Заказ работы

Заказать
Каталог тем
Каталог бесплатных ресурсов

Определение частот нормальных колебаний молекулы углекислого газа методом ИК-спектрофотометрии

Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А 27 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСТОТ НОРМАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ МОЛЕКУЛЫ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА МЕТОДОМ ИК-СПЕКТРОФОТОМЕТРИИ 1 ЦЕЛЬ РАБОТЫ 1 Ознакомление с техникой инфракрасной (ИК) спектроскопии. Ос-воение методики работы на спектрофотометре инфракрасном ИКС-29. 2 Регистрация ИК-спектра поглощения углекислого газа в атмосфере и определение по нему частот нормальных колебаний молекулы СО2. 3 БИБЛИОГРАФИЯ 1 Савельев И.В. Курс физики: Учеб. пособие для студентов втузов.- [В 3-х т.].- Т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц.- М.: Наука, 1989.- 301 с. 2 Трофимова Т.И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 1998.- 542 с. 3 Грибов Л. А. Введение в молекулярную спектроскопию. М.: Наука, 1976.- 400 с. 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Инфракрасная спектроскопия основана на измерении зависимости интенсивности отраженного или прошедшего через образец ИК-излучения от длины волны и является одним из наиболее эффективных методов исследования строения вещества на молекулярном уровне. Инфракрасным считается электромагнитное излучение в диапазоне длин волн (1... 100) мкм. Упрощённая схема получения ИК-спектра по-казана на рисунке 1. Сколлимированный пучёк излучения интенсивности I0, обла-дающий сплошным спектром в ИК-области, направляют от источника S на исследуемый образец B. При этом часть излучения отразится, часть поглотится в образце, оставшаяся часть пройдёт через него. Из-менение интенсивности при поглощении излучения обычно подчиня-ется закону Бугера I=I0exp(-k?l), где k? - коэффициент поглощения излучения образца на длине волны ?; l - толщина образца. Прошедшее излучение интенсивности I попадает в монохроматор М, содержащий диспергирующий элемент (призму, дифракционную решётку и т. п.), выделяющий излучение с определённой длиной волны ? и направляющий его на фотопреобразователь Ф. Электрический сиг-нал фотопреобразователя поступает на усилитель G, к выходу которого подключено регистрирующее устройство R. В практике ИК-спектроскопии обычно используется не длина волны, а волновое число n (n=1/? см-1). Типичный ИК-спектр состоит из отдельных или близко расположенных полос поглощения, соответствующих частотам коле-баний атомов в молекуле. На рисунке 2 в качестве примера показан участок ИК-спектра с полосами паров воды и углекислого газа в атмо-сфере. Рисунок 1 Как показывают измерения, ИК-спектры “мало чувствительны” к изменению агрегатного состояния вещества. Это объясняется тем, что силы химической связи в молекуле значительно превосходят силы межмолекулярных взаимодействий. Поэтому в первом приближении рассматривают колебания изолированной молекулы. Энергию молеку-лы Е в этом случае можно представить в виде суммы электронной Ее, колебательной Еv и вращательной Еr энергий: Е=Ее+Еv +Еr. Обычно Ее>>Еv >>Еr, например энергия первых вращательных со-стояний двухатомных молекул составляет величину ?(0,1...200) см-1, колебательных ?(50...4000) см-1, а электронных ?(10000...100000) см-1. Согласно законам квантовой физики молекула имеет дискретный на-бор значений энергий (энергетических уровней), а поглощение кванта электромагнитного излучения (фотона) связано с переходом молекулы на более высокий энергетический уровень. Энергии фотонов ИК-диапазона достаточно лишь для изменения колебательной и враща-тельной энергий молекул, поэтому ИК-спектры называются колеба-тельно-вращательными. При излучении и поглощении фотона проявляются молекулярные колебания, связанные с изменением электрического дипольного мо-мента. Частоты колебаний молекулы можно рассчитать теоретически, используя модель, где молекула представляется в виде системы мате-риальных точек с массами, соответствующими массам атомов, соеди-нённых упругими связями, жесткость которых соответствует зависи-мостям сил химических связей от их длины и углов. Малые колебания такой механической системы относительно положения равновесия можно представить в виде суперпозиции гармонических (нормальных) колебаний. Нормальное колебание - колебание молекулы, при котором все атомы движутся с одинаковой частотой и в одной фазе. Нормальные колебания энергетически независимы друг от друга - если возбудить одно нормальное колебание, то оно не вызовет появление других. По-этому общая колебательная энергия молекулы является суммой энер-гий отдельных нормальных колебаний. Число нормальных колебаний определяется числом колебательных степеней молекулы (для нелиней-ной молекулы оно равно 3N-6, для линейной - 3N-5, где N - число ато-мов в молекуле). Рисунок 2 Для простых многоатомных молекул, строение которых имеет эле-менты симметрии, колебания подразделяют на валентные и деформа-ционные, связанные, соответственно, с изменением длины химических связей между атомами и валентных углов. Колебание, не изменяющее симметрию молекулы, называется симметричным, в противном случае - антисимметричным. В рамках упрощённой модели силы, возникающие при растяжении связи С?О и изгибе молекулы О?С?О, можно выразить через коэф-фициенты квазиупругой силы соответственно kq и k? и записать выра-жение для потенциальной энергии U при малых колебаниях в виде U= kq(q12+q22)/2+ k??2/2, где q1, q2 - смещения атомов кислорода при колебаниях относительно атома углерода; ? - угол деформации ?О?С?О. Теоретически можно рассчитывать частоты тех мод, которые не ак-тивны в спектре, либо их невозможно наблюдать по техническим причинам. В частности для СО2 симметричная мода ?1 неактивна, но её можно рассчитать, если определить частоту ?3 для антисимметричного коле-бания (рис. 3): где mC и mО - массы атомов углерода и кислорода, соответственно. От-сюда следует расчётная формула для симметричной моды ?1 При этом значение коэффициента квазиупругой силы kq определя-ется формулой . Несмотря на то, что рассматриваемая модель является довольно грубым приближением, она даёт достаточно надёжные результаты и позволяет судить о строении молекулы и динамике её колебательных процессов. 5 УСТРОЙСТВО СПЕКТРОФОТОМЕТРА На рисунке 4 изображена принципиальная оптическая схема ИК-спектрофотометра. Основными составными элементами прибор явля-ются: источник 1, монохроматор 2, фотопреобразователь 3, электрон-ный усилитель 4, фотометрический клин 5, прерыватель 6, электродви-гатель отработки 7 и пишущее устройство 8. Рисунок 4 Излучение от глобара 1 проходит по оптическому каналу I с иссле-дуемым образцом 9 и по каналу II с фотометрическим клином 5 и об-разцом сравнения 10. Затем излучение попадает на прерыватель 6, ко-торый попеременно пропускает в монохроматор 2 пучки из обеих ка-налов. Болометр 3 преобразует ИК-излучение выходящее из монохро-матора в электрический сигнал, который подаётся на усилитель 4. Уси-литель 4 управляемый прерывателем выдаёт дифференциальный сиг-нал на электродвигатель 7, который перемещает клин 5, образуя таким образом отрицательную электромеханическую обратную связь. В ре-зультате клин 5 уравнивает выходные интенсивности обеих каналов, его положение регистрируется устройством 8, перо которого механи-чески связано с клином 5. В результате на бланке, который протягива-ется одновременно с развёрткой спектра монохроматором, получается запись величины пропускания исследуемого образца 9 относительно образца 10. В монохроматоре 2 диспергирующим элементом является дифрак-ционная решётка (150 штр/мм в области спектра (4200...1200) см-1 и 50 штр/мм в области (1400...400) см-1). Прибор может работать как по двух-, так и по однолучевой схеме. 6 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Подготовка к работе - установить кнопочный переключатель “ОБРАТНО” и “УСКО-РЕННО” в верхнее положение, переключатель режимов работы в по-ложение “II” (двухлучевая схема); - включить прибор и установить напряжение на глобаре 17 В, а пос-тоянную времени усилителя “1 с” ; - дав прогреться прибору в течение 10...15 мин, ручкой “БАЛАНС МОСТА” установить стрелку индикатора в соответствующее балансу положение. 2. Работа по двухлучевой схеме - выбрать необходимый масштаб записи 1:1 записывающего уст-ройства; - установить переключатель “ДИАПАЗОНЫ” положение 4200...1200; - нажать кнопки “УСКОРЕННО” и “ПУСК” (прибор должен уста-новиться в начало выбранного диапазона) и затем установить моно-хроматор на 3200 см-1; - установить переключатели “УСКОРЕННО” в верхнее положение, а “СКОРОСТЬ РАЗВЁРТКИ” - в положение “2”, и, оперируя кнопками “ПУСК” и “СТОП”, установить шкалу монохроматора на начальный штрих; - переключателем “ПРОГРАММА ЩЕЛЕЙ” установить программу “6”; - согласовать начало шкалы бланк пишущего устройства с пером (для чего необходимо рукояткой вывести цанговую муфту из зацепле-ния с барабаном); - установить скорость сканирования “1” (при этом рукоятка сцепле-ния на редукторе барабана в положении “1”); - повернуть ручку “УСИЛЕНИЕ” на три деления шкалы, открыть оба оптических канала (при этом перо должно перемещаться в направ-лении к положению 100 %-го пропускания) и подобрать такое усиле-ние, при котором после кратковременного перекрытия канала I перо будет возвращаться в прежнее положение достаточно быстро и без периодичес-ких колебаний (усиление устанавливать на участке спектра при 3000 см-1); - перекрыть оба канала и потенциометром “БАЛАНС” установить перо посредине шкалы (регулировать отвёрткой через левое отверстие в кюветном отделении спектрофотометра); - открыть оба канала и установить перо на линию 100 %-го пропус-кания (отвёрткой через отверстие над входным окном канала I ; - установить исследуемый образец - плёнку полистирола в канал I, опустить перо, нажать кнопку “ПУСК” и произвести запись ИК-спектра в диапазоне 3200...1200 см-1; - остановить кнопкой “СТОП” развёртку спектра, убрать усиление рукояткой “УСИЛЕНИЕ”, выключить глобар; - записать на бланке режимы регистрации спектра, вынуть иссле-дуемый образец. 3 Работа по однолучевой схеме - подготовить спекторофотометр к работе по п. 1; - перекрыть канал I и установить переключатель режимов “одно- двухлучевая схема” в положение 1; - установить программу щелей “6”, а ручку “УСИЛЕНИЕ” устано-вить так, чтобы перо находилось на линии 10...15 % пропускания; - проверить кратковременным перекрытием канала II отработку пе-ра (если смещение мало, то увеличить входную щель канала); - произвести запись спектра в диапазонах (2600...2000) см-1, (1400...1200) см-1 и (700...630) см-1, в которые соответствуют частотам нормальных колебаний СО2; - остановить кнопкой “СТОП” развёртку спектра, убрать усиление рукояткой “УСИЛЕНИЕ”, выключить глобар; - записать на бланке режимы регистрации спектра. 4 Обработка спектров и расчеты - определить положений максимумов полос поглощения nэкс в запи-санном спектре плёнки полистирола в диапазоне (3000...1200) см-1 и полученные данные занести в таблицу 1, провести сравнение с таб-личными значениями nэт для эталонного спектра полистирола; - рассчитать отклонения положений максимумов в исследованном и эталонном спектрах (nэкс-nэт) и сравнить с ценой деления шкалы волно-вых чисел диапазона (4200...1200) см-1, равной 3 см-1; - построить градуировочную характеристику спектрофотометра nэкс(nэт). Таблица 1 nэт, см-1 nэт, см-1 nэкс - nэт, см-1 2925,0 2850,0 1946,3 1802,0 1603,0 1494,3 - определить максимумы полос поглощения спектров, полученных по однолучевой схеме, в диапазонах (2600...2000) см-1 (соответствует антисимметричной моде ?3 молекулы СО2) и (700...630) см-1 (соответ-ствует ?2) и убедиться в отсутствии интенсивных полос поглощения в диапазоне (1400...1200)см-1, соответствующем неактивной моде ?1; - исходя из полученного значения n3, рассчитать значения n1 и час-тоты ?1, а также коэффициент квазиупругой силы kq для молекулы уг-лекислого газа. 5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Сколько поступательных, вращательных и колебательных степе-ней свободы у молекулы CH4 и линейной молекулы HCN? 2 Какие колебания линейной молекулы CS2 и нелинейной молекулы NO2 активны, а какие неактивны в ИК-спектре? 3 Сформулируйте закон Бугера-Бера и объясните физический смысл входящих в него величин.

Размер файла: 89 Кбайт
Тип файла: doc (Mime Type: application/msword)
Заказ курсовой диплома или диссертации.

Горячая Линия


Вход для партнеров