بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
آشنایی مقدماتی با آنالیز FT-IR
اسلاید 2 :
ورود به بحــــث
در این مجال قصد داریم به صورت مفهومی با اصول و عملکرد طیف سنجی IR بپردازیم . فهرست مطالب این بحث در لیست زیر خلاصه شده است .
مفاهیم مقدماتی
شرط جذب انرژی مادون قرمز
اصول کلی طیف سنجی IR
دیگر نکات مفید
پ.ن : چون این مطلب برای پذیرفته شدگان مرحله دوم المپیاد نانو آماده شده است به دلیل تفاوت سنی پذیرفتگان سعی می شود که مطلب از سطوح پایه آغاز شود .
اسلاید 3 :
مفاهیم مقدماتی – الکترونگاتیوی و قطبیت مولکول
الکترونگاتیوی یا الکترونگاتیویته یک اتم میزان تمایل نسبی آن اتم برای کشیدن الکترونهای یک پیوند به سمت هسته خود است. هرچه عنصری تمایل بیشتری به گرفتن الکترون داشته باشد الکترونگاتیوتر است. الکترونگاتیوی متفاوت دو اتم درگیر در یک پیوند موجب نامتوازن پخش شدن ابر الکترونی احاطه کننده ی دو اتم می شود ، این پدیده را قطبیت مولکول می نامند و مولکولی که ایر الکترونی به صورت متقارن توزیع نشده باشد را مولکول قطبی گویند .
به عنوان مثال شکل زیر مولکول هیدروژن فلوراید را نشان می دهد که چون الکترونگاتیوی فلوئور بیشتر از هیدروژه است بخش بیشتری از ابر الکترونی را به سمت خود جذب کرده است . این مولکول یک مولکول قطبی است .
اسلاید 4 :
مفاهیم مقدماتی – دوقطبی الکتریکی و دوقطبی در مولکول
دوقطبی الکتریکی ، جدایش بارهای الکتریکی است. سادهترین حالت آن را میتوان ترکیبی از بار مثبت و بار منفی با اندازه یکسان و فاصله مشخص در نظر گرفت. شکل رو به رو یک دو قطبی الکتریکی را نشان می دهد :
در مولکول های قطبی نیز به دلیل پخش نامتقارن ابر الکترونی و پدیده قطبیت نوعی جدایش بار الکتریکی و تولید نوعی دوقطبی الکتریکی وجود دارد که بار ها به صورت جزیی از بار تعریف می شوند . مانند شکل رو به رو که دوقطبی های موجود در مولکول آب را نشان می دهد .
با توجه به شکل می بینیم که روی اتم های هیدروژن جزیی بار مثبت و روی اتم اکسیژن دو جز بار منفی قرار گرفته است که تقسیم بار به این شکل به خاطر الکترونکاتیوی بیشتر اکسیژن نسبت به هیدروژن است .
اسلاید 5 :
مفاهیم مقدماتی – گشتاور دو قطبی
اسلاید 6 :
مفاهیم مقدماتی – نیم سیکل و سیکل کامل یک پیوند
اسلاید 7 :
نکته اساسی در جذب انرژی امواج مادون قرمز
اساسی ترین مساله در فهم ساز و کار آنالیز مادون قرمز نکته زیر است :
شرط جذب انرژی امواج مادون قرمز توسط مولکول ها این است که گشتاور دو قطبی مولکول در حین ارتعاش تغییر کند .
نکته ای که از شرط بالا استنباط می شود این است که باید مولکول بردار گشتاور دوقطبی داشته باشد تا بتواند با جذب انرژی و صرف آن در تغییر بردار گشتاور ، پیک های خاصی در طیف آنالیز مادون قرمز تولید کند .
اسلاید 8 :
بررسی عمقی تر مساله جذب در آنالیز مادون قرمز
در صفحه قبل دیدیم که برای جذب انرژی امواج ، مولکول باید قطبی و داراری بردار گشتاور دوقطبی باشد . در ادامه قصد داریم این مساله را کمی دقیق تر بررسی کنیم .
در ابتدا با انواع ارتعاشات مولکولی آشنا می شویم . دسته بندی کلی ارتعاشات مولکولی به صورت زیر است :
اسلاید 9 :
بررسی عمقی تر مساله جذب در آنالیز مادون قرمز
برای فهم دقیق انواع ارتعاشات مولکولی به تصاویر زیر دقت کنید :
کششی – متقارن
کششی – نا متقارن
خمشی – Scissoring
خمشی - Rocking
خمشی - Wagging
خمشی – Twisting
اسلاید 10 :
بررسی عمقی تر مساله جذب در آنالیز مادون قرمز
حال به بررسی چگونگی بردار گشتاور دو قطــبی در یک مولکول با دو نوع ارتعاش کششــی متقارن و نامتقارن می پردازیم . مولکول مورد بررسی ما CO2است . مولکول دی اکسیـــد کربن را اگر در حالت ساکن فرض کنیم یک مولکول خنثی فرض می شود اما اگر ارتعاشات را در حالت آن لحاط نماییم با شرایط متفاوتی از نگاه قطبیت روبه رو خواهیم شد که در ادامه به بررسی این مسئله می پردازیم .
الف ) مولکول دی اکسید کربن با ارتعاشات کششی متقارن : در این حالت در هر دو نیم سیکل جهت کشش های دو اتم اکسیژن با هم هماهنگ است و این مساله موجب خنثی شدن دو بردار گشتاور دوقطبی های موجود می شود. به شکل زیر نگاه کنید .
اسلاید 11 :
بررسی عمقی تر مساله جذب در آنالیز مادون قرمز
در نتیجه در همه زمان ها بردار برآیند گشتاور دوقطبی برابر صفر خواهد بود (دوبردار هم اندازه و خلاف جهت هم) در نتیجه مولکول باز هم در حالت کلی یک مولکول ناقطبی باقی خواهد ماند .
ب ) مولکول دی اکسید کربن با ارتعاشات کششی نامتقارن : در این نوع ارتعاش با توجه به ناهماهنگی بین دو بردار گشتاور دو قطبی موجود در هر دو نیم سیکل ، بردار برآیند گشتاور دوقطبی مولکول برابر صفر نخواهد بود . به شکل زیر توجه کنید .
می بینیم که دو بردار به یک اندازه نیستند و در نتیجه بردار برآیند گشتاور دوقطبی (که با رنگ نارنجی نشان داده شده است) مخالف صفر است و در نتیجه مولکول قطبی خواهد بود و در ضمن شرط لازم برای جذب یعنی دارا بودن بردار گشتاور دوقطبی را هم مهیا می کند .
حال با گذر از این مباحث مقدماتی و آشنا شدن با زمینه های مورد نیاز ، برای فهم ادامه مطالب آماده شده ایم .
اسلاید 12 :
در مولکولها دو نوع ارتعاش وجود دارد که اصطلاحاً ارتعاشهاي کششي و خمشی ناميده ميشوند. ارتعاش کششي به دو صورت متقارن و نامتقارن تقسيمبندي ميشود . هر گاه يک نيم متناوب کششي نامتقارن رخ دهد، گشتاور دو قطبي در يک جهت تغيير مييابد و در نيم تناوب ديگر، گشتاور دو قطبي در جهت مخالف جابهجا ميگردد. بدين ترتيب گشتاور دو قطبي با فرکانس ارتعاشي مولکول، نوسان مينمايد( اين نوسان باعث ارتقاي مولکول به نوار جذبي مادون قرمز ميگردد و به همين علت آن را فعال مادون قرمز مينامند). در حالت ارتعاش کششي متقارن، دو اتم در يک نيم تناوب ارتعاشي، در جهات مختلف حرکت ميکنند که در اين صورت تغيير نهايي در گشتاور دو قطبي مولکول به وجود نميآيد و به همين علت آن را غيرفعال مادون قرمز مينامند. در اين حالت، تغيير در فواصل درون مولکولي، بر قابليت قطبي شدن پيوندها اثر ميگذارد. لذا در قطبش پذيري مولکول تغيير حاصل ميشود و اين حالتي است که در طيف سنجي رامان مورد توجه قرار ميگيرد.
شرط جذب انرژی مادون قرمز در نمونه (1)
اسلاید 13 :
برهمکنش تابش مادون قرمز با يک نمونه باعث تغيير انرژي ارتعاشي پيوند در مولکولهاي آن ميشود و روش مناسبي براي شناسايي گروههاي عاملي و ساختار مولکولي است. شرط جذب انرژي مادون قرمز توسط مولکول اين است که گشتاور دو قطبي در حين ارتعاش تغيير نمايد. در طيف الکترومغناطيسي ناحيه بين 400-0.8 میکرومتر مربوط به ناحيه مادون قرمز است ولي ناحيهايي که جهت تجزيه شيميائي مورد استفاده قرار ميگيرد، بين 50-0.8 میکرومتراست. ناحيه بالاتر ازµm 50را ناحيه مادون قرمز دور ، ناحيه بينµm 2.5- 0.8ناحيه مادون قرمز نزديک و ناحيه بين 25-8µm را ناحيه اثر انگشت مينامند. هر جسم در اين ناحيه يک طيف مخصوص به خود دارد که براي شناسايي گروههاي عاملي آن به کار ميرود.
شرط جذب انرژی مادون قرمز در نمونه (2)
اسلاید 14 :
همانند دیگر انواع جذب انرژی، مولکول ها با جذب پرتو IR به حالت انرژی بالاتر انتقال می یابند. یک مولکول تنها فرکانس های (انرژی های) مشخصی از تابش IR را جذب می کند. جذب پرتوی IRمتناظر با تغییرات انرژی در گسترۀ 8 الی 40 کیلوژول بر مول می باشد که در محدودۀ فرکانس های ارتعاشی پیوندها در اغلب مولکول های کووالانت است. در فرآیند جذب، فرکانس هایی از تابش IR که با فرکانس های ارتعاشی مولکول های مورد نظر (مجهول) تطابق دارد جذب می شوند که این مطلب باعث افزایش دامنۀ حرکات نوسانی باندها در مولکول می شود. همانطور که در قسمت قبل ذکر شد، تمام پیوندهای موجود در یک مولکول علی رغم تطابق مذکور قادر به جذب انرژی نبوده و تنها آنهایی که دارای گشتاور دوقطبی الکتریکی متغیر با زمان هستند قادر به جذب امواج IR می باشند. پیوندهای متقارن نظیر آنچه در ترکیبات H2 و Cl2 وجود دارد، جذب IR را انجام نمی دهند. تغییر در دو قطبی الکتریکی پیوند باعث تغییرات در میدان الکتریکی موج فرودی می شود و این به معنای تغییر در توان تابشی یا همان شدت موج الکترومغناطیسی فرودی میباشد.
اصول کلی طیف سنجی IR
اسلاید 15 :
طیف خروجی آنالیز مادون قرمز ، طیفی جذبی را نشان می دهد .
با توجه به اینکه مواد ترکیب خاص دارند ، هیچ دو ماده ای طیف دقیقا مشابهی ندارد .
طیف سنجی مادون قرمز برای شناسایی کیفی هر نوع ماده ای مورد استفاده قرار می گیرد .
اندازه پیک ها به طور مستقیم نشان دهنده ی اندازه کمی (مقدار ماده) موجود است .
طيف مادون قرمز را براي جامدات (به شكل قرص با پودر KBr يا فيلم ) و برای مايعات ( به شكل رقيق شده در حلال هاي آلي ) مي توان تهيه كرد.
دو نوع دستگاه طیف سنج مادون قرمز در آزمایشگاههای شیمی آلی بطور معمول مورد استفاده قرار میگیرد؛ دستگاههای تفکیکی (پراکندگی) و تبدیل فوریه (FT) گرچه هر دو دستگاه، طیف¬های تقریبا یکسانی را برای یک ترکیب مشخص ارائه میدهند، ولی طیف سنج مادون قرمز FT ، طیف مادون قرمز را به مراتب سریعتر از دستگاههای تفکیکی تولید میکنند.
در آنالیز FT-IR از فرمول های تبدیل فوریه برای بدست آمدن خروجی آنالیز سود می بردند به همین دلیل است که در نام آن از FT : Fourier transform در نام آن استفاده می کنند .
