Глава 11. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

ЦЕЛИ ИЗУЧЕНИЯ

1. Уяснить природу электромагнитного излучения.

2. Познакомиться с механизмом поглощения молекулами инфракрасного и радиоизлучения.

3. Приобрести навыки интерпретации инфракрасных спектров и спектров ядерного магнитного резонанса.

4. Получить общее представление об ультрафиолетовой спектроскопии и масс-спектрометрии.

5. Познакомиться с принципами использования молекулярной спектроскопии для установления строения органических веществ.

Структура молекул — один из важнейших вопросов в химии. Особенно большое значение имеет он в органической химии. Молекулярной структуре веществ посвящена и большая часть этой книги.

Задумывались ли Вы о том, как химики определяют строение новых веществ, которые они синтезируют или выделяют из природных источников? Как химик-исследователь узнает, что он получил? Наиболее надежный и удобный метод выяснить это — молекулярная спектроскопия. Метод основан на взаимодействии электромагнитного излучения с молекулами вещества, строение которого надлежит установить. Прежде чем переходить к обсуждению различных видов спектроскопии, мы кратко остановимся на природе электромагнитного излучения и вспомним, что такое электромагнитный спектр.

ВВЕДЕНИЕ В СПЕКТРОСКОПИЮ

Свет представляет собой распространение электромагнитных волн в пространстве. Человек ощущает свет и цвет, когда зрительные нервы и мозг реагируют на электромагнитные колебания. Свет, как и любое

Рис. 11-1. Волны на воде

электромагнитное колебание, распространяется в пространстве со скоростью 300 000 км/с и характеризуется длиной волны X и частотой Дайна волны — это расстояние между гребнями двух соседних волн, а частота - число волн, проходящих в единицу времени через данную точку.

Чтобы лучше представить себе все это, обратимся к простой аналогии. На рис. 11-1 изображен берег и морской прибой. Расстояние между гребнями волн (длина волны) Волна ударяется о берег 5 раз в минуту. Эта цифра характеризует частоту Рисунок 11-2 иллюстрирует аналогичную ситуацию со световыми волнами, которые взаимодействуют с человеческим глазом. И в этом случае длина волны равна расстоянию между соседними максимумами, а частота равна числу волн, попадающих в глаз за 1 с.

Каждый цвет видимого глазом спектра характеризуется определенными значениями частоты и длины волны. Поскольку скорость света одинакова для лучей любого цвета, увеличение длины волны означает уменьшение частоты и наоборот. В качестве наглядной модели, поясняющей ситуацию, представьте двух человек, идущих рядом. Один из них Делает большие шаги, второй — маленькие. Чтобы не отставать от первого (идти с той же скоростью), второй человек должен чаще (с большей частотой) переставлять ноги. То же справедливо и для двух лучей света. Чтобы их скорости были одинаковы, луч, имеющий меньшую длину волны, должен характеризоваться более высокой частотой. Как видно из рис. 11-3, красный свет имеет большую длину волны и более низкую частоту, чем голубой свет, который характеризуется меньшей длиной волны и более высокой частотой. Таким образом, цвет — это реакция человеческого глаза на электромагнитное излучение различной частоты.

Рис. 11-2. Световые волны

Рис. 11-3. Различие в длинах волн между красным (1) и голубым (2) светом

Когда Вы смотрите на красный предмет, идущий от него свет, имеющий низкую частоту, взаимодействует с чувствительными тканями глаза и воспринимается мозгом как красный свет. Каждый цвет в спектре характеризуется собственными значениями частоты и длины волны. При движении от красного к фиолетовому концу спектра длина волны уменьшается, а частота возрастает (рис. 11-4).

Другое важное свойство света состоит в том, что энергия фотонов зависит от частоты. С возрастанием частоты возрастает и энергия фотонов. Квант фиолетового света имеет большую энергию, чем квант красного света.

Видимый свет представляет собой лишь небольшую часть электромагнитного спектра. Существуют излучения с длиной волны большей, чем у красного и меньшей, чем у фиолетового света. Хотя человеческий глаз и не воспринимает этих видов излучения, их существование — реальность. Они распространяются в пространстве и различным образом взаимодействуют с веществом. На рис. 11-5 показан полный электромагнитный спектр.

Рис. 11-4. Видимый спектр

Рис. 11-5. Электромагнитный спектр

Ниже приведены некоторые уравнения, связывающие длинуволны X, частоту скорость света с и энергию С помощью постоянной Планка можно, зная частоту, вычислить энергию фотона. Заметьте, что энергия пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны [уравнения (1) и (2)].

Молекулярная спектроскопия использует поглощение электромагнитного излучения изучаемым веществом. Соотношение (4), связывающее оптическую плотность А, коэффициент поглощения концентрацию вещества с и длину поглощающего слоя называется законом Бера.

Молекулярная спектроскопия используется для установления молекулярной структуры. В ее основе лежит взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Каждой области электромагнитного спектра соответствуют свои длины волн, частоты и энергии.