2.7. Molekulska spektroskopija

Uvod

Vrijeme je da se posvetimo nizu eksperimentalnih tehnika, koje nam otvaraju pogled u mikroskopski svijet molekula. S jedne strane, znanstvenici na taj način, uz potporu sofisticiranih kvantnomehaničkih računskih metoda, dobivaju uvid u fundamentalna svojstva molekula. S druge strane, te tehnike omogućuju mnogobrojne vrlo osjetljive primjene u analizi. 

Kako nastaju molekulski spektri?

Proširite vidike

Fotografija prikazuje prolazak bijele svjetlosti na jednoj strani prizme te izlazak spektra boja koje su vidljive oku: crvena, narančasta, žuta, zelena, plava, ljubičasta.

Područja elektromagnetskog spektra i odgovarajuća molekulska gibanja

Elektronska struktura molekula

Kao što već znamo, elektroni u molekulama zauzimaju odgovarajuće orbitale. Svaka orbitala ima svoju karakterističnu energiju. Prijelazi elektrona među energijskim razinama uzrokovani su apsorpcijom zračenja točno određene energije, pa nam zato zaključivanje o mnogim korisnim aspektima molekulske strukture i reaktivnosti. 

Molekulske orbitale

Molekulske orbitale etana

Molekulske orbitale etena

Svaki elektronski prijelaz odgovara pobudi molekule iz osnovnog u pobuđeno stanje. U osnovnom stanju molekule svi elektroni zauzimaju molekulske orbitale najniže energije i molekula je u stanju najniže energije. U pobuđenim stanjima barem jedan elektron nije u najnižoj mogućoj orbitali pa molekula nije u najnižem stanju. 

Na priloženoj slici su prikazane molekulske orbitale benzena s naznačenim vrijednostima energija te najvišom popunjenom (uobičajena skraćenica je HOMO, koja dolazi iz engleskog pojma Highest Occupied Molecular Orbital) i najnižom nepopunjenom orbitalom (uobičajena skraćenica je LUMO, koja dolazi iz engleskog pojma Lowest Unoccupied Molecular orbital). Slika je rezultat teorijskog modeliranja uz pomoć vrlo sofisticiranih kvantnomehaničkih računskih metoda, koje nam danas mogu dati vrlo precizne podatke o molekulama, tako da se eksperiment i teorija odlično međusobno nadopunjuju. Tako zajednički rad eksperimentalaca i teoretičara omogućuje vrlo detaljno poznavanje najsitnijih detalja molekulske strukture i reaktivnosti.

Molekulska gibanja

Nikoga ne bi trebala iznenaditi spoznaja da su sve molekule u stalnom gibanju. Neka od tih su u prostoru (translacije i rotacije), dok su neka interna (elektronska gibanja i vibracije). Na ovom mjestu ćemo nešto reći o rotacijama i vibracijama.

Prije svega, odlično je pitanje mogu li se ta gibanja svesti na određeni broj tzv. neovisnih načina gibanja, od kojih se izvode sve moguće kombinacije. To se, naravno, može i općenito vrijedi da gibanja svake molekule potpuno opisuje skup od N neovisnih stupnjeva slobode gibanja, koji se može jednostavno odrediti. 

Ako se molekula sastoji od n atoma, onda su položaji svih njenih atoma opisani s 3n koordinata, dakle molekula ima 3n stupnjeva slobode. Od ta 3n stupnja slobode, 3 se "troše" na translacije u odnosu na koordinatne osi. Još 3 stupnja slobode otpadaju na rotacije oko koordinatnih osi, no ako je molekula linearna, onda ona ima samo 2 rotacijska stupnja slobode (rotacija oko glavne osi molekule se ne računa). Preostali stupnjevi slobode gibanja su vibracije.

Prema tome, broj vibracija nelinearne molekule s n atoma je:

[latex]\mathit{N}=3\mathit{n}-6[/latex]

a linearne molekule s n atoma:

[latex]\mathit{N}=3\mathit{n}-5[/latex]

1. Riješeni primjer

Koliko načina je stupnjeva slobode gibanja molekule vode, a koliko ugljikova(IV) oksida?

Odgovor
Formula molekule vode je H2O, a molekule ugljikova(IV) oksida CO2. Dakle, obje molekule imaju tri atoma (n = 3). One izgledaju ovako:

Vidimo da je molekula vode svinuta (nelinearna), a molekula ugljikova(IV) oksida je linearna.

Prema tome, stupnjevi slobode gibanja te dvije molekule su:

2. Riješeni primjer

Promotrimo sad stupnjeve slobode gibanja molekula etana, etena i etina. 

Vidimo da s porastom broja atoma u molekulama jako raste broj vibracija. Kao što ćemo vidjeti, postoje različiti načini vibriranja unutar molekula i oni se mogu posebno analizirati. 

Proširite vidike

Fotografija prikazuje 3-d modele molekula i atoma u gibanju. Atomi su kugle nježno-ružičaste i zlatno-žute boje.

Detaljnije o molekulskim gibanjima.

 

Molekulski spektri

Elektronske spektroskopije

Primjena

Kvalitativna analiza

Kako bi se na temelju poznate strukture molekule mogla procijeniti njena λmaks osmišljena su Woodwardova pravila, kojima su definirane vrijednosti koje se dodaje na osnovnu vrijednost λmaks ovisno o supstituentu ili o dodatnoj konjugaciji drugim faktorima. 

Kvantitativna analiza

Vibracijske spektroskopije

Proširite vidike

Fotografija prikazuje molekulu obojanu fluorescentno s bojama iz infracrvenog spektra. Vide se žuta, plava, narančasta boja.

Mehanizam nastanka i izgled infracrvenog spektra

Proširite vidike

Fotografija je vezana uz mehanizam nastanka Ramanovog spektra.

Mehanizam nastanka Ramanovog spektra

 

Primjena

Kako nastaje i kako izgleda infracrveni spektar?

Dio elektromagnetskoga zračenja, koje se nalazi u srednjem infracrvenome području elektromagnetskog spektra, svojim se frekvencijama podudara s frekvencijama periodičkoga gibanja atoma unutar molekula, molekulskim vibracijama. Zato određeni dijelovi tog, srednjeg infracrvenog dijela elektromagnetskoga spektra stupaju u interakciju s molekulskim vibracijama, a posljedica je da molekule upijaju (apsorbiraju) te dijelove ukupnog spektra. To zračenje, koje molekula apsorbira, strogo je određeno i njegove se energije podudaraju s kvantiziranim vibracijskim prijelazima. Tako nastaje infracrveni spektar, koji je, dakle, posljedica interakcije molekulskih vibracija s infracrvenim zračenjem.

Tradicionalni prikaz infracrvenoga spektra je graf ovisnosti transmitancije (postotka propuštenoga zračenja) o valnome broju. Valni brojevi prikazuju se na apscisi, uobičajeno od većih prema manjima, a transmitancija je na ordinati. Sam spektar sadržava tzv. vrpce koje leže na nekoj baznoj liniji. Vrpce su usmjerene prema manjim vrijednostima transmitancije, tj. „prema dolje“ i imaju minimume. Ponekad se spektri prikazuju kao ovisnost apsorbancije o valnome broju. Tad su vrpce usmjerene „prema gore“, tj. imaju maksimume.

Pogledajte videozapis koji prikazuje vrpcu istezanja –OH skupine, koja se javlja oko 3390 cm–1 i vrlo je široka, jer –OH skupina stvara vodikovu vezu sa susjednim molekulama etanola. 

IR spektar etanola s vibracijama pridruženim opaženim vrpcama

Proširite vidike

Fotografija prikazuje grafiku planeta Zemlje i njene atmosfere zatvorene  unutar staklenika.

IR spektroskopija i efekt staklenika

 

Rotacijske spektroskopije

Ostale vrste molekulskih spektroskopija