Część teoretyczna
W widmie absorpcji w podczerwieni zmienną niezależną jest najczęściej liczba falowa ν ( cm-1 ), a zmienna zależną wartość transmisji podawana w procentach ( % T ). Liczba falowa, wyrażona w cm-1 jest odwrotnościa długości fali, wyrażonej w cm. Obok liczby falowej niejednokrotnie podaje się długość fali w μm.
Promieniowanie elektromagnetyczne absorbowane przez czasteczki powoduje nie tylko wzbudzenie elektronowe, ale również wywołuje zmiany energii oscylacyjnej i rotacyjnej. Do wywołania zmian energii rotacyjnej wystarcza absorpcja promieniowania o stosunkowo małej energii ( ν < 100 cm-1 ); ( λ > 100 μm ). Absorpcja ta jest kwantowana i widmo rotacji czasteczek składa się z oddzielnych linii. Absorpcja promieniowania IR w obszarze 10 000 cm-1 ÷ 100 cm-1 ( λ ÷ 1 ÷ 100 μm ), wiąże się na ogół ze zmianami oscylacyjnymi w cząsteczce. Widmo oscylacyjne występuje częściej w postaci pasm niż linii, ponieważ każdej zmianie energii oscylacji towarzyszy zmiana energii rotacji. Zatem widma, występujące w tym zakresie, to widma oscylacyjno - rotacyjne. Widma oscylacyjne są wynikiem dwóch zasadniczych typów drgań cząsteczkowych:
drgań walencyjnych ( rozciągających )
drgań deformacyjnych, należą do nich: a) drgania nożycowe
b) drgania kołyszące
c) drgania skręcające
d) drgania wahadłowe
Liczba stopni swobody cząsteczki jest równa sumie stopni swobody wszystkich atomów wchodzących w jej skład. Każdy atom ma trzy stopnie swobody, a zatem cząsteczka złożona z n atomów ma 3n stopni swobody.
W przypadku cząsteczek nieliniowych, trzy spośród stopni swobody opisujące rotacje, trzy - translacje, natomiast 3n - 6 stopni swobody, stanowią oscylacyjne stopnie swobody ( tzw. drgania podstawowe ).
Cząsteczki liniowe mają 3n - 5 oscylacyjnych stopni swobody , gdyż do opisania rotacji wystarczą dwa stopnie swobody.
W widmach IR oprócz częstości, odpowiadających drganiom podstawowym, obserwuje się również:
pasma harmoniczne ( nadtony )
pasma kombinacyjne
Czasami w widmie IR występują pasma o dużym natężeniu, powstające w wyniku tzw. rezonansu Fermiego. Rezonans Fermiego ma miejsce wtedy, gdy któraś z częstości harmonicznych ma wartość bliską częstość drgania podstawowego. W przypadku cząsteczek symetrycznych w widmie IR mogą pojawiać siętylko niektóre z 3n - 6 drgań podstawowych, gdyż w podczerwieni aktywne sątylko te drgania, z którymi związana jest zmiana momentu dipolowego cząsteczki.
Natomiast w widmie ramanowskim czynne są tylko te drgania, z których związana jest znaczna polaryzowalność cząsteczki. W związku z tym została sformuowana zasada wzajemnego wykluczenia o treści:
,, Jeżeli cząsteczka ma środek symetrii, to w widmie IR czynne są drgania antysymetryczne względem środka symetrii i drgania te nie są czynne w widmie ramanowskim; na odwrót w widmie ramanowskim czynne są drgania symetryczne względem środka symetrii i z kolei drgania te nie występują w widmie IR.''
Spektrofotometry IR posiadaja te same elementy budowy, co spektrofotometry UV - VIS, jednak w szczegółach budowy występują pewne różnice. W skład spektrofotometru IR wchodzą m. in.: 1) źródło światła, 2) komora do umieszczania próbek, 3) monochromator, 4) detektor, 5) wzmacniacz, 6) rejestrator.
Spektrofotometry IR
Są to aparaty dwuwiązkowe, zaopatrzone w urządzenia samorejestrujące.
Schemat blokowy dwuwiązkowego spektrofotometru IR
Określenie przyrząd dwuwiązkowy - odnosi się do aparatów pracujących na zasadzie porównywania wielkości energii promienistej, przepuszczonej przez badaną próbkę, z tą samą wielkością energii promienistej przepuszczoną przez odnośnik, którym może być powietrze.
Parametry określające przydatność spektrofotometrów IR to:
rozdzielczość spektralna
dokładność fotometryczna
prędkość rejestracji widma
Metodyka pomiaru widm absorpcyjnych w podczerwieni.
Metoda transmisyjna.
Umożliwia ona badanie gazów, cieczy i ciał stałych.
Gazy można badać w tzw. kuwetach gazowych ( szklane i metalowe ).
Ciecz bada się w specjalnych kuwetach, które można podzielić na dwie grupy: kuwety zamknięte i rozbieralne.
Ciała stałe można badać w postaci roztworów, warstewek filmu, zawiesin i w postwci pastylek.
Metody odbiciowe ( refleksyjne )
Metoda pojedyńczego odbicia, określana często skrótem ATR.
Metoda wielokrotnego wewnętrznego odbicia, określana skrótem MIR ( wielokrotne wewnętrzne odbicie ).
Zastosowanie spektrofotometrii w podczerwieni.
Identyfikacja związków
Widmo IR danego związku chemicznego składa się z zespołów pasm, charakterystycznych tylko dla tego związku. Fakt ten wykorzystuje się do identyfikacji grup spektralnych, występujących w związku. Przypisuje się poszczególnym grupom funkcyjnym ściśle określone obszary, w których występują charakterystyczne dla nich pasma.
Kompletne widmo związku daje możliwość stwierdzenia identyczności substancji badanej ze wzorcem. Dwie substancje są identyczne wtedy, gdy ich widma w podczerwieni są jednakowe. Zmiany częstości drgań grupowych dla danej substancji związane są z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi. Oddziaływania międzycząsteczkowe praktycznie nie mają miejsca w fazie gazowej. Zmiany częstości drgań mogą występować w fazie ciekłej, na skutek zjawiska asocjacji cząsteczek oraz w fazie krystalicznej. Swobodnej niezdysocjowanej grupie - OH odpowiada wysokie pasmo absorpcyjne w zakresie 3670 - 3580 cm-1. Pasmo to obserwuje się w widmie par alkoholi. Wzrost stężenia roztworów prowadzi do powstawania dimerów i poliasocjatów, stąd w widmie oprócz pasma swobodnej grupy OH pojawiają się w obszarze niższych częstości nowe pasma.
Analiza ilościowa w podczerwieni
Wartość absorpcji ( absorbancja ) określona jest wzorem 
W analizie ilościowej w podczerwieni często stosuje się metodę linii podstawowej. Metodę tę można stosować tylko wtedy, gdy substancja badana wykazuje dużą absorpcję, przy danej długości fali, w porównaniu z pozostałymi składnikami mieszaniny.
Najlepsze wyniki w analizie ilościowej uzyskuje się dla próbek ciekłych lub roztworów, w przypadku gazów zamiast stężenia c stosujemy ciśnienie cząstkowe p.
Wnioski
Na podstawie wykresu stwierdziłyśmy, że badaną substancją jest związek aromatyczny. Świadczą o tym pasma absorpcyjne występujące w obszarze 1600 - 1450 cm-1. Związek ten nie posiada wiązań wielokrotnych. Pierwszą grupą funkcyjną, którą zaobserwowałyśmy jest grupa wodorotlenowa - OH. W obszarze 3600 - 3000 cm-1 występują pasma absorpcyjne związane z drganiami walencyjnymi grupy O-H ( w naszym przypadku pasmo leży przy ok. 3500 cm-1 ) oraz w obszarze 1400 - 1000 cm-1 występują pasma absorpcyjne związane z grupą C-O-H. Kolejną grupą jest grupa karbonylowa C = O, która leży w obszarze 1900 - 1580 cm-1. Związki zawierające grupę karbonylową to aldehydy, ketony, kw. karboksylowe i ich pochodne. W naszym przypadku jest to grupa w kw. karboksylowych. Charakterystyczna jest dla nich absorpcja odpowiadająca drganiom walencyjnym grupy wodorotlenowej. Występuje charakterystyczne pasmo przy ok. 3550 cm-1. Ponadto w widmach kw. karboksylowych występuje absorpcja o dużym natężeniu w obszarze 1420 - 1200 cm-1, związana z drganiami deformacyjnymi C - H i drganiami walencyjnymi C - O.
Na tej podstawie możemy przypuszczać, że analizowanym związkiem jest kw. benzoesowy.
Wyszukiwarka