Molekylære vibrationer: Definition, typer og eksempler i kemi

Hvis molekylet har mere end to atomer, bliver det mere kompliceret. Lad os antage, at der tilføjes blot et atom mere, så der nu er tre atomer som i vand H₂ O, hvor de to hydrogenatomer begge er knyttet til det centrale oxygenatom. Husk, at der med brint var én slags strækning, men i vand er der to slags strækning og fire andre slags vibrationer kaldet bøjningsvibrationer, som vist nedenfor.

Atomerne i en CH₂ gruppe eller molekyler som f.eks. vand kan vibrere på seks forskellige måder: symmetrisk og antisymmetrisk strækning, saksering, vugning, vridning og vridning:

symmetrisk strækning: når de to vedhæftede atomer bevæger sig væk fra og mod det centrale atom på samme tid.

antisymmetrisk strækning: Når de to vedhæftede atomer ikke bevæger sig væk fra og mod det centrale atom på samme tid.

saksning: Som navnet siger, er saksering, når de to atomer bevæger sig væk og hen imod hinanden.

rocking: Denne bevægelse er som et pendul på et ur, der går frem og tilbage, men her er et atom pendulet, og der er to i stedet for et.

viftende: Hvis en person holder hånden op foran sig og sætter sine to fingre i et "V"-tegn og bøjer håndleddet mod og væk fra sig selv. Her er fingerspidserne de tilknyttede atomer, og håndleddet er det centrale atom.

vridning: Denne bevægelse er som om en person går på et løbebånd, hvor deres talje er det centrale atom og deres fødder er de to vedhæftede atomer.

Molekyler med mere end tre atomer

Molekyler med mere end tre atomer er endnu mere komplicerede og har endnu flere vibrationer, som nogle gange kaldes "vibrationsformer". Hver ny vibrationstilstand er i princippet en anden kombination af de seks ovenfor viste. Jo flere atomer i molekylet, jo flere måder kan de kombineres på. For de fleste molekyler med N atomer er antallet af mulige vibrationer for det pågældende molekyle 3N - 6, mens lineære molekyler, eller molekyler med atomerne i en lige linje, har 3N-5 vibrationsformer.

Newtonsk mekanik

Ved hjælp af Newtonsk mekanik kan molekylets vibrationer beregnes ved at behandle bindingerne som fjedre. Dette er nyttigt, fordi en binding ligesom en fjeder kræver energi for at strække den ud, og det kræver også energi at klemme den sammen. Den energi, der er nødvendig for at strække eller klemme bindingen sammen, afhænger af bindingens stivhed, som repræsenteres af fjederkonstanten k, og den reducerede masse eller "massemidtpunktet" for de to atomer, der er knyttet til hver ende, angivet med μ. Den formel, der anvendes til at relatere den energi, der er nødvendig for at forårsage en vibration i bindingen, er:

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

h: er Plancks konstant

ν: er frekvensen og repræsenterer den hastighed, hvormed bindingen presses sammen og trækkes fra hinanden igen. Jo større ν, jo hurtigere bliver denne hastighed.

Ε: er den energi, der kræves for at skubbe og trække bindingen sammen.

μ: Den reducerede masse er de to atomers masse ganget sammen og divideret med deres addition:

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

Kvantemekanik

Ved hjælp af kvantemekanikken er formlen, der beskriver fjederen, nøjagtig den samme som den newtonske mekanik, bortset fra at kun visse energier eller energiniveauer er tilladt. Tænk på energiniveauerne som trin på en stige, hvor en person kun kan gå op eller ned ad et trin ad gangen. Ligesom denne person ikke kan stå på mellemrummet mellem trinene, kan bindingen heller ikke have en energi mellem energiniveauerne. Denne nye formel bliver:

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}}}\! } ,

hvor n er et kvantetal eller "energiniveau", der kan have værdierne 0, 1, 2 ... Udsagnet om, at energiniveauer kun kan gå op eller ned på ét niveau ad gangen, er kendt som en udvælgelsesregel, som siger, at de eneste tilladte overgange mellem energiniveauer er:

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

hvor \Delta n er energiovergangen.

Når lys med en bestemt frekvens rammer et molekyle, der har en vibration, hvis bevægelse svarer til samme frekvens, absorberes lyset af molekylet, og energien fra lyset får bindingerne til at bevæge sig i den specifikke vibrationsbevægelse. Ved at undersøge, om lyset bliver absorberet, kan forskerne se, om der er en bestemt type molekylær binding og sammenligne den med en liste over molekyler, der har den pågældende binding.

Nogle molekyler som helium og argon har dog kun ét atom og har ingen bindinger. Det betyder, at de ikke absorberer lys på samme måde som et molekyle med mere end ét atom kan.

De specifikke kemiområder, der anvender molekylære vibrationer i deres undersøgelser, omfatter infrarød spektroskopi (IR) og Raman-spektroskopi (Raman), idet IR er mere udbredt og har tre egne underområder. Disse underområder er kendt som nær-IR-, mellem-IR- og fjern-IR-spektroskopi. Nedenfor følger en generel liste over disse områder og deres anvendelser i den virkelige verden

Nær IR: kvantitativ bestemmelse af arter som proteiner, fedtstoffer, kulbrinter med lav lav molekylvægt og vand. Yderligere anvendelse i landbrugs-, fødevare-, olie- og kemikalieindustrien.

Mid IR: Det mest populære af IR-felterne bruges til at bestemme strukturen af organiske og biokemiske forbindelser.

Fjern IR: dette område er mindre populært, selv om det har fundet anvendelse i uorganiske undersøgelser

Raman: Anvendes til kvalitativ og kvantitativ undersøgelse af uorganiske, organiske og biologiske systemer, ofte som en supplerende teknik til IR.