دید کلی

تقریبا تمامی ترکیباتی که پیوند کوالانسی دارند، اعم از آلی یا معدنی ، فرکانسهای متفاوتی ازاشعه الکترومغناطیسی را در ناحیه مادون قرمز طیف ، جذب می‌کنند. ناحیه مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی ، دارای طول موجی بلندتر از طول موج نور مرئی (با طول موج تقریبی nm 800 - 400) و کوتاهتر از طول موج مایکروویو (باطول موج بلندتر از 1mm) است.

در شیمی ، ما فقط به بخش ارتعاشی ناحیه مادون قرمز علاقمندیم. این بخش ، طول موجی بین 2.5 μ را شامل می‌شود.

فرآیند جذب مادون قرمز

مانند انواع دیگر جذب انرژی ، موقعی که مولکولها ، اشعه مادون قرمز را جذب می‌کنند، به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می‌گردند. جذب تابش مادون قرمز مانند هر فرآیند جذب دیگر ، یک فرآیند کوانتایی است، بدین صورت که فقط فرکانسهایی مشخص از تابش مادون قرمز توسط مولکول جذب می‌گردد. جذب تابش مادون قرمز با تغییر انرژی بین (KJ/mol (8-40 همراه است.

تابشی که دارای چنین انرژی باشد، فرکانسهای ارتعاشی کششی و خمشی پیوندهای کوالانسی اکثر مولکولها را شامل می‌گردند. در فرآیند جذب ، فرکانسهایی از اشعه مادون قرمز که با فرکانسهای ارتعاشی طبیعی مولکول مورد نظر تطبیق کند، جذب خواهد شد و انرژی جذب شده برای افزایش دامنه حرکت ارتعاشی اتصال موجود در مولکول بکار گرفته می‌شود. باید توجه داشت که تمامی پیوندهای موجود در مولکول ، قادر به جذب انرژی مادون قرمز نیستند، حتی اگر فرکانس اشعه ، کاملا با فرکانس حرکت تطبیق کند.

فقط آن پیوندهایی که دارای گشتاور دو قطبی هستند، قادر به جذب انرژی مادون قرمز خواهند بود. پیوندهای متقارن ، مثلا پیوند موجود در H₂ و Cl₂ ، اشعه مادون قرمز را جذب نمی‌کنند. یک پیوند باید خصلت یک دوقطبی الکتریکی را از خود بروز دهد که این دوقطبی با همان فرکانس اشعه ورودی متغیر است تا انتقال انرژی صورت پذیرد. بنابراین پیوندهای متقارن در مادون قرمز جذب نمی‌دهد.

اکثر پیوندهایی که چنین پدیده‌ای را دارند، پیوندهای موجود در آلکنهای متقارن و در آلکینهای متقارن هستند.

موارد استفاده از طیف مادون قرمز

چون هر پیوند ، دارای فرکانس ارتعاش طبیعی خاصی است و نیز چون یک پیوند بخصوص در دومولکول مختلف در دو محیط متفاوت قرار دارند، بنابراین ، هیچگاه دو مولکول با ساختمانهای متفاوت جذب مادون قرمز یا به عبارت بهتر طیف مادون قرمز مشابهی نمی‌دهند. اگر چه ممکن است که بعضی از فرکانسهای جذب شده در دو مولکول مشابه باشند، اما هیچگاه دو مولکول مختلف ، طیف مادون قرمز کاملا یکسانی را نخواهند داشت. بنابراین طیف قرمز را می‌توان مانند اثر انگشت در انسان برای شناسایی مولکولها بکار گرفت.

با مقایسه طیف مادون قرمز دو ماده که تصور می‌رود مشابه باشند، می‌توان پی برد که آیا واقعا آنها یکی هستند یا نه. اگر تمام جذبها در طیف دو مولکول بر یکدیگر منطبق شوند، آن وقت به احتمال قریب به یقین دو ماده یکسان هستند. کاربرد دوم طیف مادون قرمز که مهمتر از اولی است، این است که طیف مزبور ، اطلاعاتی راجع به ساختمان یک مولکول می‌دهد. جذبهای مربوط به هر پیوند (C≡N و C─C و C=O و C─X و O─H و N─H و ...) در بخش کوچکی از ناحیه ارتعاشی مادون قرمز یافت می‌شوند.

بعنوان مثال ، هر جذبی که در ناحیه 3000 ± 150() قرار داشته باشد، تقریبا همیشه نشان دهنده وجود اتصال (C─H) در هر مولکول است. نواحی کوچکی که در مادون قرمز ارتعاشی توسط انواع مختلف پیوندها اشغال می‌شوند. نواحی کوچکی که در مادون قرمز ارتعاشی توسط انواع مختلف پیوندها اشغال می‌شوند، در جدول زیر نشان داده شده اند:

طول موج (μm)15.46.56.15.5542.5C─ClC=NC=Oتعداد بسیار اندکی نوار C≡CC─H,O─HC─O     C─N   C≡N C─CC=C  N=C=N,O,C,S650155016501800200025004000فرکانس ()

حرکات ارتعاشی و خمشی

ساده ترین انواع حرکات ارتعاشی ، در مولکول که در نایحه مادون قرمز فعال بودهع به عبارتی موجب ایجاد جذب می گردد، حرکات کششی و خمشی هستند. انواع پچیده‌تر دیگری از حرکات کششی و خمشی نیز وجود دارند که در طیف مادون قرمز فعال هستند. معمولا ارتعاشات کششی نامتقارن دارای فرکانسهای بالاتر (طول موجهای پایینتر) از ارتعاشات کششی متقارن هستند و نیز ارتعاشات کششی بطور کلی در فرکانسهای بالاتری نسبت به ارتعاشات خمشی واقع می‌شوند.

هر گروهی که شامل سه اتم یا بیشتر است و حداقل دو اتم در آن گروه یکسان باشند، دو حرکت کششی را ایجاد خواهند کرد: حرکات متقارن و حرکات نامتقارن. مثالهایی در این مورد: ، ، ، و ایندریدها هستند. گروه متیل ، ارتعاش کششی متقارن خود را در حدود 28722 و کشش نامتقارن را در 2962 می‌دهد. در ایندرید بخاطر حرکت کششی متقارن و نامتقارن ، این گروه دو جذب در ناحیه می‌دهد.

پدیده مشابهی برای گروه آمین دیده می‌شود، بطوری که یک آمین نوع اول معمولا دو جذب در ناحیه کششی داشته ، در حالی که یک آمین نوع دوم () فقط یک قله یا جذب می‌دهد. آمیدها نیز جذبهای مشابهی را از خود نشان می‌دهند. گروه نیترو دو جذب کششی قوی N≡O می‌دهد. کششی متقارن آن در حدود 1350 و کششی نامتقارن آن در 1550 ظاهر می‌گردد.

خصوصیات پیوندها و طرز محاسبه فرکانس جذب آنها

حال ما چگونگی تاثیر قدرت پیوند و نیز اجرام اتمهای متصل را بر فرکانس جذب مادون قرمز بررسی می‌کنیم. برای سهولت ، ما بحث را به یک مولکول دو اتمی با دو اتم متفاوت و ارتعاشات کششی آن محدود می‌سازیم. یک مولکول دو اتمی را می‌توان بصورت دو جرم ارتعاش کننده که بوسیله یک فنر بهم متصلند، در نظر گرفت. طول پیوند مرتبا در حال تغییر است، ولی می‌توان یک تعادل یا طول پیوند میانگین را برای آن در نظر گرفت.

هرگاه فنر کشیده یا فشرده شود، بطوری که از این طول میانگین تجاوز کند، انرژی پتانسیل سیستم افزایش می‌یابد، همانند یک نوسانگر هارمونیک بوسیله ثابت نیروی (K) فنر یا سختی آن و اجرام ( و ) دو اتم متصل تعیین می‌گردد. فرکانس طبیعی ارتعاشی از قانون هوک در مورد فنرهای ارتعاش کننده مشتق شده است.

تاثیر نوع پیوند

هر چه پیوند مستحکمتر باشد، ثابت نیروی k بزرگتر بوده و در فرکانس بالاتری نسبت به پیوندهای ضعیف قرار می‌گیرد. در ضمن ، پیوند بین اتمهای با اجرام سنگین (μ بزرگتر) و در فرکانس پایینتری نسبت به پیوند بین اتمهای با اجرام سبک ارتعاش می‌کنند. بطور کلی ، پیوندهای سه گانه قویتر از پیوندهای دو گانه یا ساده بوده و دارای فرکانس ارتعاشی بالاتر هستند.

تاثیر جرم اتمها

هر قدر جرم اتمهای متصل به کربن فزونی یابد، کمیت μ افزایش یافته و فرکانس ارتعاشی کاهش می یابد.

تاثیر هیبریداسیون

نوع هیبریداسیون نیز بر ثابت نیرو تاثیر می‌گذارد، بطوری که قدرت پیوندها به ترتیب <<خواهد بود و فرکانسهای ارتعاشی CH آنها بصورت زیر تغییر می‌کند:

تاثیر نوع حرکت

حرکت خمشی راحت تر از حرکت کششی صورت می‌پذیرد و ثابت نیروی K برای آن کوچکتر است.

CH خمشیCH کششی1340cm3000cm

تاثیر رزونانس

رزونانس نیز بر روی قدرت و طول پیوند و طبیعتا بر روی ثابت نیرو (K) تاثیر می‌گذارد. یک کتون معمولی دارای ارتعاش کششی C═O در ناحیه 1715است، در حالی که کتون مزدوج با یک پیوند دو گانه در فرکانس پایینتری نزدیک 1675-1630.

فهرست مطالب:

موج الکترومغناطیس

مولکول HCL

کاربرد اشعه الکترومغناطیس

اشعه گاما

اشعه ایکس

اشعه فرابنفش

ماکروویو

امواج رادیویی

پارازیت

علت نامگذاری مادون قرمز

روابط الکترومغناطیسی

کاربردهای مادون قرمز

انواع حرکات کششی

ارتعاش کششی

ارتعاش خمشی

تعداد حالات ارتعاشی

قانون هوک

محاسبه فرکانس کششی

منابع نور در طیف سنجی مادون قرمز

منبع افروزه نرنست

منبع گلوبار

لامپ فیلامان تنگستن

منبع قوس جیوه

منبه سیم ملتهب

سل ها

تهیه نمونه برای طیف سنج مادون قرمز

مایعات

جامدات

روش های تهیه نمونه جامد

گازها

آشکارسازها

آشکارسازهای حرارتی

انواع آشکارسازهای حرارتی

ترموکوپل

بولومتر

آشکارسازهای پیروالکتریک

آشکارساز فوتورسانا

تکفام سازها و قطعات نوری

دستگاه طیف سنج مادون قرمز

دستگاههای تفکیکی

دستگاههای تبدیل فوریه

انواع دستگاههای تفکیکی

دستگاه نوری صفر کننده

دستگاه ثبت کننده نسبت

مزایا و معایب استفاده از سیستم دو پرتویی

طیف سنج تبدیل فوریه

تداخل سنج مایکلسون

روش طیف گیری با دستگاه FT-IR

و...