Raport z ćwiczeń laboratoryjnych przedmiotu
„Metody badań strukturalnych”
Identyfikacja substancji metodą spektroskopii w podczerwieni (FTIR)
Natalia Młynarz
Adrian Lech
1. Wstęp teoretyczny.
Spektroskopia w podczerwieni jest działem spektroskopii molekularnej zajmującej się badaniem oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni z cząsteczką. Promieniowanie podczerwone jest promieniowaniem o długości fali pomiędzy mikrofalami, a promieniowaniem widzialnym, mieści się w zakresie od 750 nm do 1 mm. Wyróżnia się podczerwień bliską, podstawową (2,5÷20µm, tj. 400-4000[cm-1]) i daleką. Zakres promieniowania podczerwonego prowadzi do wzbudzenia w cząsteczce oscylacji – ruchów oscylacyjnych. Ruchy oscylacyjne są ruchami wewnętrznymi, nie zmieniającymi położenia molekuły w przestrzeni, ich modelem teoretycznym mogą być drgania kulek połączonych ze sobą sprężynami.
Promieniowanie podczerwone nie przechodzi, ale oddziałuje z materią. Promieniowanie podczerwone jest wycinkiem promieniowania elektromagnetycznego, które z kolei jest drganiem pola elektrycznego i magnetycznego, rozchodzącym się w przestrzeni. Tak więc promieniowanie jest falą, która ma chwilowy wektor elektryczny i magnetyczny, natomiast molekuła ma moment dipolowy. Aby nastąpiło przekazywanie energii musi być kontakt promieniowania z materią. Fala i molekuła „stykają” się ze sobą polami i w ten sposób ze sobą oddziaływują dipolami. Fala przekazuje energię jądrom atomowym. Aby nastąpiła absorpcja promieniowania muszą być spełnione reguły wyboru: promieniowanie jest pochłaniane jeśli następuje zmiana momentu dipolowego, energia padającego kwantu musi być taka jak różnica energii pomiędzy poziomami energetycznymi, a przejście fotonu musi nastąpić tak, by kwantowa liczba oscylacji zmieniła się o 1,2,3....itd.
Absorpcja może nastąpić wówczas gdy częstość drgań promieniowania podczerwonego jest równa częstości drgań własnych atomów lub ich ugrupowań koordynacyjnych w krysztale.
W wyniku badania metodą spektroskopii w podczerwieni otrzymuje się widmo, które jest zbiorem pasm, o skończonej i różnej szerokości. Jest zapisywane jako wykres absorpcji w funkcji częstości promieniowania (widmo absorpcyjne). Kształt pasm – krzywa dzwonowa- jest cechą charakterystyczną oddziaływania substancji z promieniowaniem.
Parametrami pasma spektralnego są: częstość v0 – jest to częstość osi symetrii konturu, która charakteryzuje położenie pasma w widmie; intensywność w maksimum I0 – jest to wysokość konturu mierzona od tła pasma; intensywność integralna – jest to powierzchnia ograniczona konturem pasma i tłem; intensywność molowa – jest to stosunek zmierzonej intensywności do stężenia substancji; szerokość połówkowa – jest to szerokość konturu zmierzona w połowie jego wysokości.
W molekule rozróżnia się różne formy drgań, które dzieli się na: rozciągające lub walencyjne (płaszczyznowe: nożycowe, wahadłowe i pozapłaszczyznowe: wachlarzowe i skręcające) oraz zginające (symetryczne i asymetryczne). Drgania rozciągające zmieniają długości wiązań, natomiast zginające zmieniają kąty walencyjne.
Warunkiem powstawania widma absorpcyjnego w podczerwieni jest zmiana momentu dipolowego w cząsteczce w czasie drgania. Widmo w podczerwieni charakteryzuje całą cząsteczkę, określone grupy atomów, niezależnie od budowy pozostałej części cząsteczki powodują powstawanie pasm o tej samej lub zbliżonej częstości i intensywności, co pozwala na identyfikacje grup funkcyjnych w cząsteczce. Widmo oscylacyjne dostarcza danych o częstościach przejść pomiędzy poziomami oscylacyjnymi molekuły, czyli o odległościach poziomów energetycznych. Częstości związane z danym ugrupowaniem atomów są nazywane częstościami charakterystycznymi grup atomowych. Częstość drgań wyraża się jako liczbę drgań pola przypadającą na 1cm drogi przebytej na promieniowanie.
Badanie widm w podczerwieni wykorzystuje się do ustalenia struktury związków (identyfikacji grup funkcyjnych, wykrywania rodzajów i położenia wiązań) oraz w analizie jakościowej. Za pomocą spektroskopii można udowodnić identyczność dwóch substancji. W większości przypadków oddziaływania międzycząsteczkowe przejawiają się w widmach oscylacyjnych w postaci bardzo wyraźnych zmian częstości, intensywności i kształtu pasma itp. Metodą spektroskopową można badać substancje we wszystkich stanach skupienia, tzn. stałym, ciekłym i gazowym.
2. Przebieg ćwiczenia.
Celem ćwiczenia była identyfikacja otrzymanej substancji.
Otrzymaną substancję proszkową zmieszano i roztarto z 400mg KBr w moździerzu agatowym. Następnie tą mieszaninę sprasowano w prasie próżniowej pod ciśnieniem około 2000kg/cm2.
Otrzymano pastylkę, którą następnie umieszczono w spektroskopie na drodze wiązki promieniowania podczerwonego.
Otrzymano widmo absorpcyjne – zbiór pasm należących do nieznanej substancji.
Rys. 1 Wykres widma pczatkowego.
Aby zidentyfikować substancję należało obrobić komputerowo widmo.
Dokonano korekty linii bazowej – sprowadzono ją do poziomu zerowego.
Rys. 2 Wykres widma po dokonaniu korekty.
Dokonano wygładzenia widma – eliminacji szumów, które w widmie pojawiają się zawsze w wyniku niedoskonałości aparatury.
Po dokonaniu tej operacji otrzymano poniższe widmo.
Rys. 3 Wykres widma po wygładzeniu.
Kolejnym krokiem było wyznaczenie pierwszej i drugiej pochodnej otrzymanego widma. W miejscu gdzie pierwsza pochodna przyjmowała wartosci zerowe odczytano maksymalne intensywności pasm, które stanowiły ekstrema widma. Intensywności w maksimum również pokrywały się z punktami przegięcia drugiej pochodnej. Rejestracja pochodnych pierwotnego konturu widma zwiększa bowiem zdolność rozpoznawania silnie nakładających się składowych pasma. Na podstawie pierwszej i drugiej pochodnej spisano położenia pasm.
Na wykresie w załączniku przedstawiono drugą pochodną.
Sporządzono rozkład obwiedni na podstawie pierwszej i drugiej pochodnej, które wskazały ilość składowych pasma. Podczas ich odnajdywania tak dopasowywano kształt konturu składowych pasm, aby absorbancja nie przyjmowała ujemnych wartości.
Pierwotny kontur widma może zawierać pasma nakrywające się tak silnie, że na obwiedni pierwotnego konturu trudno jest w ogóle zauważyć jego złożoność.
Zatem wykonanie rozkładu obwiedni jest sposobem na wyłuskanie położeń pasm.
Na podstawie rozkładu obwiedni komputer dopasował (sfitował) widmo do otrzymanych powyżej składowych pasm. Otrzymano ostateczny kontur widma przedstawiony poniżej.
3. Wnioski.
Identyfikacji substancji dokonano na podstawie katalogu i bazy internetowej.
Polegała ona na znalezieniu takich grup funkcyjnych atomów lub związków, które absorbowałyby promieniowanie podczerwone w tym samym zakresie częstotliwości co substancja nieznana.
Stwierdzono, że badana substancja to siarczan.
Na podstawie animacji komputerowej sprawdzono rodzaj drgań występujących w cząsteczce siarczanu. Rodzaje drgań mogących występować w cząsteczce siarczanu to drgania zginające nożycowe i rozciągające asymetryczne.
Na analizowanym widmie oprócz pasm należących do siarczanu zarejestrowano również inne pasma. Pojawienie się dodatkowego pasma może być spowodowane indukowanym momentem dipolowym w cząsteczce analizowanej substancji wzbudzonym przez wewnątrzkrystaliczne pole KBr.
1
lechu567