Pangkalahatang mga katangian ng molekular na pagtingin. Pangkalahatang mga katangian ng molekular na paningin ng Optical na pagtingin ng mga molekula

Ginawang posible ng mga pag-aaral ng molekular na spektra upang matukoy ang mga puwersang kumikilos sa pagitan ng mga atomo sa isang Molekyul, ang dissociation na enerhiya ng isang molekula, ang geometry nito, ang distansya ng internuclear, atbp. , ibig sabihin magbigay ng malawak na impormasyon tungkol sa istraktura at mga katangian ng Molekyul.

Ang molekular spectrum, sa isang malawak na kahulugan, ay nauunawaan bilang pamamahagi ng posibilidad ng mga paglipat sa pagitan ng dalawang magkakahiwalay na antas ng enerhiya ng isang Molekyul (tingnan ang Larawan 9) depende sa enerhiya ng paglipat. Dahil sa mga sumusunod ay pag-uusapan natin ang tungkol sa optikong spektra, ang bawat naturang paglipat ay dapat na sinamahan ng paglabas o pagsipsip ng isang photon na may enerhiya

E n \u003d hn \u003d E 2 - E 1, 3.1

kung saan ang E 2 at E 1 ay ang mga enerhiya ng mga antas sa pagitan ng kung saan nangyayari ang paglipat.

Kung ang radiation, na binubuo ng mga photon na pinalabas ng mga molekula ng gas, ay naipasa sa pamamagitan ng isang spectral device, kung gayon ang spectrum ng paglabas ng molekula ay makukuha, na binubuo ng magkakahiwalay na maliliit (marahil na kulay) na mga linya. Bukod dito, ang bawat linya ay tumutugma sa kaukulang paglipat. Kaugnay nito, ang ningning at posisyon ng linya sa spectrum ay nakasalalay sa posibilidad ng paglipat at lakas (dalas, haba ng daluyong) ng photon, ayon sa pagkakabanggit.

Kung, sa kabaligtaran, ang radiation na binubuo ng mga photon ng lahat ng mga haba ng daluyong (tuluy-tuloy na spectrum) ay naipasa sa gas na ito, at pagkatapos ay sa pamamagitan ng isang spectral na aparato, pagkatapos ay makukuha ang isang pagsipsip na spectrum. Sa kasong ito, ang spectrum na ito ay magiging isang hanay ng mga madilim na linya laban sa background ng isang maliwanag na tuloy-tuloy na spectrum. Ang kaibahan at posisyon ng linya sa spectrum dito ay nakasalalay din sa posibilidad ng paglipat at lakas ng photon.

Batay sa kumplikadong istraktura ng mga antas ng enerhiya ng molekula (tingnan ang Larawan 9), ang lahat ng mga paglipat sa pagitan ng mga ito ay maaaring nahahati sa magkakahiwalay na uri, na nagbibigay ng iba't ibang katangian ng molekular spectrum.

Ang spectrum na binubuo ng mga linya na naaayon sa mga pagbabago sa pagitan ng mga antas ng pag-ikot (tingnan ang Larawan 8) nang hindi binabago ang panginginig at elektronikong estado ng Molekyul ay tinatawag na paikot na spectrum ng Molekyul. Dahil ang lakas ng pag-ikot ng paggalaw ay nakasalalay sa saklaw na 10 -3 -10 -5 eV, ang dalas ng mga linya sa spektrum na ito ay dapat na namamalagi sa rehiyon ng microwave ng mga frequency ng radyo (malayong lugar ng infrared).

Ang isang spectrum na binubuo ng mga linya na naaayon sa mga pagbabago sa pagitan ng mga antas ng pag-ikot na kabilang sa iba't ibang mga pang-vibrational na estado ng isang Molekyul sa parehong elektronikong estado ay tinatawag na panginginig ng boses o paikot na spectrum ng Molekyul. Ang mga spectra na ito, sa mga panginginig na energies na 10 -1 -10 -2 eV, ay namamalagi sa saklaw ng infrared frequency.

Sa wakas, ang spectrum na binubuo ng mga linya na naaayon sa mga pagbabago sa pagitan ng mga antas ng pag-ikot na kabilang sa iba't ibang mga elektronik at panginginig na estado ng Molekyul ay tinatawag na electronic-vibrational-rotational o simpleng electronic spectrum ng Molekyul. Ang spekra na ito ay nakasalalay sa nakikita at ultraviolet na mga saklaw ng dalas, sapagkat ang enerhiya ng elektronikong paggalaw ay maraming electron volts.

Dahil ang paglabas (o pagsipsip) ng isang photon ay isang proseso ng electromagnetic, ang kinakailangang kundisyon nito ay ang pagkakaroon o, mas tiyak, isang pagbabago sa electric dipole moment na nauugnay sa kaukulang dami ng paglipat sa Molekyul. Samakatuwid sumusunod ito na ang paikot at panginginig na spectra ay maaaring maobserbahan lamang para sa mga molekula na may isang electric dipole moment, ibig sabihin na binubuo ng hindi magkatulad na mga atomo.

Lecture number 6

Enerhiya ng Molekyul

Atom ay ang pinakamaliit na maliit na butil ng isang sangkap ng kemikal na mayroong mga kemikal na katangian.

Ang isang atom ay binubuo ng isang positibong sisingilin na nucleus at mga electron na gumagalaw sa larangan nito. Ang singil ng nukleus ay katumbas ng singil ng lahat ng mga electron. Ion ang isang ibinigay na atomo ay tinatawag na isang maliit na singil na maliit na butil na nabuo sa pamamagitan ng pagkawala o pagkuha ng mga electron mula sa mga atomo.

Molekyulay tinawag na pinakamaliit na maliit na butil ng isang homogenous na sangkap na may mga pangunahing katangian ng kemikal.

Ang mga Molecule ay binubuo ng pareho o iba't ibang mga atomo na konektado sa pamamagitan ng mga interatomic na bono ng kemikal.

Upang maunawaan ang mga kadahilanan kung bakit ang electrically neutral atoms ay maaaring bumuo ng isang matatag na molekula, pinaghihigpitan natin ang ating sarili na isaalang-alang ang pinakasimpleng mga diatomic na molekula, na binubuo ng dalawang magkatulad o magkakaibang mga atomo.

Ang mga puwersang may hawak na isang atom sa isang Molekyul ay sanhi ng pakikipag-ugnayan ng mga panlabas na electron. Ang mga electron ng panloob na mga shell, kapag ang mga atomo ay pagsamahin sa isang Molekyul, mananatili sa kanilang nakaraang mga estado.

Kung ang mga atomo ay nasa isang malayong distansya mula sa bawat isa, kung gayon hindi sila nakikipag-ugnay sa bawat isa. Kapag lumalapit ang mga atomo sa bawat isa, ang mga puwersa ng kanilang pang-akit sa isa't isa ay tumataas. Sa mga distansya na maihahalintulad sa laki ng mga atomo, ang mga puwersa ng kapwa pagtulak ay ipinakita, na hindi pinapayagan ang mga electron ng isang atom na tumagos ng sobrang lalim sa mga electron shell ng ibang atom.

Ang mga mapang-akit na puwersa ay mas "maikling-saklaw" kaysa sa gravity. Nangangahulugan ito na habang tumataas ang distansya sa pagitan ng mga atomo, ang masasamang pwersa ay bumababa nang mas mabilis kaysa sa mga kaakit-akit na pwersa.

Ang graph ng pag-asa ng puwersa ng pagkahumaling, ang mapang-akit na puwersa at ang nagresultang puwersa ng pakikipag-ugnay sa pagitan ng mga atomo bilang isang pagpapaandar ng distansya ay may form:

Ang enerhiya ng pakikipag-ugnay ng mga electron sa isang molekula ay natutukoy ng magkakasamang pag-aayos ng atomic nuclei at isang pagpapaandar ng distansya, iyon ay

Ang kabuuang enerhiya ng buong molekula ay nagsasama rin ng lakas na gumagalaw ng gumagalaw na nuclei.

Samakatuwid,

.

Nangangahulugan ito na ito ay ang potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnay ng nuclei.

Pagkatapos ay kinakatawan nito ang puwersa ng pakikipag-ugnay ng mga atomo sa isang diatomic Molekyul.

Alinsunod dito, ang grap ng pag-asa ng potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnay ng mga atomo sa isang molekula sa distansya sa pagitan ng mga atomo ay may form:

Ang equilibrium interatomic distansya sa isang Molekyul ay tinatawag haba ng koneksyon... Ang dami ng D ay tinawag dissociation energy ng Molekyul o lakas ng komunikasyon.Ito ay ayon sa bilang sa trabaho na dapat gawin upang masira ang mga kemikal na bono ng mga atomo sa mga molekula at alisin ang mga ito sa labas ng saklaw ng mga puwersang interatomic. Ang enerhiya ng paghihiwalay ay katumbas ng enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang molekula, ngunit kabaligtaran sa pag-sign. Ang enerhiya ng paghihiwalay ay negatibo, at ang enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang Molekyul ay positibo.

Ang enerhiya ng isang Molekyul ay nakasalalay sa likas na katangian ng paggalaw ng nuclei. Ang kilusang ito ay maaaring nahahati sa translational, rotational at oscillatory. Sa maliit na distansya sa pagitan ng mga atomo sa isang Molekyul at isang sapat na malaking dami ng daluyan na ibinigay sa mga molekula, lakas sa pagsasalita ay may tuloy-tuloy na spectrum at ang average na halaga nito ay, iyon ay.

Paikot na enerhiyaay may isang discrete spectrum at maaaring kunin ang mga halaga

,

kung saan ako ang umiikot na numero ng kabuuan;

Ang J ay ang sandali ng pagkawalang-kilos ng Molekyul.

Enerhiya ng oscillatory mayroon ding discrete spectrum at maaaring kunin ang mga halaga

,

nasaan ang panginginig na numero ng kabuuan;

Ay ang natural na dalas ng ganitong uri ng panginginig ng boses.

Kapag ang pinakamababang antas ng panginginig ay may zero na enerhiya

Ang kinetic form ng enerhiya ay tumutugma sa enerhiya ng rotational at translational na paggalaw, at ang potensyal na enerhiya ng kilos na pang-vibrational. Dahil dito, ang mga hakbang sa enerhiya ng vibrational na paggalaw ng isang diatomic Molekyul ay maaaring kinatawan sa isang graph ng pagtitiwala.

Ang mga hakbang sa enerhiya ng paggalaw ng pag-ikot ng isang diatomic Molekyul ay matatagpuan sa isang katulad na paraan, ang distansya lamang sa pagitan ng mga ito ay mas mababa kaysa sa parehong mga hakbang ng paggalaw ng paggalaw.

Ang mga pangunahing uri ng mga interatomic bond

Mayroong dalawang uri ng mga bono sa pagitan ng mga atomo: ionic (o heteropolar) at covalent (o homeopolar).

Ionic bond nagaganap sa mga kasong iyon kapag ang mga electron sa molekula ay nakaayos sa isang paraan na ang labis ay nabuo malapit sa isa sa mga nuclei, at ang kanilang kakulangan malapit sa isa pa. Kaya, ang Molekyul, tulad nito, ay binubuo ng dalawang mga ions ng kabaligtaran na mga palatandaan na naaakit sa bawat isa. Ang isang halimbawa ng mga molekula na may mga ionic bond ay NaCl, KCl, RbF, CsJ atbp. nabuo sa pamamagitan ng koneksyon ng mga atomo ng mga elemento Akoika at Vii-th pangkat ng pana-panahong sistema ng Mendeleev. Sa kasong ito, ang isang atom na nakakabit ng isa o higit pang mga electron sa sarili nito ay nakakakuha ng isang negatibong pagsingil at naging isang negatibong ion, at isang atom na sumusuko sa kaukulang bilang ng mga electron ay naging isang positibong ion. Ang kabuuang kabuuan ng mga positibo at negatibong singil sa ion ay zero. Samakatuwid, ang mga ionic molecule ay walang kinikilingan sa electrically. Ang mga puwersa na tinitiyak ang katatagan ng Molekyul ay likas na elektrikal.

Upang maganap ang ionic bond, kinakailangan na ang enerhiya ng detatsment ng electron, iyon ay, ang gawa ng paglikha ng isang positibong ion, ay mas mababa sa kabuuan ng enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng mga negatibong ions at ang enerhiya ng kanilang pang-akit sa isa't isa.

Ito ay lubos na halata na ang pagbuo ng isang positibong ion mula sa isang walang katuturang atomo ay nangangailangan ng pinakamaliit na trabaho sa kaso kapag mayroong isang detatsment ng mga electron na matatagpuan sa electron shell na nagsimulang bumuo.

Sa kabilang banda, ang pinakadakilang enerhiya ay inilabas kapag ang isang electron ay nakakabit sa mga halogen atoms, na kulang sa isang electron upang punan ang shell ng electron. Samakatuwid, ang isang ionic bond ay nabuo sa naturang paglipat ng mga electron, na humahantong sa paglikha ng mga puno ng mga shell ng electron sa nabuong mga ions.

Ang isa pang uri ng koneksyon ay covalent bond.

Sa pagbuo ng mga molekula na binubuo ng magkaparehong mga atomo, imposible ang hitsura ng mga salungat na sisingilin na mga ions. Samakatuwid, imposible ang ionic bond. Gayunpaman, sa likas na katangian may mga sangkap na ang mga molekula ay nabuo mula sa magkatulad na mga atomo. H 2, O 2, N 2 atbp. Ang bono sa mga sangkap ng ganitong uri ay tinatawag covalent o homeopolar (homeo - iba [Greek]). Bilang karagdagan, ang isang covalent bond ay sinusunod din sa mga molekula na may iba't ibang mga atomo: hydrogen fluoride HF, nitric oxide HINDI, methane CH 4 atbp.

Ang likas na katangian ng covalent bond ay maipapaliwanag lamang batay sa mga mekanika ng kabuuan. Ang paliwanag sa kabuuan ng makina ay batay sa likas na alon ng elektron. Ang pag-andar ng alon ng mga panlabas na electron ng atom ay hindi masisira bigla na may pagtaas ng distansya mula sa gitna ng atom, ngunit unti-unting bumababa. Kapag lumalapit ang mga atom sa bawat isa, ang nagkakalat na mga ulap ng electron ng panlabas na mga electron ay bahagyang magkakapatong, na hahantong sa kanilang pagpapapangit. Ang isang tumpak na pagkalkula ng pagbabago sa estado ng mga electron ay nangangailangan ng solusyon ng equation ng alon ng Schrödinger para sa system ng lahat ng mga particle na nakikilahok sa pakikipag-ugnay. Ang pagiging kumplikado at pagiging masalimuot ng landas na ito ay pinipilit kaming limitahan ang aming mga sarili dito sa isang husay lamang na pagsasaalang-alang ng mga phenomena.

Sa pinakasimpleng kaso s-estado ng electron, ang cloud ng electron ay isang globo ng isang tiyak na radius. Kung ang parehong mga electron sa isang covalent na molekula ay nagpapalitan ng mga lugar upang ang electron 1, na dating kabilang sa nucleus, at", Gagawin ang lugar ng electron 2, na pag-aari ng nukleus" b ",at electron 2 ang gagawa ng reverse transisyon, kung gayon walang magbabago sa estado ng isang covalent na molekula.

Pinapayagan ng prinsipyo ni Pauli ang dalawang electron na magkaroon sa parehong estado na may kabaligtaran na mga pag-ikot. Ang pagsasama ng mga rehiyon kung saan matatagpuan ang parehong mga electron ay nangangahulugang ang paglitaw sa pagitan nila ng isang espesyal na mekanikal na kabuuan pakikipag-ugnayan... Sa kasong ito, ang bawat isa sa mga electron sa isang Molekyul ay maaaring halili na kabilang sa isa o sa iba pang mga nucleus.

Ipinapakita ng mga kalkulasyon na ang lakas ng palitan ng isang molekula ay positibo kung ang mga pag-ikot ng mga nakikipag-ugnay na mga electron ay magkapareho, at negatibo kung hindi sila magkatulad.

Kaya, ang covalent na uri ng bono ay ibinibigay ng isang pares ng mga electron na may kabaligtaran na mga pag-ikot. Kung sa ionic bond ito ay tungkol sa paglipat ng mga electron mula sa isang atom patungo sa isa pa, kung gayon narito ang bono ay isinasagawa sa pamamagitan ng paglalahat ng mga electron at ang paglikha ng isang karaniwang puwang para sa kanilang paggalaw.

Molecular Spectra

Ang molekular na spektrum ay ibang-iba sa mga atomic. Habang ang atomic spectra ay binubuo ng mga indibidwal na linya, ang molekular na spasa ay binubuo ng mga banda na matalim sa isang gilid at malabo sa isa pa. Samakatuwid, ang molekular na spookra ay tinatawag ding may guhit na spektra.

Ang mga banda sa molekular na spekula ay sinusunod sa mga saklaw ng infrared, nakikita at ultraviolet na dalas ng mga electromagnetic na alon. Sa kasong ito, ang mga guhitan ay nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod, na bumubuo ng isang serye ng mga guhitan. Naglalaman ang spectrum ng isang bilang ng mga serye.

Ipinapaliwanag ng mga mekaniko ng Quantum ang likas na katangian ng molecular spectra. Ang teoretikal na pagbibigay kahulugan ng spekula ng mga polyatomic Molekyul ay masalimuot. Limitahan namin ang ating sarili upang isaalang-alang lamang ang mga diatomic Molekyul.

Mas maaga, napansin namin na ang enerhiya ng isang Molekyul ay nakasalalay sa likas na kilos ng atomic nuclei at kinilala ang tatlong uri ng enerhiya na ito: translational, rotational at vibrational. Bilang karagdagan, ang enerhiya ng isang Molekyul ay natutukoy din ng likas na galaw ng mga electron. Ang ganitong uri ng enerhiya ay tinatawag elektronikong enerhiya at isang bahagi ng kabuuang enerhiya ng molekula.

Kaya, ang kabuuang enerhiya ng Molekyul ay:

Ang isang pagbabago sa lakas ng pagsasalin ay hindi maaaring humantong sa paglitaw ng isang linya ng parang multo sa molekular spectrum, samakatuwid, hindi namin ibubukod ang ganitong uri ng enerhiya sa karagdagang pagsasaalang-alang sa molekular na spekra. Tapos

Ayon sa panuntunan sa dalas ng Bohr ( III–ang postulate ni Bohr), ang dalas ng isang kabuuan na inilalabas ng isang Molekyul kapag nagbago ang estado ng enerhiya nito

.

Ipinakita iyon ng karanasan at teoretikal na pagsasaliksik

Samakatuwid, sa mahinang paggulo, nagbabago lamang ito, na may mas malakas -, na may mas malakas pa -. Talakayin natin nang mas detalyado ang iba't ibang mga uri ng molekular na dalas.

Paikot na spectrum ng mga molekula

Magsimula tayo upang siyasatin ang pagsipsip ng mga electromagnetic na alon mula sa maliit na mga bahagi ng enerhiya. Hanggang sa ang lakas ng lakas ng dami ng enerhiya ay magiging katumbas ng distansya sa pagitan ng dalawang pinakamalapit na antas, ang absorb ay hindi sumipsip. Sa pamamagitan ng unti-unting pagtaas ng dalas, maaabot natin ang quanta na may kakayahang magtaas ng isang Molekyul mula sa isang paikot na hakbang patungo sa isa pa. Ito ay nangyayari sa infrared na rehiyon ng pagkakasunud-sunod ng 0.1-1 mm.

,

saan at ang mga halaga ng paikot na bilang ng kabuuan sa antas ng ika-ika at-ika na lakas.

Ang mga umiikot na bilang ng dami at maaaring magkaroon ng mga halaga, ibig sabihin ang kanilang mga posibleng pagbabago ay nalilimitahan ng panuntunan sa pagpili

Ang pagsipsip ng isang kabuuan ng isang Molekyul ay inililipat ito mula sa isang antas ng paikot na enerhiya patungo sa isa pa, mas mataas, at humahantong sa paglitaw ng isang linya ng parang multo ng paikot na spectrum ng pagsipsip. Habang bumababa ang haba ng haba ng daluyong (ibig sabihin, nagbabago ang bilang), lilitaw ang mga bagong linya ng spectrum ng pagsipsip sa rehiyon na ito. Ang hanay ng lahat ng mga linya ay nagbibigay ng isang ideya ng pamamahagi ng mga estado ng umiikot na enerhiya ng Molekyul.

Sa ngayon ay isinasaalang-alang namin ang spectrum ng pagsipsip ng isang Molekyul. Posible rin ang spectrum ng paglabas ng molekula. Ang hitsura ng mga linya sa rotational emission spectrum ay nauugnay sa paglipat ng Molekyul mula sa itaas na antas ng paikot na enerhiya sa mas mababang isa.

Ginagawang posible ng rotational spreha upang matukoy ang distansya ng interatomic sa mga simpleng molekula na may mahusay na kawastuhan. Alam ang sandali ng pagkawalang-kilos at ang masa ng mga atomo, posible na matukoy ang mga distansya sa pagitan ng mga atomo. Para sa isang diatomic Molekyul

Vibrational-rotational spectrum ng mga molekula

Ang pagsipsip ng mga electromagnetic na alon sa infrared na rehiyon na may isang haba ng daluyong ng mga microns ng isang sangkap ay sanhi ng mga paglipat sa pagitan ng mga antas ng enerhiya na panginginig at humahantong sa paglitaw ng vibrational spectrum ng Molekyul. Gayunpaman, kapag nagbago ang mga antas ng enerhiya na panginginig ng isang Molekyul, nagbabago rin ang estado ng umiikot na enerhiya. Ang mga paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya na panginginig ay sinamahan ng isang pagbabago sa mga estado ng enerhiya na paikot. Nagbibigay ito ng pagtaas sa vibrational-rotational spectrum ng Molekyul.

Kung ang isang Molekyul ay sabay na nagvibrate at umiikot, kung gayon ang enerhiya nito ay matutukoy ng dalawang bilang ng kabuuan at:

.

Isinasaalang-alang ang mga panuntunan sa pagpili para sa parehong mga numero ng kabuuan, nakukuha namin ang sumusunod na formula para sa mga frequency ng vibrational-rotational spectrum (ang dating pormula / h at itapon ang dating antas ng enerhiya, ibig sabihin, ang mga term sa mga braket):

.

Sa kasong ito, ang (+) sign ay tumutugma sa mga paglilipat mula sa isang mas mababa sa isang mas mataas na antas ng pag-ikot, at ang (-) sign ay tumutugma sa reverse posisyon. Ang panginginig na bahagi ng dalas ay tumutukoy sa rehiyon ng parang multo kung saan matatagpuan ang banda; natutukoy ng paikot na bahagi ang pinong istraktura ng strip, ibig sabihin paghahati ng mga indibidwal na linya ng parang multo.

Ayon sa mga klasikal na konsepto, ang pag-ikot o panginginig ng isang diatomic Molekyul ay maaaring humantong sa paglabas ng mga electromagnetic na alon lamang kung ang Molekyul ay may isang nonzero dipole moment Ang kundisyong ito ay natutupad lamang para sa mga molekula na nabuo ng dalawang magkakaibang mga atomo, ibig sabihin para sa walang simetrya mga molekula.

Ang isang simetriko na molekula na nabuo ng magkatulad na mga atomo ay may zero na dipole sandali. Dahil dito, ayon sa mga klasikal na electrodynamics, ang panginginig at pag-ikot ng naturang isang molekula ay hindi maaaring maging sanhi ng radiation. Ang teorya ng kabuuan ay humahantong sa isang katulad na resulta.

Vibrational spectrum ng mga molekula

Ang pagsipsip ng mga electromagnetic na alon sa nakikita at saklaw ng ultraviolet ay humahantong sa mga paglipat ng molekula sa pagitan ng iba't ibang mga antas ng elektronikong enerhiya, ibig sabihin. sa paglitaw ng electronic spectrum ng Molekyul. Ang bawat antas ng lakas na elektroniko ay tumutugma sa isang tiyak na pamamahagi ng spatial ng mga electron, o, tulad ng sinasabi nila, isang tiyak na pagsasaayos ng mga electron na may discrete na enerhiya. Ang bawat pagsasaayos ng mga electron ay tumutugma sa iba't ibang mga antas ng enerhiya na panginginig.

Ang paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng elektronikong ay sinamahan ng maraming kasamang mga pagbabago sa pagitan ng mga antas ng panginginig ng boses. Ganito lumilitaw ang electronic-vibrational spectrum ng Molekyul, na binubuo ng mga pangkat ng mga malapit na linya.

Ang isang sistema ng mga antas ng pag-ikot ay superimposed sa bawat estado ng enerhiya na panginginig. Samakatuwid, ang dalas ng isang poton sa panahon ng isang electronic-vibrational na paglipat ay matutukoy ng isang pagbabago sa lahat ng tatlong uri ng enerhiya:

.

Dalas - tumutukoy sa posisyon ng spectrum.

Ang buong electronic-vibrational spectrum ay isang sistema ng maraming mga pangkat ng mga banda, madalas na magkakapatong sa bawat isa at bumubuo ng isang malawak na banda.

Pinapayagan ka ng pag-aaral at interpretasyon ng molekular na spektora na maunawaan ang detalyadong istraktura ng mga molekula at may malawak na aplikasyon para sa pagtatasa ng kemikal.

Pagsabog ng ilaw ng raman

Ang kababalaghang ito ay binubuo sa katotohanang sa nagkakalat na spectrum na nangyayari kapag ang ilaw ay dumadaan sa mga gas, likido o transparent na mala-kristal na mga katawan, kasama ang pagsabog ng ilaw na may isang pare-pareho na dalas, lumilitaw ang isang bilang ng mas mataas o mas mababang mga frequency, na tumutugma sa mga frequency ng panginginig o pag-ikot ng mga paglipat na nagkakalat ng mga molekula.

Ang kababalaghan ng pagsabog ng Raman ay may isang simpleng paliwanag sa mekanikal na kabuuan. Ang proseso ng pagsabog ng ilaw ng mga molekula ay maaaring isaalang-alang bilang hindi matatag na banggaan ng mga photon na may mga molekula. Sa pagkakabangga, ang isang poton ay maaaring ibigay sa isang Molekyul o makatanggap mula dito ng gayong mga dami ng enerhiya na katumbas ng mga pagkakaiba sa pagitan ng dalawang antas ng enerhiya. Kung, sa pagkakabangga ng isang photon, isang Molekyul ay pumasa mula sa isang estado na may mas mababang enerhiya sa isang estado na may mas mataas na enerhiya, pagkatapos ay mawawala ang lakas nito at ang dalas nito ay bumababa. Lumilikha ito ng isang linya sa spectrum ng Molekyul, na kung saan ay inilipat kaugnay sa pangunahing linya patungo sa mas mahabang haba ng haba ng daluyong. Kung, pagkatapos ng pagbangga sa isang poton, ang Molekyul ay pumasa mula sa isang estado na may mas mataas na enerhiya sa isang estado na may isang mas mababang enerhiya, isang linya ay nilikha sa spectrum na inilipat kaugnay sa pangunahing isa patungo sa mas maikling haba ng daluyong.

Ang mga pag-aaral na nagkakalat ng Raman ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa istraktura ng mga molekula. Gamit ang pamamaraang ito, ang natural na mga frequency ng panginginig ng mga molekula ay madali at mabilis na natutukoy. Pinapayagan ka ring hatulan ang kalikasan ng mahusay na proporsyon ng Molekyul.

Luminescence

Kung ang mga molekula ng isang sangkap ay maaaring dalhin sa isang nasasabik na estado nang hindi nadaragdagan ang kanilang average na lakas na gumagalaw, ibig sabihin nang walang pag-init, pagkatapos ay mayroong isang glow ng mga katawan o luminescence.

Mayroong dalawang uri ng luminescence: pag-fluorescence at phosphorescence.

Fluorescencetinatawag na luminescence, na agad na humihinto pagkatapos ng pagtatapos ng pagkilos ng luminescence pathogen.

Sa panahon ng fluorescence, isang kusang paglipat ng mga molekula mula sa isang nasasabik na estado sa isang mas mababang antas ay nangyayari. Ang ganitong uri ng glow ay may isang napakaikling tagal (tungkol sa 10 -7 sec.).

Phosporescenceay tinatawag na luminescence, na pinapanatili ang glow ng mahabang panahon pagkatapos ng pagkilos ng ahente ng kumikinang.

Sa panahon ng phosphorescence, ang Molekyul ay dumadaan mula sa isang nasasabik na estado sa isang antas ng metastable. Nasusukat ang naturang antas ay tinatawag na, ang paglipat mula sa kung saan sa isang mas mababang antas ay malamang na hindi. Ang radiation sa kasong ito ay maaaring mangyari kung ang Molekyul ay bumalik sa nasasabik na antas muli.

Ang paglipat mula sa isang metastable na estado patungo sa isang nasasabik na estado ay posible lamang sa pagkakaroon ng karagdagang pagganyak. Ang karagdagang causative agent na ito ay maaaring temperatura ng sangkap. Sa mataas na temperatura, ang paglipat na ito ay mabilis na nangyayari, sa mababang temperatura, dahan-dahan.

Tulad ng napansin na natin, ang luminescence sa ilalim ng aksyon ng ilaw ay tinawag photoluminescence, sa ilalim ng pagkilos ng bombardment ng elektron - cathodoluminescence, sa ilalim ng pagkilos ng isang electric field - electroluminescence, sa ilalim ng impluwensya ng mga pagbabagong kemikal - chemiluminescence.

Mga amplifier ng dami at radiation generator

Sa kalagitnaan ng 1950s, nagsimula ang mabilis na pag-unlad ng electronics ng kabuuan. Noong 1954, ang mga gawa ng Academicians na si N.G. Basov at A.M. Tumawag si Prokhorov, na inilarawan ang isang tagabuo ng kabuuan ng mga ultrashort radio alon sa saklaw ng sentimeter maser (microware amplification sa pamamagitan ng stimulated emission of radiation). Ang isang serye ng mga generator at amplifier para sa nakikita at infrared na ilaw na lumitaw noong dekada 60 ay pinangalanan mga generator ng optikong kabuuan o mga laser (light amplification by stimulated emission of radiation).

Ang parehong uri ng mga aparato ay nagpapatakbo batay sa stimulated o sapilitan radiation epekto.

Pag-isipan natin ang ganitong uri ng radiation nang mas detalyado.

Ang ganitong uri ng radiation ay resulta ng pakikipag-ugnayan ng isang electromagnetic wave na may mga atom ng sangkap na kung saan dumaan ang alon.

Sa mga atomo, ang mga paglilipat mula sa mas mataas na antas ng enerhiya hanggang sa mas mababang mga ay isinasagawa nang kusang-loob (o kusang-loob). Gayunpaman, sa ilalim ng impluwensya ng radiation ng insidente, ang mga naturang paglipat ay posible pareho sa pasulong at sa kabaligtaran na direksyon. Ang mga paglipat na ito ay tinawag pinilit o sapilitan... Kapag ang isang sapilitang paglipat mula sa isa sa mga nasasabik na antas sa isang mababang antas ng enerhiya ay nangyayari, ang atom ay nagpapalabas ng isang photon na karagdagang sa photon kung saan ginawa ang paglipat.

Sa kasong ito, ang direksyon ng paglaganap ng photon na ito at, dahil dito, ng buong stimulated emission ay kasabay ng direksyon ng paglaganap ng panlabas na radiation na sanhi ng paglipat, ibig sabihin. stimulated emission ay mahigpit na magkakaugnay sa stimulate emission.

Kaya, ang bagong photon na nabuo ng stimulated emission ay nagpapalakas ng ilaw na dumadaan sa daluyan. Gayunpaman, kasabay ng sapilitan radiation, ang proseso ng light pagsipsip ay nangyayari, mula pa ang isang stimulate radiation photon ay hinihigop ng isang atom sa isang mababang antas ng enerhiya, at ang atom ay gumagalaw sa isang mas mataas na antas ng enerhiya. at

Ang proseso ng paglilipat ng kapaligiran sa isang kabaligtaran na estado ay tinatawag na binombanagpapalakas na daluyan. Maraming pamamaraan para sa pagbomba ng medium na nakuha. Ang pinakasimpleng sa kanila ay ang optical pumping ng daluyan, kung saan ang mga atomo ay inililipat mula sa mas mababang antas hanggang sa itaas na nasasabik na antas sa pamamagitan ng pag-iilaw ng ilaw ng gayong dalas na.

Sa isang daluyan na may isang baligtad na estado, ang stimulated emission ay lumampas sa pagsipsip ng ilaw ng mga atom, bilang isang resulta kung saan ang pangyayaring light beam ay mapalakas.

Isaalang-alang ang isang aparato na gumagamit ng naturang media, ginamit bilang isang generator ng alon sa saklaw na salamin sa mata o laser.

Ang pangunahing bahagi nito ay isang kristal ng artipisyal na rubi, na kung saan ay alumina, kung saan ang ilang mga atom ng aluminyo ay pinalitan ng mga atomo ng chromium. Kapag ang isang ruby \u200b\u200bkristal ay nai-irradiate ng ilaw na may haba ng haba ng haba ng 5600, ang mga chromium ions ay lumipat sa itaas na antas ng enerhiya.

Ang paglipat ng pagbabalik sa estado ng lupa ay nangyayari sa dalawang yugto. Sa unang yugto, ang mga nasasabik na ions ay nagbibigay ng bahagi ng kanilang lakas sa kristal na sala-sala at pumasa sa isang metastable na estado. Ang mga ions ay nasa antas na ito para sa isang mas mahabang oras kaysa sa itaas. Bilang isang resulta, nakamit ang kabaligtaran ng estado ng antas ng metastable.

Ang pagbabalik ng mga ions sa ground state ay sinamahan ng paglabas ng dalawang pulang linya: at. Ang pagbabalik na ito ay nangyayari tulad ng isang avalanche sa ilalim ng pagkilos ng mga photon ng parehong haba ng daluyong, i.e. may sapilitang radiation. Ang pagbabalik na ito ay mas mabilis kaysa sa kusang paglabas, kaya't ang ilaw ay pinalakas.

Ang rubi na ginamit sa laser ay tila isang pamalo na may diameter na 0.5 cm at haba na 4-5 cm. Ang mga patag na dulo ng tungkod na ito ay pinakintab at pininturahan ng pilak upang makabuo ng dalawang magkatapat na salamin, na ang isa ay translucent. Ang buong tungkod ng rubi ay matatagpuan malapit sa isang pulsed electronic lamp, sa tulong ng daluyan na optically pump. Ang mga litrato, ang mga direksyon ng paggalaw na bumubuo ng maliliit na anggulo na may ruby \u200b\u200baxis, nakakaranas ng maraming pagsasalamin mula sa mga dulo nito.

Samakatuwid, ang kanilang landas sa kristal ay magiging napakahaba, at ang mga cascade ng mga photon sa direksyon na ito ay pinaka-binuo.

Kusang inilabas ang mga litrato sa iba pang mga direksyon sa labas ng kristal sa ibabaw ng gilid nito nang hindi nagdudulot ng karagdagang radiation.

Kapag ang axial beam ay naging sapat na matindi, ang bahagi nito ay lumalabas sa pamamagitan ng semitransparent na dulo ng kristal.

Maraming init ang nabuo sa loob ng kristal. Samakatuwid, ito ay dapat na masinsinang cooled.

Ang Laser radiation ay may bilang ng mga tampok. Ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng:

1. temporal at spatial coherence;

2. mahigpit na monochromaticity;

3. mataas na kapangyarihan;

4. ang hikip ng sinag.

Ang mataas na pagkakaugnay ng radiation ay nagbubukas ng malawak na mga prospect para sa paggamit ng mga laser para sa mga komunikasyon sa radyo, lalo na, para sa direksyong mga komunikasyon sa radyo sa kalawakan. Kung ang isang paraan ng modulate at demodulate light ay matatagpuan, isang malaking halaga ng impormasyon ay maaaring maipasa. Kaya, sa mga tuntunin ng dami ng impormasyong naihatid, ang isang laser ay maaaring mapalitan ang buong sistema ng komunikasyon sa pagitan ng silangan at kanlurang baybayin ng Estados Unidos.

Ang angular na lapad ng laser beam ay napakaliit na, gamit ang pagtuon ng teleskopiko, ang isang lugar ng ilaw na 3 km ang lapad ay maaaring makuha sa ibabaw ng buwan. Pinapayagan ng mataas na lakas at hikip ng sinag, kapag nakatuon sa isang lens, upang makakuha ng density ng pagkilos ng lakas na 1000 beses na mas mataas kaysa sa density ng pagkilos ng bagay na makukuha sa pamamagitan ng pagtuon ng sikat ng araw. Ang mga nasabing ilaw ng ilaw ay maaaring gamitin para sa machining at welding, para maimpluwensyahan ang kurso ng mga reaksyong kemikal, atbp.

Sa itaas ay hindi maubos ang lahat ng mga posibilidad ng laser. Ito ay isang ganap na bagong uri ng mapagkukunan ng ilaw at mahirap pa ring isipin ang lahat ng mga posibleng lugar ng aplikasyon nito.

MOLECULAR SPECTRA, paglabas at pagsipsip ng dalas ng electromagn. radiation at mga kombinasyon. ilaw na pagsabog na kabilang sa malaya o mahina na nakagapos na mga molekula. Mayroon silang anyo ng isang hanay ng mga banda (linya) sa X-ray, UV, nakikita, IR at radio wave (kabilang ang mga microwave) na rehiyon ng spectrum. Ang posisyon ng mga banda (linya) sa paglabas (spekular na paglabas ng molekular) at pagsipsip (molekular pagsipsip na dalas) na dalas ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga frequency na v (mga haba ng daluyong l \u003d c / v, kung saan ang c ay ang bilis ng ilaw) at mga numero ng alon \u003d 1 / l; natutukoy ito sa pamamagitan ng pagkakaiba sa pagitan ng mga enerhiya na E "at E: ang mga estado ng Molekyul sa pagitan ng kung saan nangyayari ang isang paglipat ng kabuuan:

(h ay pare-pareho ang Planck). Sa mga kombinasyon. nagkakalat, ang halaga ng hv ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng mga enerhiya ng insidente at kalat na mga photon. Ang tindi ng mga banda (linya) ay nauugnay sa bilang (konsentrasyon) ng mga molekula ng isang naibigay na uri, ang populasyon ng mga antas ng enerhiya na E "at E: at ang posibilidad ng kaukulang paglipat.

Ang posibilidad ng mga paglipat sa paglabas o pagsipsip ng radiation ay natutukoy pangunahin sa pamamagitan ng parisukat ng matrix element electr. ang dipole sandali ng paglipat, at may isang mas tumpak na pagsasaalang-alang - at ang mga parisukat ng matrix elemento magn. at elektrisidad. quadrupole sandali ng isang Molekyul (tingnan. Mga paglipat ng dami). Sa mga kombinasyon. Sa pagsabog ng ilaw, ang posibilidad ng paglipat ay nauugnay sa elemento ng matrix ng sapilitan (sapilitan) sandali ng dipole ng paglipat ng Molekyul, ibig sabihin na may elemento ng matrix ng molekula polarizability.

Ang mga estado ng pier ang mga sistema, mga paglipat sa pagitan ng kung saan ay ipinakita sa anyo ng ilang mga molekular na spekula, ay may ibang kalikasan at malaki ang pagkakaiba sa enerhiya. Ang mga antas ng enerhiya ng ilang mga uri ay matatagpuan malayo sa bawat isa, kaya't sa panahon ng paglipat, ang molekula ay sumisipsip o nagpapalabas ng radiation na may dalas ng dalas. Ang distansya sa pagitan ng mga antas ng iba pang kalikasan ay maliit, at sa ilang mga kaso, sa kawalan ng panlabas. ang mga patlang sa antas ay nagsasama (bumabagsak). Sa maliliit na pagkakaiba ng enerhiya, ang mga pagbabago ay sinusunod sa rehiyon ng mababang dalas. Halimbawa, ang mga nuclei ng mga atomo ng ilang mga elemento ay may kani-kanilang. magn sandali at elektrisidad. sandali na may kaugnayan sa pag-ikot na quadrupole. Ang mga elektron ay mayroon ding magn. ang sandali na nauugnay sa kanilang pag-ikot. Sa kawalan ng ext. orientation field magn. ang mga sandali ay arbitrary, ibig sabihin ang mga ito ay hindi nabibilang sa dami at ang kaukulang energetic. ang mga estado ay nabulok. Kapag sumobra sa ext. permanenteng magn. patlang, ang pagkabulok ay itinaas at ang mga paglipat sa pagitan ng mga antas ng enerhiya na sinusunod sa rehiyon ng dalas ng radyo ng spectrum ay posible. Ganito lumitaw ang NMR at EPR spectraance (tingnan ang Nuclear magnetic resonance, Electron paramagnetic resonance).

Pamamahagi ng kinetiko mga enerhiya ng mga electron na ibinubuga ng pier. ang mga system bilang isang resulta ng pagkakalantad sa X-ray o matitigas na UV radiation, ay nagbibigay ng isang X-rayspectroscopy at photoelectron spectroscopy. Karagdagan proseso sa pier. ang system, sanhi ng paunang paggulo, ay humantong sa paglitaw ng iba pang mga manonood. Kaya, ang Auger spectra ay bumangon bilang isang resulta ng pagpapahinga. pagkuha ng isang electron mula sa ext. shell k.-l. atom sa bakanteng int. shell, at ang pinakawalan na enerhiya ay nabago. sa kinetic. enerhiya ng ibang electron ext. shell na pinalabas ng isang atom. Sa kasong ito, ang isang paglipat ng kabuuan ay nangyayari mula sa isang tiyak na estado ng isang neutral na molekula sa isang estado ng pier. ion (tingnan ang Auger spectroscopy).

Ayon sa kaugalian, ang spectra lamang na nauugnay sa optical spectra ang tinukoy bilang wastong molekular. mga pagbabago sa pagitan ng electronic-vibrational-rotate, ang antas ng enerhiya ng molekula na nauugnay sa tatlong pangunahing. mga uri ng masigla. mga antas ng Molekyul - electronic E el, vibrational E count at rotational E vr, na tumutugma sa tatlong uri ng panloob. paggalaw sa molekula. Ang enerhiya ng pagsasaayos ng balanse ng Molekyul sa isang naibigay na elektronikong estado ay kinuha bilang E el. Ang hanay ng mga posibleng elektronikong estado ng isang Molekyul ay natutukoy ng mga katangian ng elektronikong shell at symmetry nito. Oscillation. ang mga galaw ng nukleo sa isang Molekyul na may kaugnayan sa kanilang posisyon ng balanse sa bawat elektronikong estado ay kinakalkula upang ang ilan ay manginig. antas ng kalayaan, nabuo ang isang komplikadong sistema ng mga panginginig. antas ng enerhiya E bilangin. Ang pag-ikot ng molekula bilang isang kabuuan bilang isang matibay na sistema ng nakagapos na nuclei ay nailalarawan sa pamamagitan ng pag-ikot. bilang ng paggalaw ng sandali, ang-ry ay nabibilang, bumubuo ng paikutin. estado (mga antas ng paikot na enerhiya) E oras. Karaniwan ang lakas ng mga elektronikong paglipat ay ayon sa pagkakasunud-sunod ng marami. eV, vibrational-10 -2 ... 10 -1 eV, rotational-10 -5 ... 10 -3 eV.

Nakasalalay sa aling mga antas ng enerhiya ang mga paglipat na may paglabas, pagsipsip o mga kumbinasyon. pagsabog ng electromagn. radiation - electronic, mag-vibrate. o paikot, makilala ang electronic, mag-vibrate. at umiikot na molekular na spekra. Ang mga artikulong Elektronikong eksibisyon, Vibrational spektra, Rotational spektra ay nagbibigay ng impormasyon sa mga kaukulang estado ng mga molekula, mga panuntunan sa pagpili para sa mga paglipat ng dami, mga pamamaraan ng mol. spectroscopy, pati na rin kung anong mga katangian ng mga molekula m. b. nakuha mula sa molekular na spekula: Holy Island at simetrya ng mga elektronikong estado, mag-vibrate. mga pare-pareho, enerhiya ng pagkakahiwalay, mahusay na mahusay na proporsyon, paikutin. pare-pareho, sandali ng pagkawalang-galaw, geom. mga parameter, elektrisidad mga sandali ng dipole, data sa istraktura at panloob. puwersang mga patlang, atbp. Ang elektronikong pagsipsip at luminescence na eksena sa nakikita at mga rehiyon ng UV ay nagbibigay ng impormasyon sa pamamahagi

Spectrumay tinatawag na pagkakasunud-sunod ng quanta ng enerhiya ng electromagnetic radiation, hinihigop, pinakawalan, nakakalat o sumasalamin ng bagay sa panahon ng paglilipat ng mga atomo at mga molekula mula sa isang estado ng enerhiya patungo sa isa pa.

Nakasalalay sa likas na katangian ng pakikipag-ugnay ng ilaw sa bagay, ang spectra ay maaaring nahahati sa pagsipsip (pagsipsip) na spasyo; emissions (emission); pagsabog at repleksyon.

Para sa mga bagay na pinag-aaralan, optical spectroscopy, ibig sabihin spectroscopy sa saklaw ng haba ng daluyong 10 -3 ÷ 10 -8 mnahahati sa atomic at molekular.

Atomic spectrumay isang pagkakasunud-sunod ng mga linya, ang posisyon na kung saan ay natutukoy ng lakas ng paglipat ng mga electron mula sa isang antas patungo sa isa pa.

Enerhiya ng atommaaaring kinatawan bilang kabuuan ng lakas na kinetiko ng paggalaw ng translational at enerhiya ng elektronikong:

kung saan ang dalas, ang haba ng haba ng daluyong, ay ang bilang ng alon, ang bilis ng ilaw, pare-pareho ang Planck.

Dahil ang enerhiya ng isang electron sa isang atom ay baligtad na proporsyonal sa parisukat ng punong dami ng bilang, pagkatapos para sa isang linya sa atomic spectrum maaari naming isulat ang equation:

.

(4.12)

Dito - Mga electron energies sa mas mataas at mas mababang antas; - pare-pareho ang Rydberg; - mga termino na parang multo, na ipinahayag sa mga yunit ng pagsukat ng mga bilang ng alon (m -1, cm -1).

Ang lahat ng mga linya ng atomic spectrum ay nagtatagpo sa maikling-haba ng haba ng rehiyon sa limitasyong natutukoy ng lakas ng ionization ng atom, pagkatapos nito ay may tuloy-tuloy na spectrum.

Enerhiya ng Molekyulsa unang pagtatantya ay maaaring isaalang-alang bilang kabuuan ng mga enerhiyang translational, rotational, vibrational at electronic:

(4.15)

Para sa karamihan ng mga molekula, natutugunan ang kondisyong ito. Halimbawa, para sa H2 sa 291K, ang mga indibidwal na bahagi ng kabuuang enerhiya ay naiiba sa isang pagkakasunud-sunod ng lakas o higit pa:

309,5 kJ / mol,

=25,9 kJ / mol,

2,5 kJ / mol,

=3,8 kJ / mol.

Ang mga halaga ng enerhiya ng quanta sa iba't ibang mga rehiyon ng spectrum ay inihambing sa Talahanayan 4.2.

Talahanayan 4.2 - Enerhiya ng hinihigop na quanta ng iba't ibang mga rehiyon ng optical spectrum ng mga molekula

Ang mga konsepto ng "vibrations of nuclei" at "pag-ikot ng mga molekula" ay may kondisyon. Sa katotohanan, ang mga ganitong uri ng paggalaw ay halos humigit-kumulang na ihatid ang ideya ng pamamahagi ng mga nuclei sa kalawakan, na may parehong likas na probabilistic tulad ng pamamahagi ng mga electron.

Ang isang eskematiko na sistema ng mga antas ng enerhiya sa kaso ng isang diatomic Molekyul ay ipinapakita sa Larawan 4.1.

Ang mga paglilipat sa pagitan ng mga antas ng paikot na enerhiya ay nagbubunga ng paikot na dalas sa malayong mga rehiyon ng IR at microwave. Ang mga paglilipat sa pagitan ng mga antas ng panginginig sa loob ng isang antas ng elektronikong nagbibigay ng panginginig ng boses na paikot sa malapit na rehiyon ng IR, dahil ang isang pagbabago sa bilang ng panginginig na dami ay hindi maiiwasan na nagsasama ng pagbabago sa bilang ng paikot na bilang. Sa wakas, ang mga paglilipat sa pagitan ng mga antas ng elektronikong sanhi ng paglitaw ng electronic-vibrational-rotational spectra sa nakikita at mga rehiyon ng UV.

Sa pangkalahatang kaso, ang bilang ng mga paglipat ay maaaring maging napakalaki, ngunit sa katunayan, hindi lahat sa kanila ay nagpapakita ng kanilang sarili sa eksena. Ang bilang ng mga paglilipat ay limitado mga panuntunan sa pagpili .

Nagbibigay ang molecular spreza ng mayamang impormasyon. Maaari silang magamit:

Para sa pagkilala ng mga sangkap sa isang husay na pagtatasa, mula pa ang bawat sangkap ay may kanya-kanyang spectrum na likas lamang dito;

Para sa dami ng pagtatasa;

Para sa pagtatasa ng pangkat ng istruktura, dahil ang ilang mga pangkat, tulad ng, halimbawa,\u003e C \u003d O, _ NH 2, _ OH, atbp ay nagbibigay ng mga katangian na banda sa spasyo;

Upang matukoy ang mga estado ng enerhiya ng mga molekula at mga katangian ng molekular (distansya ng internuclear, sandali ng pagkawalang-kilos, natural na mga frequency ng panginginig, mga dissociation energies); isang komprehensibong pag-aaral ng molekular na spektra ay ginagawang posible upang makakuha ng mga konklusyon tungkol sa spatial na istraktura ng mga molekula;

Sa mga pag-aaral na kinetic, kasama ang pag-aaral ng napakabilis na reaksyon.

- enerhiya ng mga antas ng elektronikong;

Mga antas ng enerhiya na panginginig;

Paikot na enerhiya

Larawan 4.1 - Pagsasaayos ng iskrip ng mga antas ng enerhiya ng isang diatomic Molekyul

Batas ng Bouguer-Lambert-Beer

Ang dami ng pagsusuri sa molekular na gumagamit ng molekular spectroscopy ay batay sa batas ng Bouguer-Lambert-Beer , na nauugnay ang kasidhian ng insidente at naglipat ng ilaw sa konsentrasyon at kapal ng sumisipsip na layer (Larawan 4.2):

o may proporsyonal na kadahilanan:

Resulta ng pagsasama:

(4.19)

.

(4.20)

Kapag ang pangyayari light light ay nababawasan ng isang order ng magnitude

.

(4.21)

Kung \u003d 1 mol / l, kung gayon, ibig sabihin ang koepisyent ng pagsipsip ay katumbas ng suklian ng kapal ng layer, kung saan sa isang konsentrasyon na katumbas ng 1, ang intensity ng ilaw ng insidente ay nababawasan ng isang order ng magnitude.

Ang mga koepisyentong pagsipsip at nakasalalay sa haba ng daluyong. Ang uri ng pagpapakandili na ito ay isang uri ng "fingerprint" ng mga molekula, na ginagamit sa pagsusuri ng husay upang makilala ang isang sangkap. Ang pagtitiwala na ito ay katangian at indibidwal para sa isang partikular na sangkap at sumasalamin sa mga pangkatang katangian at bono na bumubuo sa Molekyul.

Density ng optiko D

ipinahayag sa%

4.2.3 Paikot na enerhiya ng isang diatomic Molekyul sa mahigpit na pamamaraang rotator. Ang rotational spreza ng mga molekula at ang kanilang aplikasyon upang matukoy ang mga katangian ng molekular

Ang hitsura ng paikot na dalas ay nauugnay sa ang katunayan na ang umiikot na enerhiya ng isang Molekyul ay nabibilang, ibig sabihin

0

at

Ang lakas ng pag-ikot ng isang molekula sa paligid ng axis ng pag-ikot

Dahil ang punto O ay ang sentro ng grabidad ng Molekyul, pagkatapos ay:

Panimula ng pagtatalaga ng nabawasan na masa:

(4.34)

humahantong sa equation

.

(4.35)

Kaya, isang diatomic Molekyul (Larawan 4.7 at), umiikot sa paligid ng isang axis o dumadaan sa gitna ng gravity, ay maaaring gawing simple upang matukoy bilang isang maliit na butil na may masa na naglalarawan ng isang bilog na may isang radius sa paligid ng punto O (pigura 4.7 b).

Ang pag-ikot ng molekula sa paligid ng axis ay nagbibigay ng sandali ng pagkawalang-galaw, halos katumbas ng zero, dahil ang radii ng mga atomo ay mas mababa kaysa sa distansya ng internuclear. Ang pag-ikot tungkol sa mga palakol o, magkatulad na patayo sa linya ng bono ng Molekyul, ay humahantong sa pantay na sandali ng pagkawalang-galaw:

kung saan ang isang umiikot na numero ng kabuuan na kumukuha lamang ng mga halagang integer

0, 1, 2…. Alinsunod sa panuntunan sa pagpili para sa paikot na spectrum sa isang diatomic Molekyul, isang pagbabago sa paikot na bilang ng dami sa pagsipsip ng isang lakas ng lakas ay posible lamang sa pamamagitan ng isa, i.

binago ang equation (4.37) sa form:

20 12 6 2

ang bilang ng alon ng linya sa rotational spectrum na naaayon sa pagsipsip ng isang kabuuan sa paglipat mula sa j antas ng enerhiya bawat antas jMaaaring kalkulahin ang +1 gamit ang equation:

Kaya, ang paikot na spectrum sa paglapit ng modelo ng matibay na umiikot ay isang sistema ng mga linya na matatagpuan sa parehong distansya mula sa bawat isa (Larawan 4.5b). Ang mga halimbawa ng paikot na dalas ng mga diatomic Molekyul na tinantya sa matibay na modelo ng umiikot ay ipinapakita sa Larawan 4.6.

at b

Larawan 4.6 - Paikutin na spectra HF (at) at CO(b)

Para sa mga molecule ng hydrogen halides, ang spectrum na ito ay inilipat sa malayong-IR na rehiyon ng spectrum, para sa mas mabibigat na mga molekula - sa microwave.

Batay sa nakuha na mga pagkakapareho ng hitsura ng paikot na spectrum ng isang diatomic Molekyul, sa kasanayan, unang tukuyin ang distansya sa pagitan ng mga katabing linya sa spectrum, na kung saan sila karagdagang natagpuan, at ayon sa mga equation:

,

(4.45)

kung saan - pare-pareho ang pagbaluktot ng sentripugal , ay nauugnay sa patuloy na pag-ikot ng tinatayang ugnayan ... Ang pagwawasto ay dapat isaalang-alang lamang sa napakalaking j.

Para sa mga polyatomic Molekyul, sa pangkalahatang kaso, posible ang pagkakaroon ng tatlong magkakaibang sandali ng pagkawalang-galaw ... Sa pagkakaroon ng mga elemento ng mahusay na proporsyon sa isang Molekyul, ang mga sandali ng pagkawalang-galaw ay maaaring magkasabay o kahit na katumbas ng zero. Halimbawa, para sa mga linear polyatomic molekula (CO 2, OCS, HCN, atbp.)

kung saan - posisyon ng linya na naaayon sa paikot na paglipat sa isang molekulang pinalitan ng isotope.

Upang kalkulahin ang halaga ng paglilipat ng isotope ng linya, kinakailangan upang sunud-sunod na kalkulahin ang nabawasan na masa ng isotope-substituted na molekula na isinasaalang-alang ang pagbabago sa atomic mass ng isotope, ang sandali ng pagkawalang-galaw, ang umiikot na pare-pareho, at ang posisyon ng linya sa spectrum ng molekula ayon sa mga equation (4.34), (4.35), (4.39), (4.39), at 4.43), , o tantyahin ang ratio ng mga bilang ng alon ng mga linya na naaayon sa parehong paglipat sa mga substitusyong substituted na di-isotope at non-isotope-substituted na mga molekula, at pagkatapos ay matukoy ang direksyon at magnitude ng isotopic shift ayon sa equation (4.50). Kung ang distansya ng internuclear ay humigit-kumulang na pare-pareho , pagkatapos ang ratio ng mga wavenumber ay tumutugma sa kabaligtaran na ratio ng nabawasan na masa:

kung saan ang kabuuang bilang ng mga particle, ay ang bilang ng mga maliit na butil bawat ako- ang antas ng enerhiya sa temperatura T, k- Boltzmann pare-pareho, - pang-istatistika ve pilit na antas ng pagkabulok ako-th antas ng enerhiya, nailalarawan ang posibilidad ng paghanap ng mga maliit na butil sa isang naibigay na antas.

Para sa isang umiikot na estado, ang antas ng populasyon ay karaniwang nailalarawan sa pamamagitan ng ratio ng bilang ng mga maliit na butil bawat j- ang antas ng enerhiya na iyon sa bilang ng mga maliit na butil sa antas ng zero:

,

(4.53)

kung saan - bigat ng istatistika j-th antas ng paikot na enerhiya, tumutugma sa bilang ng mga pagpapakita ng momentum ng isang umiikot na molekula sa axis nito - ang linya ng bono ng Molekyul, , ang lakas ng antas ng pag-ikot ng zero ... Ang pagpapaandar ay dumadaan sa isang maximum kapag tumataas j, tulad ng inilalarawan ng Larawan 4.7 para sa halimbawa ng molekula ng CO.

Ang sukat ng pag-andar ay tumutugma sa antas na may maximum na kamag-anak na populasyon, ang halaga ng bilang ng kabuuan na maaaring kalkulahin gamit ang equation na nakuha matapos matukoy ang hinalaw ng pagpapaandar sa extremum:

.

(4.54)

Larawan 4.7 - Kamag-anak na populasyon ng mga antas ng paikot na enerhiya

mga molekula COsa temperatura na 298 at 1000 K

Halimbawa.Sa rotational HI spectrum, natutukoy ang distansya sa pagitan ng mga katabing linya cm -1... Kalkulahin ang palaging pag-ikot, sandali ng pagkawalang-galaw at balanse na distansya ng internuclear sa Molekyul.

Desisyon

Sa paglapit ng isang matibay na modelo ng umiikot, alinsunod sa equation (4.45), natutukoy namin ang palaging pag-ikot:

cm -1.

Ang sandali ng pagkawalang-kilos ng Molekyul ay kinakalkula mula sa halaga ng paikut-ikot na pare-pareho ayon sa equation (4.46):

kg . m 2.

Upang matukoy ang distansya ng equilibrium internuclear, gumagamit kami ng equation (4.47), isinasaalang-alang na ang masa ng hydrogen nuclei at yodo ipinahayag sa kg:

Halimbawa.Sa dulong infrared na rehiyon ng spectrum na 1 H 35 Cl, natagpuan ang mga linya, ang mga bilang ng alon na kung saan ay:

Tukuyin ang average na mga halaga ng sandali ng pagkawalang-galaw at distansya ng internuclear ng Molekyul. Italaga ang mga naobserbahang linya sa spectrum sa mga paikot na transisyon.

Desisyon

Ayon sa matibay na modelo ng umiikot, ang pagkakaiba sa pagitan ng mga numero ng alon ng mga katabing linya ng rotational spectrum ay pare-pareho at katumbas ng 2. Tukuyin natin ang patuloy na pag-ikot mula sa average na distansya sa pagitan ng mga katabing linya sa spectrum:

cm -1,

cm -1

Hanapin ang sandali ng pagkawalang-kilos ng Molekyul (equation (4.46)):

Kinakalkula namin ang distansya ng equilibrium internuclear (equation (4.47)), isinasaalang-alang na ang masa ng hydrogen nuclei at murang luntian (ipinahayag sa kg):

Gamit ang equation (4.43), tinatantiya namin ang posisyon ng mga linya sa rotational spectrum na 1 H 35 Cl:

Ihambing natin ang mga nakalkulang halaga ng mga numero ng alon ng mga linya sa mga pang-eksperimentong iyon. Ito ay lumalabas na ang mga linya na sinusunod sa paikot na spectrum ng 1 H 35 Cl ay tumutugma sa mga paglipat:

N linya
, cm -1	85.384	106.730	128.076	149.422	170.768	192.114	213.466
	3 4	4 5	5 6	6 7	7 8	8 9	9 10

Halimbawa.Tukuyin ang kalakhan at direksyon ng isotopic shift ng linya ng pagsipsip na naaayon sa paglipat mula sa antas ng enerhiya sa paikot na spectrum ng 1 H 35 Cl na Molekyul na may kahalili ng chlorine atom para sa 37 Cl isotope. Ang distansya ng internuclear sa 1 H 35 Cl at 1 H 37 Cl na mga molekula ay itinuturing na pareho.

Desisyon

Upang matukoy ang halaga ng paglilipat ng isotopic ng linya na naaayon sa paglipat , kinakalkula namin ang nabawasan na masa ng 1 H 37 Cl na molekula na isinasaalang-alang ang pagbabago sa dami ng atomic na 37 Cl:

pagkatapos ay kinakalkula namin ang sandali ng pagkawalang-galaw, palaging pag-ikot at posisyon ng linya sa spectrum ng 1 H 37 Cl Molekyul at ang isotopic shift ayon sa mga equation (4.35), (4.39), (4.43), at (4.50), ayon sa pagkakabanggit.

Kung hindi man, ang paglilipat ng isotope ay maaaring matantya mula sa ratio ng mga bilang ng alon ng mga linya na naaayon sa parehong paglipat sa mga molekula (ang distansya ng internuclear ay ipinapalagay na pare-pareho) at pagkatapos ang posisyon ng linya sa spectrum gamit ang Eqn (4.51).

Para sa 1 H 35 Cl at 1 H 37 Cl na mga molekula, ang ratio ng mga wavenumber ng isang naibigay na paglipat ay:

Upang matukoy ang bilang ng alon ng linya ng isang isotope na pinalitan ng isotope, pinalitan namin ang halaga ng bilang ng alon ng paglipat na natagpuan sa nakaraang halimbawa j → j+1 (3→4):

Nagwawakas kami: ang paglilipat ng isotopic sa mababang dalas o pang-alon na rehiyon ay

85.384-83.049 \u003d 2.335 cm -1.

Halimbawa.Kalkulahin ang wavenumber at haba ng daluyong ng pinaka-matinding linya ng multo ng paikot na spectrum ng 1 H 35 Cl Molekyul. Itugma ang linya sa katumbas na paikot na paglipat.

Desisyon

Ang pinaka-matinding linya sa rotational spectrum ng Molekyul ay nauugnay sa maximum na kamag-anak na populasyon ng antas ng paikot na enerhiya.

Ang pagpapalit ng palaging pag-ikot na matatagpuan sa nakaraang halimbawa para sa 1 H 35 Cl ( cm -1) sa equation (4.54) ay nagbibigay-daan sa iyo upang makalkula ang bilang ng antas ng enerhiya na ito:

.

Kinakalkula namin ang wavenumber ng paikot na paglipat mula sa antas na ito gamit ang equation (4.43):

Natagpuan namin ang haba ng haba ng paglipat mula sa nabago na may paggalang sa equation (4.11):

4.2.4 Multivariate task No. 11 "Paikot-ikot na spasyo ng diatomic Molekyul"

1. Sumulat ng isang equum na mekanikal na equation para sa pagkalkula ng paikot na enerhiya ng isang diatomic Molekyul bilang isang matibay na umiikot.

2. Kumuha ng isang equation para sa pagkalkula ng pagbabago sa paikot na enerhiya ng isang diatomic Molekyul bilang isang matibay na rotator kapag lumipat ito sa isang kalapit, mas mataas na antas ng kabuuan. .

3. Nakukuha ang equation para sa pagtitiwala ng bilang ng alon ng mga rotational line sa pagsipsip ng spectrum ng isang diatomic Molekyul sa paikot na bilang ng dami.

4. Nakakuha ng isang equation para sa pagkalkula ng pagkakaiba sa pagitan ng mga numero ng alon ng mga katabing linya sa paikot na pagsipsip na spectrum ng isang diatomic Molekyul.

5. Kalkulahin ang palaging pag-ikot (sa cm -1 at m -1) ng diatomic Molekyul A sa pamamagitan ng mga wavenumber ng dalawang magkakatabing linya sa pang-alon na infrared na rehiyon ng paikot na spectrum ng pagsipsip ng molekula (tingnan ang Talaan 4.3)

6. Tukuyin ang enerhiya ng pag-ikot ng molekula A sa unang limang mga antas ng pag-ikot ng kabuuan (J).

7. Iguhit nang eskematiko ang mga antas ng enerhiya ng paikot na paggalaw ng isang diatomic Molekyul bilang isang matibay na umiikot.

8. Gumuhit ng mga antas ng paikot na kabuuan ng isang Molekyul na hindi isang matibay na umiikot sa diagram na ito na may isang tuldok na linya.

9. Nakuha ang equation para sa pagkalkula ng equilibrium internuclear na distansya batay sa pagkakaiba sa mga wavenumber ng mga katabing linya sa paikot na spectrum ng pagsipsip.

10. Tukuyin ang sandali ng pagkawalang-kilos (kg.m 2) ng isang diatomic Molekyul A.

11. Kalkulahin ang nabawasan na masa (kg) ng Molekyul A.

12. Kalkulahin ang equilibrium internuclear distansya () ng Molekyul A... Ihambing ang natanggap na halaga sa sangguniang data.

13. Italaga ang mga naobserbahang linya sa rotational spectrum ng Molekyul A sa paikot na mga pagbabago.

14. Kalkulahin ang wavenumber ng linya ng parang multo na naaayon sa paikot na paglipat mula sa antas j para sa isang Molekyul A(tingnan ang talahanayan 4.3).

15. Kalkulahin ang nabawasan na masa (kg) ng isotope-substituted Molekyul B.

16. Kalkulahin ang wavenumber ng linya ng parang multo na nauugnay sa paikot na paglipat mula sa antas j para sa isang Molekyul B(tingnan ang talahanayan 4.3). Ang distansya ng internuclear sa mga molekula A at B itinuturing na pantay.

17. Tukuyin ang kalakhan at direksyon ng paglilipat ng isotope sa rotational spreza ng mga molekula A at B para sa linya ng multo na naaayon sa paglipat sa antas ng pag-ikot j.

18. Ipaliwanag ang dahilan ng pagbabago ng nonmonotonic sa tindi ng mga linya ng pagsipsip habang tumataas ang enerhiya ng pag-ikot ng Molekyul

19. Tukuyin ang bilang ng kabuuan ng antas ng pag-ikot na naaayon sa pinakamataas na populasyon na kamag-anak. Kalkulahin ang mga haba ng daluyong ng mga pinaka-matinding linya ng multo ng paikot na spekula ng mga molekula A at B.

Mga bono ng kemikal at istrakturang molekular.

Molecule - ang pinakamaliit na maliit na butil ng isang sangkap, na binubuo ng pareho o iba't ibang mga atomo na konektado sa bawat isa mga bono ng kemikal, at ang nagdadala ng pangunahing mga kemikal at pisikal na katangian nito. Ang mga bono ng kemikal ay dahil sa pakikipag-ugnay ng panlabas, valence electron ng atoms. Kadalasan, mayroong dalawang uri ng mga bono sa mga molekula: ionic at covalent.

Ionic bond (halimbawa, sa mga molekula NaCl, Si KBr) ay isinasagawa ng pakikipag-ugnay ng electrostatic ng mga atomo sa paglipat ng isang electron mula sa isang atom patungo sa isa pa, ibig sabihin na may pagbuo ng positibo at negatibong mga ions.

Ang isang covalent bond (halimbawa, sa mga molekula H 2, C 2, CO) ay nangyayari kapag ang mga valence electron ay ibinabahagi ng dalawang mga karatig na atomo (ang mga pag-ikot ng mga electron ng valence ay dapat na magkatulad). Ang covalent bond ay ipinaliwanag batay sa prinsipyo ng hindi pagkikilala ng magkatulad na mga maliit na butil, halimbawa, mga electron sa isang hydrogen Molekyul. Ang hindi makikilala na mga particle ay humahantong sa pakikipag-ugnayan.

Ang isang molekula ay isang sistema ng kabuuan; ito ay inilarawan ng Schrödinger equation, na isinasaalang-alang ang paggalaw ng mga electron sa isang Molekyul, panginginig ng mga atomo sa isang Molekyul, pag-ikot ng isang Molekyul. Ang paglutas ng equation na ito ay isang napakahirap na problema, na kadalasang nasisira sa dalawa: para sa mga electron at nuclei. Nakahiwalay na enerhiya ng molekula:

kung saan ang lakas ng paggalaw ng mga electron na may kaugnayan sa nuclei, ay ang enerhiya ng mga pag-vibrate ng nuclei (bilang isang resulta kung saan ang relatibong posisyon ng mga nuclei ay nagbabago panaka-nakang), ay ang enerhiya ng pag-ikot ng nuclei (bilang isang resulta kung saan ang oryentasyon ng molekula sa puwang na pana-panahong nagbabago). Ang pormula (13.1) ay hindi isinasaalang-alang ang enerhiya ng paggalaw ng translational ng gitna ng masa ng Molekyul at ang enerhiya ng mga nukleong ng atomo sa Molekyul. Ang una sa kanila ay hindi nabibilang, kaya't ang mga pagbabago nito ay hindi maaaring humantong sa paglitaw ng isang molekular spectrum, at ang pangalawa ay maaaring balewalain kung ang hyperfine na istraktura ng mga linya ng parang multo ay hindi isinasaalang-alang. Napatunayan na ang eV, eV, eV, samakatuwid \u003e\u003e\u003e\u003e.

Ang bawat isa sa mga enerhiyang kasama sa pagpapahayag (13.1) ay nabibilang sa dami (isang hanay ng mga discrete na antas ng enerhiya na tumutugma dito) at natutukoy ng mga bilang ng kabuuan. Sa paglipat mula sa isang estado ng enerhiya patungo sa isa pa, ang enerhiya D ay hinihigop o nagpapalabas E \u003d hv.Sa panahon ng naturang mga paglilipat, ang lakas ng paggalaw ng mga electron, ang lakas ng mga panginginig at pag-ikot ay sabay na nagbabago. Sinusundan ito mula sa teorya at eksperimento na ang distansya sa pagitan ng mga antas ng paikot na enerhiya D ay mas mababa kaysa sa distansya sa pagitan ng mga antas ng panginginig ng D, na kung saan, ay mas mababa kaysa sa distansya sa pagitan ng mga antas ng elektronikong D. Ang larawan 13.1 na eskematiko ay nagpapakita ng mga antas ng enerhiya ng isang diatomic Molekyul (halimbawa, dalawang antas ng elektronikong lamang ang isinasaalang-alang - ipinapakita sa mga naka-bold na linya).

Ang istraktura ng mga molekula at ang mga katangian ng kanilang mga antas ng enerhiya ay ipinakita sa molekular na spasyo– paglabas (pagsipsip) spektrum na nagmumula sa mga paglipat ng kabuuan sa pagitan ng mga antas ng enerhiya ng mga molekula. Ang pagpapalabas ng spectrum ng isang Molekyul ay natutukoy ng istraktura ng mga antas ng enerhiya nito at ng mga kaukulang alituntunin sa pagpili.

Samakatuwid, para sa iba't ibang mga uri ng mga pagbabago sa pagitan ng mga antas, lumabas ang iba't ibang mga uri ng molekular na litrat. Ang mga dalas ng linya ng parang multo na ibinubuga ng mga molekula ay maaaring tumutugma sa mga paglilipat mula sa isang antas ng elektronikong patungo sa isa pa (elektronikong eksena) o mula sa isang antas ng panginginig (paikot) sa isa pa ( panginginig ng boses (paikut-ikot) na spasyoBilang karagdagan, posible rin ang mga paglilipat na may parehong halaga at sa mga antas na may iba pang mga halaga para sa lahat ng tatlong mga bahagi, na nagreresulta sa electronic-vibrational at vibrational-rotational spreza.

Ang tipikal na molekular na spekula ay may guhit, na kumakatawan sa isang koleksyon ng higit pa o mas kaunting makitid na mga banda sa ultraviolet, nakikita at mga infrared na rehiyon.

Gamit ang mga instrumento na may mataas na resolusyon na spektral, makikita na ang mga banda ay malapit nang mag-spaced ng mga linya na mahirap silang lutasin. Ang istraktura ng molekular na spekra ay magkakaiba para sa iba't ibang mga molekula at nagiging mas kumplikado sa pagdaragdag ng bilang ng mga atom sa isang molekula (tuloy-tuloy na malawak na mga banda lamang ang sinusunod). Ang mga polyatomic molekula lamang ang mayroong panginginig ng boses at paikot na spasyo, habang ang mga diatomiko ay hindi. Ito ay ipinaliwanag ng katotohanan na ang mga diatomic molekula ay walang mga sandali ng dipole (sa panahon ng panginginig at paikot na mga paglipat, walang pagbabago sa sandali ng dipole, na kung saan ay isang kinakailangang kondisyon para sa posibilidad ng paglipat na magkakaiba mula sa zero). Ginagamit ang molecular specra upang pag-aralan ang istraktura at mga katangian ng mga molekula, ginagamit sa pag-aaral ng molekular spectral, laser spectroscopy, quantum electronics, atbp.