy, điểm
cháy.
Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hay hỗn hợp.
Sau khi ghi phổ hồng ngại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất hữu cơ
thì trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn của H để xác định

xem mẫu thuộc loại hợp chất vòng thơm hay mạch thẳng hoặc cả
hai. Sau đó nghiên cứu các vùng tần số nhóm để xác định có hay
không có các nhóm chức.
Trong nhiều trường hựp việc đọc phổ (giải phổ) và tìm các tần số
đặc trưng không đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất nghiên
cứu, nhưng có lẽ là có thể suy đoán được kiểu hoặc loại hợp chất.
2. Xác định độ tinh khiết.
3. Phân tích định lượng.