Molekuláris rezgések

A rezgések típusai

Ha a molekulának kettőnél több atomja van, akkor a dolgok bonyolultabbá válnak. Tegyük fel, hogy csak egy újabb atomot adunk hozzá, így most már három atom van, mint a vízben H₂ O, ahol a két hidrogénatom mindkettő a központi oxigénatomhoz kapcsolódik. Emlékezzünk, hogy a hidrogén esetében egyféle nyúlás volt, de a vízben kétféle nyúlás és négy másik fajta rezgés van, amelyeket hajlító rezgéseknek nevezünk, ahogy az alább látható.

A CH₂ csoport vagy a vízhez hasonló molekulák atomjai hat különböző módon képesek rezegni: szimmetrikus és antiszimmetrikus nyújtás, ollózás, hintázás, csavarás és csavarás:

szimmetrikus nyújtás: amikor a két csatolt atom egyszerre távolodik és közeledik a központi atomhoz.

antiszimmetrikus nyújtás: Amikor a két csatolt atom nem mozog egyszerre a központi atomtól távolodva és a központi atom felé.

ollózás: Az ollózás az, amikor a két atom távolodik egymástól és közeledik egymáshoz.

ringatózva: Ez a mozgás olyan, mint egy óra ingája, amely oda-vissza jár, csak itt egy atom az inga, és egy helyett kettő van.

csóválja a fejét: Ha valaki maga elé tartja a kezét, és a két ujját "V" alakban tartja, majd a csuklóját maga felé és elfelé hajlítja. Itt az ujjhegyek a csatolt atomok, a csukló pedig a központi atom.

csavarás: Ez a mozgás olyan, mintha az ember egy futópadon járna, ahol a dereka a központi atom, a lába pedig a két csatlakozó atom.

Háromnál több atomot tartalmazó molekulák

A háromnál több atomot tartalmazó molekulák még bonyolultabbak, és még több rezgéssel rendelkeznek, amelyeket néha "rezgésmódoknak" neveznek. Minden egyes új rezgésmód alapvetően a fent bemutatott hat különböző kombinációja. Minél több atom van a molekulában, annál többféleképpen kombinálhatók. A legtöbb N atomot tartalmazó molekula esetében a lehetséges rezgési módok száma 3N - 6, míg a lineáris molekulák, vagyis az egyenes vonalban elhelyezkedő atomokkal rendelkező molekulák 3N-5 rezgési móddal rendelkeznek.

Az energia és a rezgés kapcsolata

newtoni mechanika

A newtoni mechanika segítségével a molekula rezgései kiszámíthatók, ha a kötéseket rugóként kezeljük. Ez azért hasznos, mert a rugóhoz hasonlóan a kötésnek is energiára van szüksége ahhoz, hogy kinyújtsa, és energiára van szüksége ahhoz is, hogy összenyomja. A kötés kinyújtásához vagy összenyomásához szükséges energia a kötés merevségétől függ, amelyet a k rugóállandóval, valamint a két végéhez kapcsolt két atom csökkentett tömegétől vagy "tömegközéppontjától", amelyet μ-vel jelölünk. A kötés rezgésének előidézéséhez szükséges energia összefüggésére használt képlet a következő:

  E = h ν = h 2 π k μ . {\displaystyle \ E=h\nu ={h \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}.\! }

h: a Planck-állandó

ν: a frekvencia, és azt a sebességet jelöli, amellyel a kötés összenyomódik és újra széthúzódik. Minél nagyobb ν, annál gyorsabb ez a sebesség.

Ε: a kötés összenyomásához és összehúzásához szükséges energia.

μ: A redukált tömeg az atomok két tömegének szorzata és az összeadásukkal való osztása:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\displaystyle \mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\! }

Kvantummechanika

A kvantummechanikát használva a rugót leíró képlet pontosan ugyanaz, mint a newtoni mechanika változata, kivéve, hogy csak bizonyos energiák vagy energiaszintek megengedettek. Gondoljunk az energiaszintekre úgy, mint egy létra lépcsőfokaira, ahol az ember egyszerre csak egy lépcsőfokot tud felmenni vagy lemenni. Ahogy ez a személy nem állhat a lépcsőfokok közötti térben, úgy a kötésnek sem lehet energiája az energiaszintek között. Ez az új képlet a következő lesz:

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\displaystyle E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}\! } ,

ahol n egy kvantumszám vagy "energiaszint", amely 0, 1, 2 ... Azt a kijelentést, hogy az energiaszintek egyszerre csak egy szinttel feljebb vagy lejjebb mehetnek, szelekciós szabályként ismerjük, amely kimondja, hogy az energiaszintek között csak a következő átmenetek megengedettek:

Δ n = ± 1 {\displaystyle \Delta n=\pm 1}

ahol \Delta n az energiaátmenet.

A rezgőmozgások alkalmazásai

Amikor egy bizonyos frekvenciájú fény olyan molekulára esik, amelynek rezgése ugyanannak a frekvenciának felel meg, akkor a fény elnyelődik a molekulában, és a fény energiája a kötéseket az adott rezgésmozgásban való mozgásra készteti. Az elnyelődő fény ellenőrzésével a tudósok meg tudják állapítani, hogy van-e egy bizonyos típusú molekuláris kötés, és össze tudják vetni az adott kötéssel rendelkező molekulák listájával.

Egyes molekulák, például a hélium és az argon azonban csak egy atomból állnak, és nincsenek kötéseik. Ez azt jelenti, hogy ezek nem nyelik el a fényt ugyanúgy, mint az egynél több atomot tartalmazó molekulák.

A molekuláris rezgéseket a kémia azon speciális területei közé tartozik az infravörös spektroszkópia (IR) és a Raman-spektroszkópia (Raman), amelyek közül az IR-t szélesebb körben használják, és három saját alterületük is van. Ezeket az alterületeket közeli IR, középső IR és távoli IR spektroszkópiának nevezik. Az alábbiakban e területek és valós alkalmazások általános felsorolása következik

Közeli IR: olyan fajok mennyiségi meghatározása, mint a fehérjék, zsírok, kis molekulatömegű szénhidrogének és víz. További felhasználás a mezőgazdasági termékek, az élelmiszer-, a kőolaj- és a vegyiparban.

Középső IR: Az IR-mezők közül a legnépszerűbb, szerves és biokémiai vegyületek szerkezetének meghatározására használják.

Távoli IR: ez a terület kevésbé népszerű, bár a szervetlen vizsgálatokban felhasználásra került.

Raman: Szervetlen, szerves és biológiai rendszerek minőségi és mennyiségi vizsgálatára használják, gyakran az IR technikát kiegészítő technikaként.