Molekulārās vibrācijas

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: 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 }}.\! }

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}}.\! }

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}}}! } ,

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}

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.