Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
7
Теоретичні відомості.
Інфрачервона (ІЧ) спектроскопія є одним з основних методів аналізу органічних сполук. Сучасна ІЧ-спектроскопія являє собою експрес-метод встановлення структурних особливостей органічних сполук. За допомогою ІЧ-спектроскопії швидко та надійно можна ідентифікувати різні функціональні групи, а також різні фрагменти: подвійні та потрійні вуглець-вуглецеві зв’язки, ароматичні та гетероароматичні структури. Методами ІЧ-спектроскопії вивчають внутрішню та міжмолекулярну взаємодію, наприклад, утворення водневого зв’язку.
В хімії вуглецевих матеріалів ІЧ-спектросокпія використовується як чутливий метод для якісного встановлення наявності функціональних груп на поверхні вуглецевого носія.
Інфрачервоним випромінюванням називают випромінювання з довжинами хвиль від 0.5 до 1000 мкм. В ІЧ-діапазоні проявляються переходи між коливальними та обертальними рівнями енергії молекул. Коливальний (інфрачервоний) спектр молекули являє собою ряд піків (смуг поглинання), які відповідають різним коливальним енергетичним переходам. Більшість коливальних переходів в молекулах органічних сполук реалізується в діапазоні довжин хвиль λ від 2.5 до 25 мкм. В одиницях хвильових чисел ν= 1/λ (cм-1) цей інтервал складає 4000-400 cм-1. Саме в цьому інтервалі хвильових чисел реєструють ІЧ-спектри органічних і природних сполук.
Молекула, яка складається з N атомів, має 3N ступіней вільності, з яких три припадають на поступальний рух молекули як цілого, три – на обертальний рух молекули навколо її головних осей. 3N-6 ступіней вільності, що залишилися (для лінійної молекули - 3N-5) є так званими нормальними коливаннями. Повний коливальний рух молекули можна уявити у в вигляді комбінації нормальних коливань. В залежності від будови органічної молекули в ІЧ-спектрах можуть проявлятися або всі нормальні коливання, або частина з них.
Активними, (що проявляються в ІЧ-спектрах), є тільки ті коливання, які супроводжуються зміною електричного дипольного момент µ зв’язку. Основне коливання активно в ІЧ-спектрі, якщо перша похідна дипольного моменту за нормальною координатою r відмінна від 0, тобто, . Тому, зазвичай, в ІЧ-спектрах органічних сполук з високою інтенсивністю проявляються коливання полярних зв’язків С–О, С=О, С–N, N=O, S=O і т. п.
Кількість смуг поглинання в ІЧ-спектрах може відрізнятися від кількості нормальних коливань молекули внаслідок появи додаткових смуг: обертонів; складних частот; ліній, зумовлених резонансом Фермі.
В ІЧ-спектроскопії дуже важливим є поняття характеристичності нормальних коливань, тобто, відповідності їх визначеним групам атомів. Характеристичним за частотою є нормальне коливання групи атомів, частота якого зберігається сталою для ряду структурно близьких молекул, які містять дану групу атомів. Характеристичність за частотою проявляють коливання багатьох груп в органічних сполуках, наприклад, С=О, С=С, О–Н, С–Н та інші. Саме характеристичність коливань дозволяє використовувати ІЧ-спектроскопію для ідентифікації органічних сполук.
Нормальні коливання діляться на валентні ν та деформаційні δ. У випадку валентних коливань відбувається зміна довжини зв’язку вздовж її осі, при цьому розрізняють валентні асиметричні і симетричні коливання (рис.1а, б). Деформаційні коливання супроводжуються зміною кута між зв’язками (рис. 1в, г).
а) б)
в) г)
Рис. 1- Нормальні коливання: валентні асиметричні (а) та симетричні (б), деформаційні симетричні (в) та асиметричні (г)
В ІЧ-спектрах органічних сполук можна виділити три основні області:
1. 4000-2500 см-1- область валентних коливань простих зв’язків X–H: O–H, N–H, C–H, S–H.
2. 2500-1500 см-1 - область валентних коливань кратних зв’язків X=Y, X≡Y: C=C, C=O, C=N, C≡C, C≡N.
3. 1500-500 см-1 - область валентних коливань простих зв’язків X–Y: C–C, C–N, C–O і деформаційних коливань простих зв’язків X–H: С–H, O–H, N–H.
Ця область також називається ”областю відбитків пальців”, так як положення і інтенсивність смуг поглинання в цьому діапазоні сугубо індивідуальні для кожної конкретної органічної сполуки. Тільки по повному співпаданню частот і інтенсивностей ліній в цій області ІЧ-спектра можна говорити об ідентичності об’єктів, що порівнюються.
При інтерпретації ІЧ-спектрів найбільш інформативними є області 2500-1500 см-1 та 4000-2500 см-1. Аналіз першої з них дозволяє визначити в структурі сполуки фрагменти: C=C, C≡C, C=O, C=N, C≡N, ароматичні і гетероароматичні ядра. Смуги поглинання в області 4000-2500 см-1 дозволяють однозначно ідентифікувати такі функціональні групи, як O–H, N–H, S–H, а також різні типи зв’язків вуглець–водень
Csp3–H, Csp2–H, Csp–H, (O=)C–H (альдегід). Тому рекомендується починати розгляд ІЧ-спектрів саме з цих двох областей. При виявленні в них характеристичних смуг валентних коливань визначених типів зв’язку рекомендується додатково знайти смуги відповідних деформаційних коливань в області 1500-500 см-1, наприклад, у випадку зв’язків O–H, N–H, С–H.
Сучасні спектрометри дозволяють реєструвати ІЧ-спектри зразків в газоподібному ,рідкому і твердому стані. Для отримання ІЧ-спектру органічної або природної сполуки необхідно всього від 1 до 10 мг речовини. Реєстрація ІЧ-спектрів проводиться в кюветах, виготовлених з броміду калію KBr або хлориду натрію NaCl – матеріалів, що не поглинають ІЧ-випромінювання в діапазоні частот, що досліджується. ІЧ-спектри прийнято записувати у вигляді залежності пропускання ІЧ-випромінювання (%) ві хвильового числа ν = 1/λ (cм-1). Тому максимуми піків, що відповідають найбільшому поглинання ІЧ-випромінювання, обернені донизу. В більшості випадків ІЧ-спектри органічних і природних сполук реєструються або у вигляді розчинів речовин в хлороформі CHCl3, чотирихлористому вуглеці CCl4, сірковуглеці CS2, або у вигляді твердих прозорих таблеток, отриманих пресуванням під тиском дрібно розмолотої суміші речовини з бромідом калію. У випадку реєстрації ІЧ-спектрів сполук в розчинах необхідно віднімати смуги поглинання розчинників.
При реєстрації ІЧ-спектрів органічних і природних сполук часто спостерігаються лінії поглинання домішок в зразках. Зазвичай, це сигнал води поблизу 3450 см-1, коливання діоксиду вуглецю (як домішки з атмосфери) при 2360-2325 см-1. Інколи зразки забруднені сіліконовими змазками, які мають смуги при 1625 см-1 та 1100-1000 см-1 або фталатами з піком поблизу 1725 см-1.
В таблиці 1 наведені характеристичні коливальні частоти органічних сполук.
Таблиця 1- Характеристичні коливальні частоти органічних сполук
|
Групи і типи коливань |
Діапазон частот (см-1), |
|
Прості ковалентні зв’язки C-H |
|
|
алкани Csp3-H валентні деформаційні |
1470-1430 (середн.) 1380-1370 (сильн.) |
|
алкени Csp2-H валентні (═CH2) деформаційні (-CH═CH2) валентні (═CH-) деформаційні (-CH═CH-) транс- цис- |
3095-3075 (середн.) 1420-1410 (сильн.) 995-985 (сильн.) 915-905 (сильн.) 3040-3010 (середн.) 1310-1295 (середн.) 970-960 (сильн.) около 690 (середн.) |
|
алкіни Csp-H валентні (≡C-H) деформаційні (-C≡C-H) |
3300 (сильн.) 680-610 (сильн.) |
|
Прості ковалентні зв’язки X-H |
|
|
O-H вільний валентні деформаційні O-H зв’язаний H-зв’язком валентні спирти, феноли, вуглеводи карбонові кислоти |
3650-3590 (сильн., вузька) 1450-1250 (середн., широка) 3550-3200 (сильн., широка) 2700-2500 (широка) |
|
Прості ковалентні зв’язки X- Y |
|
|
алкільні групи Csp3-Csp3 валентні |
1250-1200 (сильн.) |
|
C-O валентні |
1260-1000 (сильн.) |
|
Подвійні ковалентні зв’язки X═Y |
|
|
С═C валентні ізольований подвійний зв’язок алкени |
1670-1620 (змін.) |
|
С═O валентні насичені альдегіди, кетони, карбонові кислоти |
1750-1700 (сильн.) 1670-1630 (сильн.) |
|
Лактонова група (валентні) |
1452-1432 |
|
СO2 |
2371-2343 |
Завдання на лабораторну роботу.
В роботі пропонується проаналізувати ІЧ-спектр, отриманий для функціалізованого терморозширеного графіту (ТРГ).
ТРГ був отриманий методом термо-хімічної обробки природного дисперсного графіту ГАК 1 завальєвського родовища: природний дисперсний графіт інтеркалювався сірчаною кислотою за біхроматною методикою до першої стадії, а потім був підданий терморозширенню при температурі (1173-1273)К в пічці висхідного потоку. Функціалізація проводилася обробкою вихідного ТРГ 1.5М розчином перманганату калію в 20 % розчині сірчаної кислоти (варіант 1), сумішшю концентрованих сірчаної (96 %) та азотної (65 %) кислот, відношення об’ємів сірчаної та азотної кислоти = 1:3 (варіанти 2-5) та 95% етанолом (варіант 6).
|
N |
Хвильове число , см-1 |
Відносна інтенсивність І, відносні од. |
Функціональна група |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
3. Визначити нормовану інтенсивність смуг, що відповідають різним функціональним групам. Для цього визначити смугу з максимальною інтенсивністю, взяти максимальну інтенсивність за 100%, розрахувати (у відсотках) інтенсивність всіх інших смуг (смугу, що ідентифікується, як така, що пов’язана з СО2, не враховувати). Заповнити таблицю 3.
Таблиця 3.
|
N |
ФГ |
Відносна інтенсивність (%) |
|
1 |
2 |
3 |
|
-OH вільні, валентні |
||
|
- ОН зв’язані (H2O) |
||
|
Csp2-H (=CH2), валентні |
||
|
Csp3-H, валентні |
||
|
СО2 |
||
|
С=О, валентні кетонові |
||
|
С=О, валентні карбонові к-ти |
||
|
С=С, валентні |
||
|
Коливання за рахунок лактонової групи |
||
|
-OH вільні, деформаційні |
||
|
С-О, валентні |
||
|
Csp2-H (=CH2), деформаційні |
||
|
С=С, деформаційні |
4. Відносна концентрація функціональної групи на поверхні вуглецевого носія пропорційна відносній інтенсивності смуги, що відповідає даній функціональній групі. Таким чином, відносне співвідношення концентрацій функціональних груп можна оцінити за співвідношенням відповідних інтенсивностей смуг, що відповідають кожній групі. Знайти співвідношення відносних інтенсивностей, що відповідають функціональним групам: -ІОН:ІС=О(кетонова):ІС=О(карбоксильна):Ілактонова:ІС-О.
5. Зробити висновок про відносну концентрацію функціональних груп на поверхні вуглецевого носія.