Инфрақызыл аймақтағы абсорбциялық талдау

Инфрақызыл аймақтағы абсорбциялық талдау. Электромагниттік сәуле шығарудың орташа инфрақызыл аймағының шартты диапозоны 2-ден 50 мкм-ге (500 - 200 см⁻¹) дейін ғана молекуладағы атомдардың тербелуі мен айналуына байланысты. Ауыр атомдардың тербелісі, молекулалардың айналу қозғалыстары алыс ИҚ-айқмақтарында 50-1000 мкм немесе 200 - 10⁻¹ см жиілікке ие болады. 3600 және 300 см⁻¹ аралығында аналитикалық пайдалы аймақ жатыр. ал 20 см⁻¹-ден төмен сәуле шығару жиіліктері бар микротолқын немесе радиотолқын аймағына тиесілі.

Негізгі электрондық күйде болатын ИҚ-спектрлері молекуланың екі тербелмелі деңгейлерінің арасындағы ауысуды камтамасыз етеді. Молекула ИҚ-диапозондағы сәуле шығарудың квантын сіңіргенде, едәуір жоғары тербелмелі деңгейге өтуі мүмкін. Қалыпты температурада молекула негізгі күйден қозған күйге ауысады.

Молекулалар тербелуінің толқын (жиілік) саны тербеліп тұрған атомдар массасына m және К күш тұрақтысына байланысты, ал ол тұрақты молекулада атомдар ядросының тепе-теңдік күйінен ауытқығанда пайда болатын квази серпімділік күштерді сипаттайды. ИК-спектрінде активті тербелістер молекуланың дипольдік моментін периодты тұрде өзгертіп тұрады.

Тербеліс кезінде өзгеріс неғұрлым күшті болса, соғұрлым сіңіру жолағы да интенсивті. Жалпы N атомдардан тұратын молекула декарт координаттарына сәйкес (x, y, z) 3N еркіндік дәрежесіне ие. Сызықтық емес молекула үшін үш еркіндік дәреже ілгерілемелі және 3 айналмалы козғалыс жасайды. Қалған 3N-6 еркіндік дәреже тербелмелі қозғалыс жасайды. Сонымен, сызықтық емес молекула 3N-6 іргелі (негізгі) тербеліске ие. Сызықтық молекулалар 3N-5 тербелмелі еркіндік дәрежесіне немесе тербелістерге ие. ИҚ-спектрлерде, негізгі жиіліктен басқа, құраушы жиілік пен обертондар әлсіз жолақ түрінде байқалады.

Тербелістерді валенттігі мен деформациясына карай бөлу шартты ұғым болып табылады, өйткені валенттік тербеліс қандай да болмасын белгілі бір дәрежеде бұрыштар майысып өзгереді де, осыған қарай байланыс ұзындыктарының өзгеруі орын алады. Негізгі тербелістердін теориялық саны (толқын саны немесе сіңіру жиіліктері) сирек байқалады, себебі жолақтар саны обертондар мен құраушы жиіліктер есебінен көбейеді, жоғарғы симметриялы молекулаларда жиіліктің есебінен, кездейсоқ төмендеу (негізгі тербелістер жақын және рұқсат етілмейді) есебінен азаяды. Сондай-ақ бақылау үшін кейбір негізгі тербеліс жолақтары интенсивтігінің жетіспеушілігінен немесе сіңіру жолағы аспаптың қалыпты жұмыс аймағынан тысқары (4000 - 400 см⁻¹) жатуынан азаяды.

Обертондар қандай да бір тербеліс жиіліктеріне еселі болатын жиілікке сәйкес келеді. Құраушы жиіліктер - қандай да бір негізгі жиіліктердің қосындысы немесе айырмасы. Электрондық спектрлердегідей ИҚ-жолақтарының сіңіру интенсивтігі өткізу шамасымен (%) және оптикалық тығыздықпен сипатталады.

Инфрақызыл абсорбциялық спектроскопия әдісі - аналитикалық химия мәселелерін шешуде ыңғайлы әдіс. Сіңірудің тербелмелі ИҚ-спектрлері арқылы сапалық талдаудың мына мәселелерін шешуге болады:

• жеке заттарды анықтау (заттарды теңестіру спектрлерінің ұқсастығы бойынша салыстыру);
• заттар қоспасынан зат ерітіндісіңің құрамын анықтау; функңионалды топтарды анықтау;
• қоспаға және жеке заттарға тән құрылымдық бөліктерді (атомдар тобы, еселік қатынастар, олардың молекуладағы өзара орналасуы және т.т.) анықтау.

Қазіргі кезде әр түрлі заттардың түрліше агрегаттық күйдегі тербелмелі спектрлері туралы үлкен тәжірибелік материал жинақталған. Бұлар жеке қосылыстар ИҚ-спектрлерінің атласы ретінде жарыққа шықты. Мұнда көптеген органикалық, элементорганикалық, бейорганикалық қосылыстардың, минералдардың, полимерлердің, т.б. спектрлері берілген.

Құрамында бірдей химиялық топтары бар молекулаларды эксперименттік және теориялық тұрғыдан зерттеу, молекуланың басқа бір бөлігінде өзгерістің болуына байланыссыз осы топтардың айтарлықтай тар аралықта жиілікті сіңіретіндігін көрсетті. Бұл тербелістердің жиілігі көптеген әр түрлі қосылыстардын спектрлерінде байқалады және ол "сипаттауыш" деп аталады. Олар молекуланың басқа тербелістерімен аз әрекеттеседі. Мұндай тербелістерге, мысалы, ЭХ топтарының тербелісі жатады, мұндағы Э =С, N, Р, 0, S, В; X = Н₁, Н₂, Н₃, Н⁰₄ және т. б. Валенттік және кейбір деформациялық тербелістерді құрайтын атомдар, масса айырмашылығы неғұрлым көп болса, соғұрлым осы атомдар тербелістерінің өзара әсері де аз болады. Массалары бойынша шамалас атомдар және күш тұрақтылығына жақын байланыстармен қосылған жағдайда, жеке байланыстарға жататын тербелістерді жеке бөліп алуға болмайды.

Химиялық косылыстардың әр түрлі топтарының түрліше ИҚ-спектрлерін сан рет өлшеу кезінде сіңіру жолақтары интенсивтігінің өзгеруін әрі оның қалпының ығысуын туғызатын ішкі факторлардың болатынын анықтады. Олар сипаттауыш тербеліс жиілігімен байланысты. Сыртқы факторларға өлшеу шарттары (агрегаттық күйі - газ, сұйық ерітінді, қатты) жатады. Ішкі (құрылымдық) факторлар негізінен белгісіз құрылымды анықтау үшін маңызды. Бұл жағдайда сыртқы фактордың ыкпалын азайту үшін, мүмкіндігінше. өлшеуді полюссіз еріткіштерде өткізу ұсынылады.

Жеке косылыстардың, оптикалық материалдар мен қолданатын еріткіштердің ИҚ-спектрлерінің атласын, сондай-ақ сипаттауыш топтық жиіліктердің (әр түрлі атомдар тобы) реттеуші диаграммалары мен кестелерін, жалпы және арнаулы білімдерді пайдаланып, зерттеуші химик-аналитик сапалық спектрофотометрлік талдаудын мәселелерін ойдағыдай шеше алады:

• талданатын қосылыстағы құрылымды элементтерге тән қасиеттерді (функңионалдық талдау), олардың молекулада салыстырмалы орналасуын анықтау;
• зат ерітіндісінің немесе қоспаларының сапалық, кейде жартылай сандық құрамын анықтау;
• белгісіз заттарды салыстыру арқылы анықтау.

ИҚ-спектроскопияның көмегімен, сондай-ақ химиялық және әр түрлі, оның ішінде өнеркәсіптік өндіріс өнімдерін алу үшін технологияның тиімділігін жақсарту мақсатымен химиялық және технологиялық процестердің жүру жылдамдығын аныктау да мүмкін. Сапалық және сандық ИҚ-талдау заттар сынамасын таңдап алумен немесе газдар, ерітінділер не сұйық өнімдердің реакциялық ағымында орындала алады.

Сандық ИҚ-спектроскопияны әр түрлі мәселелерді шешуге қолданады, мысалы, кварц бөлшектерімен ауаның ластануын, сүттегі майдың, белоктың және қанттың мөлшерін, қандағы және жүрек бұлшық етіндегі көміртегін, қатты тасымалдауыштардағы сорбенттерді анықтау. Көптеген жағдайларда ИҚ-талдау кезінде көп жұмысты талап ететін үлгіні даярлаудың кажеті жоқ. Ал қазіргі ЭВМ бар ИҚ-спектрофотометрлер мысалы, су ерітінділерінде биологиялық заттардың аз мөлшерін талдау кезінде оптикалық тығыздықтың кең диапозонында сандық анықтаудың дәлдігін, сезгіштігін әрі жылдамдығын едәуір арттыруға мүмкіндік береді.