Ćwiczenia ze Spektroskopii Molekularnej

Ochrona Środowiska - II stopień

Ćwiczenie 1

Pomiar długości wiązania przy zastosowaniu widma rotacyjnych

Spektroskopia rotacyjna obejmuje obszar częstości od 3GHz do 300GHz czyli od 0.1 do 10 cm^-1. Energia przejść rotacyjnych odpowiada obszarowi mikrofalowemu w widmie promieniowania elektromagnetycznego.

Energia rotacyjna cząsteczki jest skwantowana i jej wartość można wyrazić zależnością

B - stała rotacyjna [J],

I - moment bezwładności [kg m²]

Energię stanu rotacyjnego podaje się zazwyczaj jako term rotacyjny F(J) czyli liczbę falową uzyskaną w wyniku podzielenia energii przez hc

Odstęp pomiędzy sąsiednimi poziomami wynosi

Część doświadczalna

Aparatura

Do pomiarów widm oscylacyjno-rotacyjnych substancji gazowych wykorzystywany może być fourierowski spektrometr do podczerwieni. Pomiaru dokonuje się w specjalnej kuwecie pomiarowej Jest to zazwyczaj 10-centymetrowy odcinek szklanej rury zamknięty z obu stron szybkami wykonanymi z materiału przepuszczającego promieniowanie IR (NaCl, KBr, ...). W kuwecie znajduje się pod zmniejszonym ciśnieniem badana substancja gazowa. W takich warunkach cząsteczki można uznać za izolowane z uwagi na długą drogę swobodną między zderzeniami z innymi cząsteczkami gazu. Rejestracja widma w fazie gazowej pozwala wyznaczyć z oscylacyjno-rotacyjne struktury widma szereg wielkości między innymi odległości między atomami.

Rotacyjne widmo absorpcyjne cząsteczki dwuatomowej CO

Widmo mikrofalowe CO wykazuje serię linii oddalonych od siebie o 3.8843 cm^-1. Na podstawie widma obliczyć długość wiązania R_CO.

Opracowanie wyników

1. Wyjaśnić, dlaczego na widmie obserwuje się dla danego przejścia dwa pasma: mniej i bardziej intensywne.

2. W oparciu o odległości pomiędzy pasmami absorpcyjnymi wyznaczyć stałą rotacyjną, moment bezwładności cząsteczki oraz długość wiązania CO.

Zagadnienia do opracowania

Natura promieniowania elektromagnetycznego

Obsadzenie poziomów energetycznych rotatora w przybliżeniu harmonicznym

Widmo rotacyjne cząsteczek dwuatomowych

Reguły wyboru w przejściach rotacyjnych

Materiały optyczne stosowane w podczerwieni

Literatura

1. Z. Kęcki - Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa, 1998

2. W. Zieliński, A. Rajca - Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych, WNT, Warszawa, 2000

3. K. Małek, L. Proniewicz - Wybrane metody spektroskopii i spektrometrii molekularnej w analizie strukturalnej, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2005

Ćwiczenie 2

Wyznaczanie stałej siłowej z widma oscylacyjnego

Poziomy energetyczne oddalone są o taką samą wartość (ၷ_e cm^-1)

Wszystkie poziomy oscylacyjne nie są zdegenerowane tj. Jednemu stanowi kwantowemu odpowiada jeden poziom Najniższa energia oscylacyjna dla v=0, nigdy nie jest zerowa (w odróżnieniu od rotacji)

G₀= (0 + ½) ၷ_e =0.5 ၷ_e

Jest to energia punku zerowego

• Cząsteczki o sztywnych wiązaniach (większe k) odznaczają się większymi odległościami pomiędzy poziomami oscylacyjnymi

Dla cząsteczek dwuatomowych ၷ_e przyjmuje wartości od ok. 200 do 4500 cm^-1

Np. ၷ_e(I₂) = 215 cm^-1

ၷ_e(H₂) = 4395 cm^-1

Różnice w wartościach ၷe wynikają z różnych wartości k (H₂ posiada znacznie mocniejsze wiązanie) i różnych wartości ၭ [ၭ(H₂)=0.503912 ၭ(I₂)=63.4522]

Badanie „sztywności wiązań” - stałych siłowych jest jednym z przedmiotów badań spektroskopii oscylacyjnej

Odległości poziomów rotacyjnych (0.1Ⴘ10 cm^-1) są znacznie mniejsze niż oscylacyjnych

Część doświadczalna

a) Widmo IR ⁷⁹Br¹⁹F zawiera pojedynczą linię przy 380 cm^-1. Oblicz stałą siłową wiązania Br-F w N/m.

b) Oblicz stałą siłową dla cząsteczki CO wiedząc, że ၷ_e= 2169 cm^-1

Zagadnienia do opracowania

Natura promieniowania elektromagnetycznego

Obsadzenie poziomów energetycznych rotatora i oscylatora w przybliżeniu harmonicznym

Widmo rotacyjne i oscylacyjne cząsteczek dwuatomowych

Reguły wyboru w przejściach rotacyjnych i oscylacyjnych

Materiały optyczne stosowane w podczerwieni

Literatura

1. Z. Kęcki - Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa, 1998

2. W. Zieliński, A. Rajca - Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych, WNT, Warszawa, 2000

3. K. Małek, L. Proniewicz - Wybrane metody spektroskopii i spektrometrii molekularnej w analizie strukturalnej, Wydawnictwo Uniwersytetu Jagiellońskiego, 2005

0.5ω_e

ω_e

ω_e

3.8843 cm^-1

ω_e

ω_e

ω_e

Energia

3.5ω_e

4.5ω_e

2.5ω_e

1.5ω_e

0.5ω_e

v=5

v=4

v=3

v=2

v=1

v=0

V=¹/₂ k(r-r_e)²

r_e

Długość wiązania r

---