ИК-спектроскопия
Инфракрасная спектрометрия чрезвычайно полезна для качественного определения органических соединений и для определения молекулярной структуры по их функциональным группам как органических, так и неорганических соединений.
В качественном анализе инфракрасная спектроскопия может использоваться для идентификации чистых веществ или для поглощения, локализации и идентификации примесей.
Для локализации примеси в веществе сравнивают спектр исследуемого вещества и образец чистого вещества. Примеси вызывают появление в спектре дополнительных полос поглощения.
В IR они также находят все более широкое применение в количественном анализе, основная область применения этого типа анализа — количественная оценка атмосферных загрязнителей, поступающих в результате промышленных процессов.
Часть электромагнитного спектра, простирающаяся от 0,8 до 1000 мкм (что соответствует волновому числу от 12800 до 10 см-1), считается инфракрасной областью, которая делится на три области, называемые:
а).- ИК рядом. b).- Основной или средний ИК-диапазон. c)- Дальний ИК-диапазон.
Каждый тип связи поглощает инфракрасное излучение на разной частоте, что позволяет определить, какой тип функциональных групп имеет исследуемая молекула. Инфракрасные спектрофотометры работают в среднем инфракрасном диапазоне и сканируют от 4000 см -1 до 400 см -1 .
Однако областью аналитического значения является основная ИК-область, поскольку большинство инфракрасных приборов покрывают эту область.
Большинство органических и неорганических материалов демонстрируют поглощение, и спектр обусловлен в первую очередь колебательным растяжением и изгибом внутри молекулы. Инфракрасный спектр является одним из наиболее характерных свойств соединения, так как не бывает двух одинаковых спектров для двух разных соединений, это как отпечаток пальца.
В пределах Фундаментальной ИК-области выделяют две области, одна из них – так называемая
функциональные группы от 4000 см-1 до 1300 см-1 и область пальцев от 1300 см-1 до 670 см-1.
В области функциональных групп положение пика поглощения выше или ниже в зависимости только от функциональной группы, в которой происходит поглощение, а не от полной молекулярной структуры. Положение пиков в области пальцев зависит от полной молекулярной структуры.
Характеристики, которыми должна обладать вибрация для создания полосы поглощения:
Падающее излучение должно иметь частоту, равную частоте создаваемой им вибрации.
Что результирующая вибрация вызывает изменение дипольного момента, то есть вибрация не будет поглощать инфракрасное излучение, если нет изменения дипольного момента, это называется неактивной вибрацией, и они будут активны, когда произойдет указанное изменение дипольного момент.
Традиционно ось x инфракрасных спектров использует количество волн ( ν ¯ , читается как «nu bar») и определяется как величина, обратная длине волны в сантиметрах. ν ¯ знак равно 1 λ . Ось Y представляет процент прошедшего излучения (коэффициент пропускания), который представлен % T . Форма инфракрасного спектра гексана показана ниже.
Полосы представляют области, где связи молекулы поглощают инфракрасное излучение. В полосах пропускание мало, а поглощение велико.
виды вибрации
Вибрация напряжения (растяжение). Атомы, удерживаемые вместе одинарными, двойными или тройными связями, движутся в направлении связи и удаляются, подобно тому как колеблются две массы, прикрепленные к пружине.
Различают два режима колебаний растяжения: симметричный и асимметричный.
изгибная вибрация. Атомы колеблются так, что углы меняются, а длины связей — нет. Различают четыре режима изгибных колебаний: ножницеобразные, раскачивающиеся, виляющие и скручивающие.
Эти два режима вибрации имеют место в плоскости, содержащей три атома, участвующих в вибрации.
Моды колебаний шага и кручения происходят вне плоскости (Out of plane) и обычно обозначаются Oop.
квантовый гармонический осциллятор
Молекулярные колебания можно изучать с помощью модели квантового гармонического осциллятора. Энергию дают:
Различные уровни энергии задаются квантовым числом v, которое принимает значения 0.1.2.3.4.....
h - постоянная Планка, а ν - частота осциллятора, которая определяется выражением:
где k — силовая постоянная пружины, а μ — приведенная масса системы.
Разделив частоту на скорость света, мы получим число волн ν ¯
Приведенное выше уравнение указывает на то, что небольшие приведенные массы (атомы с малой массой) и высокие силовые константы (сильные связи) приводят к высоким частотам. В этих условиях появляются полосы поглощения при больших волновых числах.
Как видно на графике, высокие частоты приводят к большему расстоянию между энергетическими уровнями.
Низкие частоты поглощения
Приведенное выше уравнение также указывает на то, что большие приведенные массы и малые силовые постоянные (слабые связи) приводят к низким частотам. В этих условиях полосы поглощения проявляются при малых волновых числах.
Как видно на графике, низкие частоты приводят к меньшему расстоянию между энергетическими уровнями.
Основные молекулярные колебания
ИК спектр
В инфракрасном спектре частота (в виде волнового числа) отображается в зависимости от процента прошедшего света (коэффициент пропускания). Процент пропускания определяется как частное между интенсивностью света, прошедшего через образец, I M , и интенсивностью света эталонного луча I R , умноженное на 100.
ИК спектр алканов
• Деформация CH: алканы проявляют деформационные колебания CH чуть ниже 3000 см – 1 .
• CH изгиб: CH 2 цепи демонстрируют изгибные колебания (ножницы) при 1465 см - 1 , в то время как метилы производят полосу при 1375 см - 1 из-за симметричных изгибных колебаний, а другую полосу при 1450 см - 1 из-за асимметричная изгибная вибрация. Все группы отжиманий средней интенсивности.
Обратите внимание, что асимметричная полоса изгиба метила перекрывается с полосой ножничного изгиба CH 2 .
ИК спектр гексана
Спектр 2,2-диметилбутана
Присутствие трет-бутильной группы приводит к расщеплению симметричной полосы изгиба на две полосы при 1390 и 1370 см - 1 . Полоса на 1390 вдвое слабее, чем на 1370.
ИК спектр циклоалканов
Циклоалканы имеют ИК-спектр, очень похожий на алканы, с полосой растяжения СН чуть ниже 3000 см м -1 и полосой изгиба СН в ножницах для СН 2 при 1465 см м -1 . Основное отличие от алканов — отсутствие симметричной полосы растяжения метила. 
Обратите внимание на отсутствие метильной симметричной полосы изгиба, которая присутствует у алканов при 1375 см – 1 .
ИК спектр алкенов
• Напряжение C(sp2)-H: 3100 -3000 см-1
• Напряжение С=С: 1600 см-1
• Внеплоскостной изгиб (oop) связи C=CH: 1000 - 650 см-1. Этот тип полосы позволяет узнать степень замещения алкена.
Спектр 1-пентена
В монозамещенных алкенах, таких как 1-пентен, внеплоскостные изгибы CH дают две полосы, расположенные при 1005-985 и 920-900 см - 1 .
Стереохимия и ИК-спектроскопия алкенов
Цис-дизамещенные алкены имеют неплоскую полосу изгиба CH, которая позволяет их различать. Эта полоса появляется между 725-675 см - 1
Спектр цис-3-гексена
Спектр транс-3-гексена
Транс-дизамещенные алкены имеют сильную полосу поглощения между 980-965 см - 1 , что позволяет их идентифицировать. Обратите внимание на полное отсутствие полосы растяжения C = C при 1600 см - 1 из-за отсутствия полярности.
Кольцевая деформация: эндоциклические связи C=C
По мере уменьшения размера кольца полоса натяжения связей С=С смещается в сторону меньшего числа волн. Исключение циклопропена объясняется связью между колебаниями напряжения связей C=C и CC. Это сочетание не происходит в циклобутене, потому что связи С=С и СС перпендикулярны друг другу.
ИК спектр циклопентена 
Напряжение ≡ C - H : 3300 c м - 1
Напряжение - C ≡ C - : 2150 см - 1 . Симметричные алкины не имеют этой полосы, будучи очень слабыми во внутренних полосах. Сопряжение немного снижает значение.
спектр 1-гексина
ИК спектр ароматических соединений
Напряжение =СН: 3100 см-1
Напряжение -C=C-: 1600 и 1475 см-1
Сгибание =СН вне плоскости: 900-690 см-1
Оп-колебания вместе с обертонами и комбинационными полосами, появляющимися между 2000 и 1667 см-1, позволяют узнать степень замещения бензола.
сменные полосы
Спектры спиртов и фенолов
Напряжение ОН: Широкая полоса от 3500 до 3200 см-1. В отсутствие водородной связи он проявляется в виде острого пика при 3650-3600 см-1.
Напряжение СО: Диапазон между 1250-1000 см-1. Он позволяет различать первичные (1050 см-1), вторичные (1100 см-1), третичные (1150 см-1) и фенольные (1220 см-1) спирты.
ИК спектр первичного спирта (метанола)
В спектре метанола наблюдается очень широкая полоса напряжения ОН, обусловленная образованием водородных связей. Полоса напряжения CO имеет низкое волновое число (1030), потому что это спирт без заместителей.
ИК спектр вторичных спиртов (2-пентанол)
Наблюдают смещение полосы СО в сторону большего числа волн по отношению к метанолу.
ИК спектр третичных спиртов (2-метил-2-пропанол)У третичных спиртов полоса СО смещена в сторону более высоких частот, чем у первичных и вторичных спиртов.
Фенол имеет полосу поглощения СО выше 1200 см-1.
Следующий спектр показывает полосу растяжения ОН в отсутствие водородной связи.
Алкилвиниловые эфиры (CH2=CH-OR) имеют две полосы при 1220 и 850 см-1. Последний очень слаб.
Арилалкиловые эфиры (Ar-OR) представляют две полосы при 1250 и 1040 см-1.
ИК спектр 1-метоксигексана
Этилвиниловый эфир имеет две полосы при 1220 и 850 см-1, последняя очень слабая.
Метоксибензол представляет две полосы при 1250 и 1040 см-1.
альдегиды
C=O напряжение: 1725 см-1
Карбонильный штамм CH: две слабые полосы при 2850 и 2750 см-1. Полоса при 2850 имеет тенденцию перекрываться с полосой натяжения C(sp3)-H.
C=O Напряжение обертона более 3500 см-1.
Напряжение C=O: интенсивная полоса при 1715 см-1.
Сгибание С-СО-С: 1300 - 1100 см-1.
Обертон напряжения С=О: от 3500 до 3350 см-1.
Влияние сопряжения на полосу натяжения C=O
ИК-спектр карбоновых кислот и производных
Карбоновые кислоты
Напряжение ОН: От 3400 до 2400 см-1. Очень широкий из-за образования водородных связей.
C=O напряжение: 1730-1700 см-1
Напряжение СО: 1320-1200 см-1
COH Flexion (oop): колоколообразная полоса при 900 см-1
сложные эфиры
Напряжение C=O при 1735 см-1. При наличии сопряженных двойных связей с карбонилом полоса смещается в сторону меньших значений. Когда двойная связь находится на алкоксигруппе (-OR) сложного эфира, наблюдается сдвиг в сторону более высоких значений.
Напряжение СО: 2 полосы по 1300 и 1000 см-1. Более широкий и интенсивный тот, что наблюдался в 13:00.
галогенангидриды
Напряжение С=О: 1810 - 1775 см-1
Напряжение C-Cl: интенсивная полоса 730 - 550 см-1
Ферми-резонанс
Обертоны — это колебательные переходы из основного состояния в более высокие возбужденные состояния. Частоты поглощения являются частотой основного поглощения. Резонанс Ферми возникает в результате соединения основной полосы поглощения с обертоном или комбинированной полосой.
Ароматические алканоилгалогениды демонстрируют две полосы деформации C = O по резонансу Ферми.
Нитрилы
амиды
Напряжение С=О: 1680 - 1630 см-1
Напряжение NH: Между 3350 и 3180 см-1. Первичные амиды имеют две полосы, тогда как вторичные амиды имеют только одну полосу.
Сгибание NH: 1640 - 1550 см-1
ИК спектр аминов
Напряжение NH: от 3500 до 3300 см-1. Первичные амины представлены двумя полосами (симметричной и асимметричной), вторичные - только одной полосой.
Изгибание NH: две полосы первичных аминов при 1640 и 1560 см-1. Вторичные полосы при 1500 см-1
ИК спектр 1-гексан-амина
ИК-спектр алкилгалогенидов
Напряжение C-Cl: 785 - 540 см-1
Ension C-Br: 650 - 510 см-1
Рекомендуемые источники для расширения поиска:
1. Ага Фано С.А. Эмиссионная спектроскопия. (По состоянию на 10 сентября 2007 г.). http://hiq.aga.com.co/International/Web/LG/CO/likelgspgco.nsf/DocByAlias/anal_icp .
2. Алонсо П. и соавт. химия Cou..Ed. Макгроу-Хилл. 1990.
3. Альварес Хименес, доктор медицинских наук, и Гомес дель Рио, штат Мичиган. Дидактическое руководство. Аналитическая химия II. UNED. 1999.
4. Прибытие Химено Сиро; Бурриэль Барсело Фернандо; Эрнандес Мендес Хесус; Лусена Граф Фелипе. Качественная аналитическая химия. ISBN: 8497321405. ISB. 2006.
5. Эйрес, Гилберт Х. Количественный химический анализ. Издания Замка, 4-е изд . ISBN: 8421902806. 1981.
6. Бермехо Баррера. М дель Пилар. Общая, количественная и инструментальная аналитическая химия. Редакция Паранинфо. 7-е издание. ISBN: 8428318093. 1990.
7. Бланко М., Серда В. и Санс Медель А., Аналитическая атомная спектроскопия, Публикации Автономного университета Барселоны. 1990.
8. Брод. РВ, Химическая спектроскопия, Нью-Йорк, 1952.
9. Бурриэль М.Ф., Лусена С.Ф. Количественная аналитическая химия. Революционное издание. Гавана.1978.
10. Бурриэль Ф. Качественная аналитическая химия. Редакция Паранинфо. ISBN: 8497321405. стр. 1072., 2003.
