Widma cząsteczek

przejścia rotacyjne

• Badaniem widm zajmuje się spektroskopia

czyli

• nauka o powstawaniu i interpretacji widm

powstających w wyniku oddziaływań
wszelkich rodzajów promieniowania na
materię rozumianą jako zbiorowisko
atomów i cząsteczek.

•

nauka wykorzystująca światło do

badania właściwości atomów, cząsteczek i
materiałów

• W spektroskopii wykorzystywane są dwa

rodzaje widma rotacyjnego:

• widmo rotacyjne absorpcyjne, obserwowane w

zakresie promieniowania mikrofalowego,

powstałe na skutek przejścia promienistego (w

wyniku absorpcji promieniowania

mikrofalowego) między niższym a wyższym

poziomem rotacyjnym cząsteczki. Warunkiem

obserwacji takiego widma jest posiadanie

przez cząsteczkę trwałego elektrycznego

momentu dipolowego, czyli polarność

cząsteczki.

• widmo rotacyjne Ramana, obserwowane w

widmie rozproszeniowym, powstałe na
skutek rozproszenia nieelastycznego
promieniowania elektromagnetycznego na
poziomach rotacyjnych cząsteczki.
Warunkiem obserwacji takiego widma jest
anizotropia polaryzowalności cząsteczki,
czyli w praktyce nie posiadanie przez daną
cząsteczkę symetrii tetraedru, oktaedru
lub ikosaedru.

• Widmo rotacyjne - widmo powstałe na

skutek przejść między poziomami

rotacyjnymi (skwantowanymi poziomami

energii obrotowej) cząsteczki pod

wpływem promieniowania

elektromagnetycznego. Widmo rotacyjne

można otrzymać wyłącznie dla substancji

w fazie gazowej. Obserwuje się je w

postaci szeregu wąskich linii widmowych.

Klasyfikacja cząsteczek

wieloatomowych jako

rotatorów (bąków) ze względu

na typ symetrii

Widma rotacyjne cząsteczek
wieloatomowych zależą od ich symetrii.
Rozróżnia się następujące rotatory.
( Liczba kwantowa J przybiera, podobnie
jak dla cząsteczki dwuatomowej,
wartości naturalne łącznie z zerem.)

• Rotatory liniowe (CO2, C2H2).

Poziomy energetyczne, reguły wyboru i
widmo są analogiczne jak w
cząsteczkach dwuatomowych, czyli
charakteryzują je dwie liczby
kwantowe, J,M, a energia zależy od
jednej z nich:

• Rotatory sferyczne, do których należą

cząsteczki o więcej niż jednej osi obrotowej z
krotnością większą niż 2, czyli z grupy symetrii
tetraedru, oktaedru lub ikosaedru (na
przykład CH4, SF6, C60). Tensor momentu
bezwładności jest w nich izotropowy, IA = IB = IC
Stany rotacyjne w nich charakteryzują trzy liczby
kwantowe, J,M,K. Energia zależy tylko od jednej z
nich

• Rotatory symetryczne, do których należą cząsteczki o

jednej osi obrotowej z krotnością większą niż 2 (na przykład
NH3, CH3Cl, C6H6). Dzielą się na wydłużone (NH3, CH3Cl)
(IA < IB = IC) i spłaszczone (C6H6) (IA = IB < IC). W
przybliżeniu rotatora sztywnego stany rotacyjne w nich
charakteryzują trzy liczby kwantowe, J,M,K, M=-J,-
J+1,...,0,...,J-1,J i K=-J,-J+1,...,0,...,J-1,J. Energia zależy od J i
K:

Rotacyjne widmo absorpcyjne

cząsteczki dwuatomowej CO

• Przejścia rotacyjne są

niskoenergetyczne 1-100cm

-1

pojawiają się w obszarze spektralnym
nazywanym mikrofalowym MW

• Obserwowane są dla cząsteczek o

stałym momencie dipolowym – np.
cząsteczki O

2

, H

2

czy N

2

nie mają

widm rotacyjnych

Zastosowanie

• Głównym zastosowaniem widma rotacyjnego

w chemii jest wyznaczanie struktury
geometrycznej małych cząsteczek (długości
wiązań oraz kątów i kątów dwuściennych
między nimi). Służy ono także do
wyznaczania (z intensywności linii
widmowych) temperatury odległych
obiektów. Widma rotacyjne molekuł
umieszczonych w zewnętrznym polu
elektrycznym służą też do wyznaczania
elektrycznego momentu dipolowego.

• Koniec