Molekuliniai virpesiai

Virpesių tipai

Jei molekulėje yra daugiau nei du atomai, viskas tampa sudėtingiau. Tarkime, kad pridedamas dar vienas atomas, todėl dabar yra trys atomai, kaip vandenyje H₂ O, kur abu vandenilio atomai yra prijungti prie centrinio deguonies atomo. Prisiminkite, kad su vandeniliu buvo vienos rūšies tempimas, o vandenyje yra dviejų rūšių tempimas ir dar keturių rūšių virpesiai, vadinami lenkiamaisiais virpesiais, kaip parodyta toliau.

CH₂ grupės atomai arba tokios molekulės kaip vanduo gali vibruoti šešiais skirtingais būdais: simetriškai ir antisimetriškai tampant, žirklėmis, siūbuojant, siūbuojant, siūbuojant ir sukant:

simetrinis tempimas: kai du prijungti atomai tuo pačiu metu juda nuo centrinio atomo ir link jo.

antisimetrinis tempimas: kai du prijungti atomai tuo pačiu metu nejuda nuo centrinio atomo ir link jo.

žirklės: Kaip ir sako pavadinimas, žirklės yra tada, kai du atomai tolsta vienas nuo kito ir artėja vienas prie kito.

svyravimai: Šis judesys panašus į laikrodžio švytuoklės judėjimą pirmyn ir atgal, tik čia švytuoklė yra atomas, o švytuoklių yra ne viena, o dvi.

vikriai: Jei žmogus laiko ranką priešais save ir du pirštus sudeda į "V" raidės ženklą, o riešą lenkia į save ir nuo savęs. Šiuo atveju pirštų galai yra pritvirtinti atomai, o riešas - centrinis atomas.

sukimas: Šis judesys primena žmogaus ėjimą ant bėgimo takelio, kur liemuo yra centrinis atomas, o kojos - du pritvirtinti atomai.

Molekulės, turinčios daugiau nei tris atomus

Molekulės, turinčios daugiau nei tris atomus, yra dar sudėtingesnės ir turi dar daugiau virpesių, kurie kartais vadinami "virpesių režimais". Kiekvienas naujas virpesių režimas iš esmės yra skirtingas pirmiau pateiktų šešių virpesių derinys. Kuo daugiau atomų molekulėje, tuo daugiau būdų, kaip jie gali būti derinami. Daugumos molekulių, turinčių N atomų, galimų tos molekulės virpesių skaičius yra 3N - 6, o linijinės molekulės, arba molekulės, kuriose atomai išsidėstę tiesia linija, turi 3N-5 virpesių režimus.

Energijos ir vibracijos ryšys

Niutono mechanika

Remiantis Niutono mechanika, molekulės virpesius galima apskaičiuoti traktuojant ryšius kaip spyruokles. Tai naudinga, nes, kaip ir spyruoklei, ryšiui ištempti reikia energijos, o jam suspausti taip pat reikia energijos. Energija, kurios reikia ryšiui ištempti arba suspausti, priklauso nuo ryšio standumo, kurį nusako spyruoklės konstanta k, ir dviejų prie abiejų galų prijungtų atomų redukuotos masės arba "masės centro", žymimo μ. Energijai, reikalingai ryšio virpesiui sukelti, susieti naudojama formulė:

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

h: yra Planko konstanta

ν - dažnis, rodantis, kaip greitai ryšys susiglaudžia ir vėl išsiskiria. Kuo didesnis ν, tuo greitesnis šis greitis.

Ε: tai energija, kurios reikia ryšiui stumti ir traukti.

μ: Sumažinimo masė - tai dviejų atomų masės, padaugintos iš dviejų ir padalytos iš jų sudėties:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\displaystyle \mu ={m_{1}m_{2} \per m_{1}+m_{2}}.\! }

Kvantinė mechanika

Naudojant kvantinę mechaniką, spyruoklę apibūdinanti formulė yra lygiai tokia pati, kaip ir Niutono mechanikos versija, išskyrus tai, kad leidžiama naudoti tik tam tikras energijas arba energijos lygmenis. Energijos lygius įsivaizduokite kaip laiptelius ant kopėčių, ant kurių žmogus vienu metu gali pakilti arba nusileisti tik vienu laipteliu. Lygiai taip pat, kaip tas žmogus negali stovėti ant erdvės tarp pakopų, taip ir ryšys negali turėti energijos tarp energijos lygmenų. Ši nauja formulė tampa:

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

kur n yra kvantinis skaičius arba "energijos lygis", kuris gali būti 0, 1, 2 ... Teiginys, kad energijos lygmenys vienu metu gali pakilti arba nusileisti tik į vieną lygmenį, vadinamas atrankos taisykle, kuri teigia, kad vieninteliai leistini perėjimai tarp energijos lygmenų yra šie:

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

kur \Delta n yra energijos perėjimas.

Vibracinių judesių taikymas

Kai tam tikro dažnio šviesa patenka į molekulę, kurios vibracija atitinka tą patį dažnį, šviesa absorbuojama molekulėje, o šviesos energija priverčia ryšius judėti tam tikru vibraciniu judesiu. Tikrindami sugertą šviesą, mokslininkai gali nustatyti, ar yra tam tikros rūšies molekulinis ryšys, ir palyginti jį su molekulių, turinčių tokį ryšį, sąrašu.

Tačiau kai kurios molekulės, pavyzdžiui, helio ir argono, turi tik vieną atomą ir neturi jokių ryšių. Tai reiškia, kad jos neabsorbuoja šviesos taip, kaip tai gali padaryti molekulė, turinti daugiau nei vieną atomą.

Konkrečios chemijos sritys, kuriose atliekant tyrimus naudojami molekuliniai virpesiai, yra infraraudonųjų spindulių spektroskopija (IR) ir Ramano spektroskopija (Raman), iš kurių IR naudojama plačiau ir turi tris atskiras pakraipas. Šios pakraipos vadinamos artimosios IR, viduriniosios IR ir tolimosios IR spektroskopija. Toliau pateikiamas bendras šių sričių ir realaus pasaulio taikymo sričių sąrašas

Artimoji IR: kiekybinis rūšių, tokių kaip baltymai, riebalai, mažos molekulinės masės angliavandeniliai ir vanduo, nustatymas. Toliau naudojamas žemės ūkio produktų, maisto, naftos ir chemijos pramonėje.

Vidutinė IR: populiariausia iš IR sričių, naudojama organinių ir biocheminių junginių struktūrai nustatyti.

Tolimoji IR spinduliuotė: ši sritis mažiau populiari, nors ji naudojama neorganiniuose tyrimuose.

Ramanas: Ramano spinduliuotė: naudojama neorganinių, organinių ir biologinių sistemų kokybiniams ir kiekybiniams tyrimams, dažnai kaip papildomas metodas prie IR.