Vibratiespectroscopie

Soorten trillingen

Als het molecuul meer dan twee atomen heeft, wordt het ingewikkelder. Stel dat er nog een atoom wordt toegevoegd, dan zijn er nu drie atomen, zoals in water _H2O, waar de twee waterstofatomen beide aan het centrale zuurstofatoom vastzitten. Onthoud dat er bij waterstof één soort uitrekking was, maar in water zijn er twee soorten uitrekking en vier andere soorten trillingen die buigvibraties worden genoemd, zoals hieronder is aangegeven.

De atomen in een CH2-groep of moleculen zoals water kunnen op zes verschillende manieren trillen: symmetrisch en antisymmetrisch uitrekken, scharen, schommelen, waggelen en verdraaien:

symmetrische strekking: wanneer de twee aangehechte atomen tegelijkertijd van het centrale atoom weg en naar het centrale atoom toe bewegen.

antisymmetrische strekking: wanneer de twee aanhangende atomen niet tegelijkertijd van het centrale atoom af en naar het centrale atoom toe bewegen.

scharen: Zoals de naam al zegt, scharen is wanneer de twee atomen van elkaar af en naar elkaar toe bewegen.

wiegend: Deze beweging is als een slinger op een klok die heen en weer gaat, alleen is hier een atoom de slinger en zijn het er twee in plaats van een.

Kwispelen: Als iemand zijn hand voor zich houdt en zijn twee vingers in een V-teken zet en zijn pols naar hem toe en van hem af buigt. Hier zijn de toppen van de vingers de aanhangende atomen en de pols is het centrale atoom.

draaien: Deze beweging is alsof iemand op een loopband loopt waar zijn middel het centrale atoom is en zijn voeten de twee aangesloten atomen

Moleculen met meer dan drie atomen

Moleculen met meer dan drie atomen zijn nog ingewikkelder en hebben nog meer trillingswijzen, die soms "trillingswijzen" worden genoemd. Elke nieuwe trillingstoestand is in feite een andere combinatie van de zes die hierboven staan. Hoe meer atomen in het molecuul, hoe meer manieren ze kunnen worden gecombineerd. Voor de meeste moleculen met N atomen is het aantal mogelijke trillingen voor dat molecuul 3N - 6, terwijl lineaire moleculen, of moleculen met hun atomen in een rechte lijn, 3N-5 trillingsmodes hebben.

Verband tussen energie en trilling

Newtoniaanse mechanica

Met behulp van de Newtoniaanse mechanica kunnen de trillingen van een molecule worden berekend door de bindingen als veren te behandelen. Dit is nuttig omdat een binding, net als een veer, energie nodig heeft om hem uit te rekken en ook energie om hem samen te knijpen. De energie die nodig is om de binding uit te rekken of samen te knijpen hangt af van de stijfheid van de binding, die wordt weergegeven door de veerconstante k, en de gereduceerde massa, of "massamiddelpunt" van de twee atomen die aan elk uiteinde vastzitten, aangeduid met μ. De formule die wordt gebruikt om de energie in verband te brengen die nodig is om een trilling in de binding te veroorzaken is:

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

h: is de constante van Planck

ν: is de frequentie en vertegenwoordigt de snelheid waarmee de binding wordt samengedrukt en weer uit elkaar getrokken. Hoe groter ν, hoe sneller deze snelheid wordt.

Ε: is de energie die nodig is om de binding samen te duwen en te trekken.

μ: De gereduceerde massa is de twee massa's van de atomen vermenigvuldigd en gedeeld door hun optelling:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\a6}mu ={m_{1}m_{2} over m_{1}+m_{2}}.\! }

Kwantum mechanica

In de kwantummechanica is de formule die de veer beschrijft, precies dezelfde als in de Newtoniaanse mechanica, behalve dat alleen bepaalde energieën of energieniveaus zijn toegestaan. Zie de energieniveaus als treden op een ladder waar een persoon slechts één sport tegelijk op of af kan gaan. Net zoals die persoon niet op de ruimte tussen de sporten kan staan, kan de binding geen energie hebben tussen de energieniveaus. Deze nieuwe formule wordt:

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

waarbij n een kwantumgetal of "energieniveau" is dat waarden kan aannemen van 0, 1, 2 ... De verklaring dat energieniveaus slechts één niveau tegelijk omhoog of omlaag kunnen gaan, staat bekend als een selectieregel die stelt dat de enige toegestane overgangen tussen energieniveaus zijn:

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

waarbij delta n de energieovergang is.

Toepassingen van trillingsbewegingen

Wanneer licht van een bepaalde frequentie een molecuul raakt dat een trilling heeft waarvan de beweging overeenkomt met dezelfde frequentie, wordt het licht in het molecuul geabsorbeerd en zorgt de energie van het licht ervoor dat de bindingen in die specifieke trilling gaan bewegen. Door te kijken of het licht wordt geabsorbeerd, kunnen wetenschappers vaststellen of er een bepaalde soort moleculaire binding is en deze vergelijken met een lijst van moleculen die die binding hebben.

Sommige moleculen, zoals helium en argon, hebben echter maar één atoom en hebben geen bindingen. Dit betekent dat zij geen licht absorberen op dezelfde manier als een molecuul met meer dan één atoom dat kan.

De specifieke gebieden van de chemie die bij hun onderzoek gebruik maken van moleculaire trillingen zijn infraroodspectroscopie (IR) en Raman-spectroscopie (Raman), waarbij IR het meest wordt gebruikt en drie eigen subgebieden heeft. Deze subgebieden zijn bekend als Nabije IR, Midden IR en Verre IR spectroscopie. Hieronder volgt een algemene lijst van deze velden en toepassingen in de praktijk

Nabij IR: kwantitatieve bepaling van soorten zoals eiwitten, vetten, koolwaterstoffen met laag moleculair gewicht en water. Verder gebruik wordt verkregen in de landbouwproducten-, voedingsmiddelen-, aardolie- en chemische industrie

Midden-IR: Het populairste van de IR-velden, wordt gebruikt bij het bepalen van de structuur van organische en biochemische verbindingen.

Verre IR: dit gebied is minder populair, maar het heeft toepassingen gevonden in anorganische studies

Raman: Wordt gebruikt voor de kwalitatieve en kwantitatieve studie van anorganische, organische en biologische systemen, vaak als een aanvullende techniek op IR.