7. A MOLEKULÁK
REZGŐ MOZGÁSA
Modell: harmonikus oszcillátor
Atommagokból álló pontrendszer, amely
• oszcillátor (minden tömegpontja az összes többihez rugóval kapcsolódik, megmozdítva rezeg)
• harmonikus (a rezgés során a tömegpontok kitérése arányos a rájuk ható erőkkel)
7.1. A kétatomos molekulák
rezgőmozgása
Modell: a két tömegpontból álló harmonikus oszcillátor
Rezgésének jellemzői:
- erő
- potenciális energia - rezgési frekvencia
m
Bm
AErő
Hooke-törvény:
kq )
d k(d
F
e
de : egyensúlyi távolság d : aktuális távolság k : a rugó állandó q : megnyúlás
negatív előjel: a megnyúlás és az erő egymással ellentétes irányú
Potenciális energia
q
0
kq 2
2 Fdq 1
V(q)
A rezgési frekvencia
μ k 2π
ν 1
ν
: saját frekvenciaμ
: redukált tömegB A
B A
m m
m μ m
Levezethető (l. Fizkém. I.), hogy
Kvantummechanikai tárgyalás:
Schrödinger-egyenlet
v v
v
v
Ψ E Ψ
Hˆ Vˆ
Tˆ
Kinetikus energia
2 B B
2 2 A A
2
m 2 m
Tˆ 2
Mivel a mozgás csak egy irányba történik (jelöljük q-val!)
2 2 2
2 2
B 2 2
2
A 2
2 q m q
q 2 m
Tˆ 2
Potenciális energia
kq 2
2
Vˆ 1
Az oszcillátor Schrödinger- egyenlete
v v
v 2
2 2 2
2 )
( 1
kq E
q
A differenciálegyenlet megoldható!
A saját érték
) h 2
v 1 ( E v
v : rezgési kvantumszám, lehetséges értékei: 0, 1, 2, … : az oszcillátor saját frekvenciája
ν
Energiaszintek
Ev
Energiaszintek
• A rezgési energiaszintek ekvidisztánsak, azaz egyenlő távolságra vannak egymástól.
• Ha v = 0, akkor is van
rezgési energia: „zérusponti rezgési energia”.
Ev
Sajátfüggvények
Kétatomos harmonikus oszcillátor potenciálgörbéje
v = 0 v = 1 v = 2 v = 3
d e d
V ( d )
Kiválasztási szabályok
0
perm1 v
a.) b.)
Kiválasztási szabályok
0
perm1 v
a.) b.)
hν ΔE
1 v' v"
1 v' hν 1
v"
hν hν
ΔE
Kiválasztási szabályok
0
perm1 v
a.) b.)
hν ΔE
1 v' v"
1 v' hν 1
v"
hν hν
ΔE
Bármelyik állapotból történik az átmenet, az abszorpciós frekvencia ugyanaz.
Megegyezik az oszcillátor saját frekvenciájával.
A közelítések tökéletlenek 1.
A kétatomos molekulák rezgőmozgása nem teljesen harmonikus.
2 1
v
1 0
v
Ezek a frekvenciák nem esnek teljesen egybe, egy picit eltérnek egymástól.Szobahőmérsékletű gázoknál (pl. CO, HCl) a molekulák túlnyomó többsége alapállapotban van, az észlelt átmenetek 0 1-nél vannak.
A közelítések tökéletlenek 2.
A rezgő mozgást nem lehet teljesen szeparálni a forgó mozgástól.
Foton elnyelésénél a rezgési és forgási energia is változik.
Rezgési-forgási átmenetek kiválasztási szabálya:
(a forgási kvantumszám!)
1 1 v
J
4203.2 4173.9 4142.8 4109.9 4075.2 4038.9 4000.9 3920.2 3877.6 3833.6 3788.2 3741.4 3693.3
0 .01 .02 .03 .04
4200 4100 4000 3900 3800 3700
Wavenumber (cm-1)
Absorbance
HF gáz rezgési színképe (spektrumkönyvtárból)
R-ág: J=+1 Q-ág: J=0 P-ág: J=-1 R-ág
Q-ág
P-ág
0 .01 .02 .03 .04 .05
3000 2950 2900 2850 2800 2750
Wavenumber (cm-1)
Absorbance
HCl gáz rezgési színképe (spektrumkönyvtárból)
R-ág: J=+1 Q-ág: J=0 P-ág: J=-1 R-ág
Q-ág
P-ág
7.2. A többatomos molekulák
rezgőmozgása
Modell: harmonikus oszcillátor
• 3 vagy több tömegpont
• minden tömegpont az összes többivel össze van kötve rugóval
• megmozdítás után harmonikus rezgést végez
Normál rezgések
A többpontos oszcillátor rezgőmozgása bonyolult.
Felbontható 3N-6 normál rezgésre. (N a tömegpontok száma) Egy normálrezgésben az összes pont
• azonos frekvenciával rezeg
• azonos fázisban rezeg
Belső koordináták
•
A rezgő mozgás tárgyalható Descartes-koordinátákban.
• Molekulákra szemléletesebb belső koordinátákat használni.
• Belső koordináták száma is 3N-6.
Belső koordináták
kötés-nyúlás
Belső koordináták
kötés-nyúlás
kötésszög tágulása
Belső koordináták
kötés-nyúlás
kötésszög tágulása
torzió
Belső koordináták
kötés-nyúlás
kötésszög tágulása
torzió
kötés kihajlása síkból
A többpontos oszcillátor kvantummechanikai tárgyalásának eredményei:
1. A molekulának 3N-6 normálrezgése van. Az i-ik normálrezgéshez
2
v 1 hν
E
vi i ienergia tartozik, ahol
νi az i-ik normálrezgés frekvenciája, vi az i-ik normálrezgés kvantumszáma
3N 61 i
vi
v
E
E
2. A molekula teljes rezgési energiája a 3N-6 normálrezgéshez tartozó energiák összege:
3. A rezgési színképben a normálrezgések frekvenciáinál várható elnyelés, tehát 3N-6 sávot várunk.
Kiválasztási szabályok
a.)egy foton elnyelésével csak 1 normálrezgés gerjeszthető
b.) a molekulának nem kell permanens dipólusmomentummal rendelkeznie! (E nélkül is lehet észlelni rezgési átmeneteket, pl.
szén-tetraklorid, benzol)
0 v
, 1 v
i j i
Példa: formaldehid infravörös színképe (gőz)
A formaldehid molekula normálrezgései
O
C
H H
O
C
H H
O
C
H H
O
C
H H
O
C
H H
O
C
H H
+ +
+ -
2785 1750 1250
1165
0 .02 .04 .06 .08
3500 3000 2500 2000 1500 1000
Wavenumber (cm-1)
Absorbance
Formaldehid gőz nagyfelbontású IR színképe (spektrumkönyvtárból)
7.3. Infravörös színképek
Rezgési átmenetek:
Az infravörös tartományba esnek
=2-100 m.
Spektrum ábrázolása:
Vízszintes tengelyen helyett hulllámszám (* [cm-1]) Értéke 4000-400 cm-1
Függőleges tengelyen intenzitás
abszorbancia transzmittancia
Minta: gáz, folyadék, oldat, szilárd anyag.
I
A log Io 100(%)
Io
T I
Mintakészítés
Gáz:
10-100 cm-es küvetta, KBr ablakokkal Oldat:
Oldószerek: CCl
4, CS
2, CH
3CN
néhány vastagságú küvetta, KBr ablakokkal Szilárd
KBr pasztilla (őrlés KBr-dal, préselés)
Film (oldatban KBr pasztillára viszik, oldószert elpárologtatják,
Paraffinos szuszpenzió
Metángáz infravörös színképének részlete
Ammóniagáz infravörös színképe
Kristályos acetanilid infravörös színképe
KBr pasztillában
Vanilin infravörös színképe (CCl4 oldat)
Alkalmazás I:
minőségi analízis - vegyület azonosítása
Funkciós csoportok kimutatása
„karakterisztikus rezgések”: a normálrezgésben egy funkciós csoport egyféle mozgása dominál, ezért a
különböző molekulákban hasonló hullámhossznál ad sávot Például
CH3 2860-2900 cm-1 és 2950-3000 cm-1
CH2 2840-2880 cm-1 és 2920-2950 cm-1
C=O 1660-1720 cm-1
Alkalmazás II:
mennyiségi analízis - összetétel meghatározása
Példa: Kipufogógáz infravörös spektruma (1942-es Packard)
J. A. Ganske, Chem. Educator 8 (2003)
Alkalmazás III: képalkotás infravörös képalkotás
(mikroszkópia)
The visible image The spectrum of one pixel
IR images
2D 3D
Horse hair
(5-m-thick section embedded in paraffin)7.4 Fourier transzformációs
infravörös spektroszkópia
A Fourier-transzformáció (matematikai összefoglaló)
) ( X )}
t ( x {
F
Fourier-transzformáció továbbiakban FT.
Két függvényt kapcsol össze, amelyek független
változóinak dimenziói egymással reciprok viszonyban vannak.
Például: idő-frekvencia
Fourier-transzformáció
t
dt ) t 2 i exp(
) t ( x )
( X
(Időtartományból frekvenciatartományba transzformálás)
t t
dt ) t 2
sin(
) t ( x i
dt ) t 2
cos(
) t ( x )
( X
Euler-formula szerint
Fourier-transzformáció
t t
dt ) t 2 sin(
) t ( x i
dt ) t 2 cos(
) t ( x )
( X
t
dt ) t 2 i exp(
) t ( x )
( X
(Időtartományból frekvenciatartományba transzformálás)
Euler-formula szerint
Ha x(t) páros függvény, a Fourier-transzformáltban csak a cos-os tagok szerepelnek (cos páros függvény)
t
ps
ps( ) x (t)cos(2 t)dt X
A Fourier-transzformációs
spektrométerek
I R f é n y f o r r á s
Á l l ó t ü k ö r
M o z g a t h a t ó t ü k ö r F é n y o s z t ó
M i n t a I R d e t e k t o r H e - N e l é z e r
V I S d e t e k t o r
Fényforrás: izzó kerámiarúd
Detektor: termoelem v. piroelektromos kristály
Interferogram:
Spektrum:
) S ( ~ ) cos 2 ~ d ~ (
I