Ćwiczenie 2

Jakościowa analiza stałych produktów syntezy aerozolowej z wykorzystaniem spektroskopii w podczerwieni FT-IR.             

Spektroskopia w podczerwieni (ang. IR – Infrared Spectroscopy) jest jedną z najczęściej stosowanych technik spektroskopowych w chemii organicznej i nieorganicznej. Polega ona na pomiarze absorpcji promieniowania podczerwonego o różnej długości fali przez badaną próbkę znajdującą się na drodze wiązki. Podstawową zaletą tej metody jest możliwość szybkiej analizy rodzaju grup funkcyjnych obecnych w próbce. Spektroskopia IR umożliwia badania substancji stałych (kryształy, proszki), cieczy i gazów.

Promieniowanie podczerwone jest częścią widma promieniowania elektromagnetycznego o długościach fal zawartych w zakresie 0,78 – 1000 μm. Od strony wyższych częstotliwości (krótszych długości fal) graniczy z promieniowaniem widzialnym (czerwień) a od strony niższych częstotliwości z promieniowaniem mikrofalowym (Rys. 1).

Rys. 1. Zakres częstotliwości promieniowania elektroamgnetycznego.

Zasada metody

              W temperaturze powyżej zera absolutnego wszystkie atomy w cząsteczkach znajdują się w ciągłych ruchach wibracyjnych względem siebie. Jeśli częstotliwość tych wibracji jest równa częstotliwości promieniowania podczerwonego przechodzącego przez cząsteczkę, to cząsteczka absorbuje energię tego promieniowania. Każdy atom ma trzy stopnie swobody (x, y, z). Cząsteczka wieloatomowa złożona z n atomów posiada natomiast 3n stopni swobody.

W zależności od budowy przestrzennej cząsteczki i ilości atomów składających się na nią możemy rozróżnić następujące rodzaje drgań:

-         drgania walencyjne (rozciągające, Rys. 2)

o       symetryczne

o       antysymetryczne

Rys. 2. Symetryczne i antysymetryczne drgania rozciągające w cząsteczce.

-         drgania deformacyjne (Rys. 3)

o       płaskie

§         kołyszące

§         nożycowe

o       niepłaskie

§         wachlarzowe

§         skręcające

Rys. 3. Drgania deformacyjne: kolejno od lewej – kołyszące, nożycowe, wachlarzowe, skręcające.

Absorbowana energia promieniowania jest równa energii drgań występujących w cząsteczce. Powoduje to występowanie dyskretnych, skwantowanych poziomów energetycznych zawiązanych z absorpcją.  Ponieważ ruchom wibracyjnym zazwyczaj towarzyszą ruchy rotacyjne (obroty), to wypadkowa energia absorbowana przez cząsteczkę nie ma postaci pojedynczej dyskretnej linii, ale tworzy tzw. pasmo absorpcyjne.

Położenia pasm absorpcyjnych zazwyczaj przedstawiane są za pomocą liczby falowej lub długości fali promieniowania przy jakiej następuje absoprcja. Liczba falowa określa liczbę fal na jednostkę długości i jest wprost proporcjonalna do częstotliwości (jak również energii) promieniowania. Jednostką liczby falowej jaką najczęściej spotyka się w badaniach IR jest [cm-1] (centymetr odwrotny). Długość fali jest natomiast odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości (energii) i podaje się ją w [μm].

Widmo absorpcyjne jest przedstawiane w układzie współrzędnych x,y, gdzie na osi x jest liczba falowa (długość fali) promieniowania podczerwonego, a na osi y intensywność absorpcji lub procent transmitancji.

              Transmitancja (T) jest wielkością określającą moc promieniowania jaka przeszła przez próbkę (I) w stosunku do mocy promieniowania padającego na próbkę (I0). Najczęściej podaje się ją w procentach (0-100%). Drugą wielkością związaną z widmami absorpcyjnymi jest absorbancja (A). Jest ona logarytmem dziesiętnym z odwrotności transmitancji.

Obszar podczerwieni wykorzystywany w badaniach podzielony jest na trzy części: bliską podczerwień (near IR), średnią podczerwień (mid IR) i daleką podczerwień (far IR). W analizie chemicznej najcześciej wykorzystywany jest obszar średniej podczerwieni (4000 – 400 cm-1) ponieważ w tym zakresie leżą pasma absorpcyjne związane z wiązaniami chemicznymi  w grupach funkcyjnych najczęściej spotykanych związków chemicznych (szczególnie organicznych). Zakres średniej podczerwieni można podzielić na kilka charakterystycznych obszarów:

1000- 600 cm-1  - występują drgania deformacyjne poza płaszczyzną wiązań C-H w układach aromatycznych i alkenylowych

1500-1000 cm-1  - obszar wykorzystywany do identyfikacji (analizy jakościowej)

- drgania rozciągające wiązań pojedynczych atomów o zbliżonych masach: C-C, C-N, C-O, drgania deformacyjne różnych wiązań, drgania szkieletowe cząsteczki

2000-1500 cm-1 drgania rozciągające wiązań podwójnych C=C, C=N, N=N, N=O

2500-2000 cm-1 drgania rozciągające wiązań potrójnych C≡C , C≡N

4000-2500 cm-1 drgania rozciągające wiązań pojedynczych pomiędzy atomami znacznie różniącymi się masą np. C-H, O-H, N-H, S-H

Pasma te są schematycznie

W tabeli 1 zawarto informacje na temat położenia pasm absorpcyjnych typowych związków organicznych a Rys. 4 przedstawia przykładowe widmo IR dla etanolu.

Tabela 1. Położenie pasm absorpcyjnych dla typowych związków organicznych.