Spektroskopia w podczerwieni

Transkrypt

1 Spektroskopia w podczerwieni

2 Podstawy teoretyczne spektroskopii w podczerwieni Podstawowe pojęcia związane ze spektroskopią oscylacyjną Interpretacja widm Budowa spektrometru FTIR Podstawowe techniki pomiarowe Rodzaje próbek i ich przygotowanie Sposoby pomiaru widma Przykłady wykorzystania spektroskopii FTIR

3 Promieniowanie elektromagnetyczne

4 Promieniowanie elektromagnetyczne E = hν Jak zmienia się energia promieniowania wraz z długością fali?

5 Zakresy podczerwieni 1 cm-1 = 104 / µm Skala częstości (cm-1) jest proporcjonalna do energii promieniowania

6 Oddziaływanie energii z materią Podstawowy warunek oddziaływania: E = E2 - E1 = hν

7 Transmitancja a Absorbancja IT T= I0 1 A=log( ) T

8 Transmitancja a Absorbancja Czym jest WIDMO?

9 Co promieniowanie IR wywołuje w cząsteczkach? Energia cząsteczek translacyjna rotacyjna oscylacyjna związana z oscylacjami atomów cząsteczki wokół położenia równowagi Stopnie swobody oscylacji (N - liczba atomów) cząsteczki nieliniowe 3N 3 3 = 3N 6 cząsteczki liniowe 3N 3 2 = 3N 5 T R

10 Ile stopni swobody posiadają: Cząsteczka wody: H2O Cząsteczka dwutlenku węgla: CO 2 3: νas = 3756 cm-1 νs = 3652 cm-1 δs = 1596 cm-1 4: νas = 2350 cm-1 νs = 1340 cm-1 2x δs = 665 cm-1

11 Co promieniowanie IR wywołuje w cząsteczkach?

12 Rodzaje drgań normalnych Ze względu na zmianę kątów między wiązaniami: Rozciągające (nie zmieniające kątów) ν Zginające (zmieniające kąty) Nożycowe δs Wahadłowe ρ Wachlarzowe ω Skręcające τ Ze względu na symetrię drgań: Symetryczne Asymetryczne

13 Rodzaje drgań normalnych Rozciągające Symetryczne, νs asymetryczne, νas Zginające Nożycowe, δs

14 Rodzaje drgań normalnych Rozciągające Symetryczne, νs Zginające Rozciągające asymetryczne, νas

15 Rodzaje drgań normalnych Zginające Nożycowe, δs Wachlarzowe, ω Wahadłowe, ρ Skręcające, τ

16 Modele drgań - oscylatory Prawo Hook'a:

17 Charakterystyczne pasma drgań

18 Obliczenia teoretyczne

19 Obliczenia teoretyczne

20 Reguły wyboru Promieniowanie musi mieć energię równą różnicy pomiędzy energią poziomów energetycznych hν = E Kwantowa liczba oscylacji zmienia się o 1, 2, itd. Drganie musi powodować zmianę momentu dipolowego cząsteczki Drgania, które nie zmieniają momentu dipolowego, nie są aktywne na widmie IR, ale mogą być aktywne na widmie Ramana Pasmo jest tym silniejsze, im większa jest zmiana momentu dipolowego

21 Dlaczego liczba pasm na widmie nie pokrywa się z liczbą drgań normalnych?

22 Dlaczego liczba pasm na widmie nie pokrywa się z liczbą drgań normalnych? Rozciągające asymetryczne, νas CO2 Zginające

23 Dlaczego liczba pasm na widmie nie pokrywa się z liczbą drgań normalnych? Częstotliwości drgań poza badanym zakresem Pasma są zbyt słabe Pasma nakładają się na siebie Degeneracja drgań Występowanie nadtonów i sprzężeń drgań Drgania nie powodują zmiany momentu dipolowego cząsteczki dµ/dq = 0

24 Drgania sprzężone Wiązania chemiczne w cząsteczce nie drgają niezależnie od siebie Na częstotliwość drgań mają wpływ sąsiednie wiązania, zwłaszcza jeśli mają tę samą symetrię, mają podobną częstotliwość drgań własnych Sprzężenie jest znikome jeśli: Są znacząco oddalone od siebie Są prostopadłe do siebie Drgania sprzężone, nadtony i inne efekty kwantowo-mechaniczne znacząco komplikują widmo, ale...

25 Charakterystyczne pasma drgań

26 Charakterystyczne pasma drgań

27 Charakterystyczne pasma drgań

28 Charakterystyczne pasma drgań

29 Interpretacja widm IR popularnych polimerów

30 Polietylen CH rozciągające CH2 zginające

31 Polipropylen CH rozciągające CH2 i CH3 zginające

32 Poli(chlorek winylu) CH(Cl) zginające CCl rozciągajace

33 Polistyren CH-pierścień zginające CH-pierścień rozciągające C-C pierścienia CH2 nadtony

34 Poli(octan winylu) C=O rozciągające C-O rozciągające CH2 i CH3 zginające CH2

35 Poli(alkohol winylowy) OH rozciągające CH2 C-O rozciągające

36 Poliwęglan C-O rozciągające C=C rozciągające C=O rozciągające

37 Politetrafluoroetylen (Teflon)??????

38 Poliamidy Amid I NH rozciągające Amid II CH rozciągające Amid III

39 Poliuretany C-O rozciągające C=O rozciągające NH rozciągające CH rozciągające

40 Poli(dimetylosiloksan) Si-O rozciągające CH3 zginające CH rozciągające CH3 zginające

41 very strong no yes , and All numbers have the meaning of wave numbers and are given in cm , and strong sharp Modif. Epoxies Polycarbo= nates Polyvinyl= acetate, PVC-copo = lymers Cellulose= ester Polyure= thane Acrylics, Polyester strong sharp Alkyd-, Polyesters, Cellulose= ether, PVC (plasticized) Phenol derivatives, Epoxies Polystyrenes, Arylsilicones, Aryl-alkyl= Silicone Co= polymers Polyamides, Nitrocellulose amines cellophan Cellophan, Alkylcellulose, PVA, PEO PAN, PVC, Polyvinyliden chlorid, POM Alkylsilicone, aliphatic hy= drocarbons, Polytetra= Fluorethylene, Thiokol

42 Źródła widm IR polimerów Atlasy widm IR Hummel Industrial Polymers (Wiley-VCH) Komercyjne bazy danych: Bezpłatne bazy danych

43 Spektrometr FTIR

44 Najważniejsze elementy spektrometru FTIR

45 Źródło promieniowania IR Globar (SiC) Źródło Nernsta (ZrO2):(Y2O3):(Er2O3) 90:7:3

46 Interferometr Transformacja Fourier'a

47 Dzielnik wiązki (Beamsplitter)

48 Detektor promieniowania

49

50 Widma jakich próbek można zmierzyć? Postać próbki Odpowiednie techniki Cienkie folie <25 µm transmisja, ATR Drobny proszek <2 µm Tabletki KBr, ATR, odbicie Płyn, roztwór transmisja, ATR Gładka powierzchnia odbicie, ATR Wiórki, grube proszki, itp. ATR Duże obiekty Kryształy ATR na światłowodach Bardzo małe próbki Mikroskop IR

51 Przygotowanie do pomiaru Wybór techniki badawczej Wybór materiałów optycznych i przystawek Określenie rozdzielczości widma Określenie liczby widm do uśrednienia Przepłukanie aparatu azotem

52 Techniki pomiarowe

53

54 Rozdzielczość widm

55 Widmo atmosfery (H2O i CO2)

56 Spektroskopia transmisyjna/absorpcyjna

57 Spektroskopia transmisyjna/absorpcyjna

58

59

60 Spektrometry FTIR/ATR

61 Technika ATR (osłabione całkowite odbicie) Fala zanikająca

62 Kryształy ATR Selenek cynku ZnSe German Ge KRS-5 Diament

63 Popularne materiały ATR

64 Przystawka ATR jednoodbiciowa

65 Kuweta reakcyjna ATR

66 Spektrofotometr z sondą ATR

67 Mikroskopia IR

68 Mikroskopia IR

69 Mikroskop sił atomowych/ir Rev. Sci. Instrum. 84, (2013)

70 Fotoakustyczna spektroskopia IR FTIR-PAS

71

72 NIR

73 Przykłady badań z wykorzystaniem spektroskopii FTIR

74 Mikroskopia IR

75 chitozan/poli(ε-kaprolakton) PCL Chitozan J Mater Sci: Mater Med (2011) 22:

76 Macromolecules 2004, 37,

77 Macromolecules, Vol. 34, No. 23, 2001

78 Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry DOI: /pola.22728

79

80 J. Chem. Educ. 2012, 89,

81 Widma różnicowe: PTFE CCACAA 79 (3) 497:501 (2006)