AlegsaOnline.com

Molekulārās vibrācijas — kas tas ir, veidi un piemēri

Uzzini, kas ir molekulārās vibrācijas, to veidus (stiepšanās, leņķa svārstības u.c.) un piemērus (H2, N2, O2) — skaidri, vienkārši un ilustrēti.

Autors: Leandro Alegsa

21-12-2025

Molekulārās vibrācijas ir viens no trim dažādiem molekulu kustības veidiem, tostarp translācijas kustība (kad visa molekula pārvietojas vienā virzienā) un rotācijas kustība (kad molekula griežas kā virsotne).

Molekulas vibrācijas ir kustība, kad kustas saites starp atomiem molekulā. Iedomājieties atomus kā apaļas bumbiņas, kas ir savienotas ar atsperi, kura var stiepties uz priekšu un atpakaļ. Šīs kustības piemērs ir "stiepšanās", kas ir visvienkāršākais molekulas vibrācijas piemērs un notiek tikai starp diviem atomiem. Daži šādu molekulu piemēri ir ūdeņradis H₂ , slāpeklis N₂ un skābeklis O₂ .

Kādi ir galvenie molekulāro vibrāciju veidi?

Stiepšanās (stretching) — atomi kustas viens pret otru pa saites virzienu. Var būt simbolisks (symmetric) un asimbolisks (asymmetric) stiepšanās, ja molekulā ir vairāk par diviem atomiem.
Lokšana (bending) — maiņās saites leņķi; ietver scissoring (šķērsošana), rocking (šūpošanās), wagging (mētāšanās) un twisting (sagriešanās) veidus.
Out‑of‑plane kustības — atomu kustības, kas notiek ārpus molekulas galvenā plaknes.

Normālās modēs un kustību skaits

Katra molekula var vibrēt noteiktā skaitā neatkarīgu normālo moduļu. To skaits ir atkarīgs no atoma skaita N:

lineārām molekulām: 3N − 5 normālas vibrācijas
ne‑lineārām molekulām: 3N − 6 normālas vibrācijas

Piemēram, H₂ kā diatomiska molekula ir tikai viena vibrācija (stiepšanās), bet H₂O (triatoma, ne-lineāra) ir trīs vibrācijas: divas stiepšanās (simetriskā un asimetriskā) un viena leņķa lokšana.

Fizikālais un kvantu apraksts

Molekulārās vibrācijas bieži tiek aptuveni aprakstītas ar harmoniskā oscilatora modeli: vibrācijas frekvence ir atkarīga no saites stingrības (spēka konstantes k) un efektīvās masas (reducētās masas μ) pēc attiecības (klasiski) f ≈ (1/2π)·√(k/μ). Vielu ķīmijā biežāk lieto viļņu skaitu (cm⁻¹), kas atbilst vibrācijas enerģijai.

Kvantu mehānikā vibrāciju enerģijas līmeņi ir kvantēti: E_v = (v + 1/2)hν (harmonisks), kur v = 0,1,2…. Reālā dzīvē pastāv anarmoniskums, kas ļauj parādīties overtoniem un kombinētajām līnijām spektrā.

Spektrālās aktivitātes — IR un Raman

Infrasarkanā (IR) spektroskopija nosaka vibrācijas, kuru laikā mainās molekulas dipola moments. Ja vibrācijas laikā molekulas dipols mainās, tā vibrācija būs IR aktīva.
Raman spektroskopija balstās uz izmaiņām molekulas polarizabilitātes momentā; vibrācija var būt Raman aktīva pat tad, ja tā IR nav redzama.

Piemēri: diatomiskie H₂, N₂, O₂ ir bez pastāvīga dipola, tādēļ tie IR parasti ir neaktīvi, taču Raman spektrā parādās. CO₂ simetriskā stiepšanās ir IR neaktīva, bet Raman aktīva, savukārt asimetriskā stiepšanās ir IR aktīva.

Piemēri un tipiskie diapazoni

Diatomiskas saites (C–H, N≡N, O–O u. c.) — vibrācijas biežums var būt no dažiem simtiem līdz vairākām tūkstošiem cm⁻¹; C–H stiepšanās bieži ap 2800–3100 cm⁻¹.
Ūdens (H₂O) — simetriskā stiepšanās ~3650 cm⁻¹, asimetriskā ~3750 cm⁻¹, leņķa locīšana ~1595 cm⁻¹ (vērtības gaida atkarībā no fāzes un saistēm).
CO₂ — asimetriskā stiepšanās ap ~2349 cm⁻¹, leņķa locīšanas režīms ap ~667 cm⁻¹.

Pielietojumi

Molekulāro vibrāciju izpēte ir pamats daudziem praktiskiem pielietojumiem:

ķīmiskā identifikācija un sastāva analīze (IR un Raman spektri kā "pirkstu nospiedums");
ķīmisko reakciju monitorings un termodinamikas pētījumi;
materiālu raksturošana, polimēru un nanoproduktu pētījumi;
vides gāzu un piesārņojumu detektēšana (piem., CO₂, NO_x);
farmācijas un bioloģijas pētījumi — molekulu konformāciju un saistību izmaiņas.

Secinājums

Molekulārās vibrācijas ir būtisks molekulu kustību aspekts, kas sniedz informāciju par saišu spēku, molekulas struktūru un ķīmiskajām īpašībām. Izmantojot spektroskopiskas metodes, vibrācijas ļauj identificēt vielas, izpētīt reakcijas un raksturot materiālus gan pamatpētījumos, gan praktiskās aplikācijās.

Vibrāciju veidi

Ja molekulā ir vairāk nekā divi atomi, tad viss kļūst sarežģītāk. Pieņemsim, ka tiek pievienots vēl viens atoms, un tagad ir trīs atomi, piemēram, ūdenī H₂ O, kur abi ūdeņraža atomi ir saistīti ar centrālo skābekļa atomu. Atcerieties, ka ūdeņradim bija viena veida stiepšanās, bet ūdenī ir divu veidu stiepšanās un vēl četru veidu vibrācijas, ko sauc par lieces vibrācijām, kā parādīts tālāk.

CH₂ grupas atomi vai molekulas, piemēram, ūdens, var vibrēt sešos dažādos veidos: simetriski un antisimetriski stiepjoties, šķeļoties, šūpojoties, šūpojoties un griezties:

Simetriska stiepšanās	Antisimetriska stiepšanās	Šķēres

Šūpoles	Wagging	Twisting

simetriska stiepšanās: kad abi piestiprinātie atomi vienlaicīgi pārvietojas no centrālā atoma un pret to.

antisimetriska stiepšanās: kad abi piestiprinātie atomi vienlaicīgi nenovirzās no centrālā atoma un pret to.

šķēres: Tieši tāpat kā nosaukums saka, ka šķēres ir tad, kad divi atomi pārvietojas viens no otra uz priekšu un uz priekšu.

šūpoles: Šī kustība ir kā svārsta kustība uz pulksteņa, kas iet uz priekšu un atpakaļ, tikai šeit svārsts ir atoms, un tā vietā, lai būtu viens, ir divi.

vīkšķi: Ja persona tur roku priekšā un liek divus pirkstus "V" formā, saliecot plaukstu uz augšu un prom no rokas. Šeit pirkstu gali ir piestiprinātie atomi, bet plauksta locītava ir centrālais atoms.

vērpšana: Šī kustība ir tāda, it kā cilvēks staigātu pa skrejceliņu, kur viduklis ir centrālais atoms, bet kājas - divi piestiprinātie atomi.

Molekulas ar vairāk nekā trim atomiem

Molekulām, kurās ir vairāk nekā trīs atomi, ir vēl sarežģītākas, un tām ir vēl vairāk vibrāciju, kuras dažkārt sauc par "vibrācijas režīmiem". Katrs jauns vibrācijas režīms būtībā ir atšķirīga kombinācija no sešām iepriekš parādītajām. Jo vairāk atomu molekulā, jo vairāk veidu, kā tos var kombinēt. Lielākajai daļai molekulu ar N atomiem iespējamo vibrāciju skaits ir 3N - 6, bet lineārām molekulām jeb molekulām, kurās atomi atrodas taisnā līnijā, ir 3N-5 vibrācijas režīmi.

Enerģijas un vibrāciju saistība

Ņūtona mehānika

Izmantojot Ņūtona mehāniku, molekulas vibrācijas var aprēķināt, aplūkojot saites kā atsperes. Tas ir lietderīgi, jo, līdzīgi kā atsperei, arī saitei ir vajadzīga enerģija, lai to izstieptu, un enerģija ir vajadzīga arī, lai to saspiestu kopā. Enerģija, kas vajadzīga, lai saiti izstieptu vai saspiestu, ir atkarīga no saites stīvuma, ko attēlo ar atsperes konstanti k, un no reducētās masas jeb "masas centra", ko apzīmē ar μ, abos galos pievienotajiem atomiem. Formula, ko izmanto, lai attiecinātu enerģiju, kas vajadzīga, lai radītu saites vibrāciju, ir šāda:

E = h ν = h 2 π k μ . {\displaystyle \ E=h\nu ={h \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}.\! } $\ E=h\nu ={h \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}.\!$

h: ir Planka konstante

ν: ir frekvence, kas raksturo ātrumu, ar kādu saite tiek saspiesta kopā un atkal izvilkta. Jo lielāks ν, jo ātrāks kļūst šis ātrums.

Ε: ir enerģija, kas vajadzīga, lai saiti stumtu un vilktu kopā.

μ: Atomu masas reducēšana ir divu atomu masas, kas reizinātas kopā un dalītas ar to saskaitījumu:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\displaystyle \mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\! } $\mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\!$

Kvantu mehānika

Izmantojot kvantu mehāniku, formula, kas apraksta atsperi, ir tieši tāda pati kā Ņūtona mehānikas versijā, izņemot to, ka ir atļautas tikai noteiktas enerģijas vai enerģijas līmeņi. Iedomājieties enerģijas līmeņus kā kāpņu pakāpienus uz kāpnēm, pa kurām cilvēks var pacelties augšup vai lejup tikai pa vienam pakāpienam. Tāpat kā šis cilvēks nevar stāvēt uz telpas starp pakāpieniem, tā arī saitei nevar būt enerģijas starp enerģijas līmeņiem. Šī jaunā formula kļūst:

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\displaystyle E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}}! } $E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}\!$ ,

kur n ir kvantu skaitlis jeb "enerģijas līmenis", kas var būt 0, 1, 2 ... Apgalvojumu, ka enerģijas līmeņi var paaugstināties vai pazemināties tikai pa vienam līmenim, sauc par atlases noteikumu, kas nosaka, ka vienīgās atļautās pārejas starp enerģijas līmeņiem ir šādas:

Δ n = ± 1 {\displaystyle \Delta n=\pm 1} $\Delta n=\pm 1$

kur \Delta n ir enerģijas pāreja.

Vibrācijas kustību pielietojumi

Kad noteiktas frekvences gaisma nokļūst uz molekulas, kuras vibrācijas kustība atbilst tai pašai frekvencei, tad gaisma absorbējas molekulā un gaismas enerģija izraisa saišu kustību konkrētajā vibrācijas kustībā. Pārbaudot absorbēto gaismu, zinātnieki var noteikt, vai ir noteikta veida molekulārā saite, un salīdzināt to ar to molekulu sarakstu, kurām ir šāda saite.

Tomēr dažām molekulām, piemēram, hēlijam un argonam, ir tikai viens atoms, un tām nav nekādu saišu. Tas nozīmē, ka tās nespēj absorbēt gaismu tāpat kā molekulas ar vairāk nekā vienu atomu.

Īpašas ķīmijas jomas, kurās pētījumos izmanto molekulārās vibrācijas, ir infrasarkanā spektroskopija (IR) un Ramana spektroskopija (Raman), no kurām IR tiek izmantota plašāk, un tai ir trīs atsevišķas apakšnozares. Šīs apakšnozares ir pazīstamas kā tuvā IR, vidējā IR un tālā IR spektroskopija. Turpmāk sniegts vispārīgs šo jomu un reālo lietojumu saraksts.

Tuvu IR: kvantitatīva tādu sugu noteikšana kā olbaltumvielas, tauki, zemas molekulmasas ogļūdeņraži un ūdens. Tālāk izmanto lauksaimniecības produktu, pārtikas, naftas un ķīmiskajā rūpniecībā.

Vidējā infrasarkanā starojuma diapazons:vispopulārākais no infrasarkanā starojuma diapazoniem, ko izmanto organisko un bioķīmisko savienojumu struktūras noteikšanai.

Tālais infrasarkanais starojums: šī joma ir mazāk populāra, lai gan to izmanto neorganikas pētījumos.

Ramans: Ramana metode: tiek izmantota neorganisko, organisko un bioloģisko sistēmu kvalitatīvai un kvantitatīvai izpētei, bieži kā papildinoša metode IR.