Molekyylivärähtelyt

Värähtelytyypit

Jos molekyylissä on enemmän kuin kaksi atomia, asiat muuttuvat monimutkaisemmiksi. Oletetaan, että lisätään vain yksi atomi lisää, jolloin atomeja on nyt kolme, kuten vedessä H₂ O, jossa kaksi vetyatomia on kiinnittynyt keskeiseen happiatomiin. Muista, että vedyn kohdalla oli vain yksi venymä, mutta vedessä on kaksi venymää ja neljä muuta värähtelyä, joita kutsutaan taivutusvärähtelyiksi, kuten alla on esitetty.

CH₂ -ryhmän tai molekyylien, kuten veden, atomit voivat värähtää kuudella eri tavalla: symmetrisesti ja antisymmetrisesti venytellen, saksimalla, keinuttaen, heiluttaen ja kiertyen:

symmetrinen venytys: kun kaksi kiinnittynyttä atomia liikkuu yhtä aikaa poispäin ja kohti keskusatomia.

antisymmetrinen venytys: Kun kaksi kiinnittynyttä atomia ei liiku yhtä aikaa poispäin ja kohti keskusatomia.

saksiminen: Kuten nimikin sanoo, saksiminen on sitä, että kaksi atomia liikkuu poispäin ja toisiaan kohti...

rokkaa: Tämä liike on kuin kellon heiluri, joka liikkuu edestakaisin, mutta tässä tapauksessa atomi on heiluri, ja heilureita on yhden sijasta kaksi.

heiluu: Jos henkilö nostaa kätensä eteensä ja laittaa kaksi sormea V-kirjaimen muotoon ja taivuttaa ranteensa kohti ja poispäin. Tässä sormien kärjet ovat kiinnittyneitä atomeja ja ranne on keskimmäinen atomi.

vääntäminen: Tämä liike on kuin henkilö kävelee juoksumatolla, jossa hänen vyötärönsä on keskeinen atomi ja hänen jalkansa ovat kaksi kiinnitettyä atomia.

Molekyylit, joissa on enemmän kuin kolme atomia

Molekyylit, joissa on enemmän kuin kolme atomia, ovat vielä monimutkaisempia ja niissä on vielä enemmän värähtelyjä, joita kutsutaan joskus "värähtelymoodeiksi". Jokainen uusi värähtelymoodi on periaatteessa erilainen yhdistelmä edellä esitetyistä kuudesta. Mitä enemmän atomeja molekyylissä on, sitä useampia tapoja niitä voidaan yhdistellä. Useimmissa molekyyleissä, joissa on N atomia, molekyylin mahdollisten värähtelymuotojen määrä on 3N - 6, kun taas lineaarisilla molekyyleillä eli molekyyleillä, joissa atomit ovat suorassa linjassa, on 3N-5 värähtelymuotoa.

Energian ja värähtelyn suhde

Newtonin mekaniikka

Newtonin mekaniikan avulla molekyylin värähtelyt voidaan laskea käsittelemällä sidoksia kuin jousia. Tämä on hyödyllistä, koska jousen tavoin sidos vaatii energiaa venyttääkseen sitä, ja se vaatii energiaa myös puristaakseen sitä yhteen. Sidoksen venyttämiseen tai puristamiseen tarvittava energia riippuu sidoksen jäykkyydestä, jota edustaa jousivakio k, ja kahden päähän kiinnitetyn atomin redusoidusta massasta tai "massakeskipisteestä", jota merkitään μ:llä. Kaava, jolla sidoksen värähtelyn aiheuttamiseen tarvittava energia suhteutetaan, on:

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

h: on Planckin vakio

ν: on taajuus ja edustaa nopeutta, jolla sidos puristuu yhteen ja vetäytyy taas erilleen. Mitä suurempi ν on, sitä nopeammaksi tämä nopeus muuttuu.

Ε: on energia, joka tarvitaan sidoksen työntämiseen ja vetämiseen yhteen.

μ: Pelkistetty massa on atomien kaksi massaa kerrottuna keskenään ja jaettuna niiden yhteenlaskulla:

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

Kvanttimekaniikka

Kvanttimekaniikan avulla jousen kuvaava kaava on täsmälleen sama kuin Newtonin mekaniikan versio, paitsi että vain tietyt energiat tai energiatasot ovat sallittuja. Ajattele energiatasoja tikkaiden askelmina, joissa ihminen voi mennä vain yhden askelman kerrallaan ylös tai alas. Aivan kuten tämä henkilö ei voi seistä askelmien välissä, niin sidoksella ei voi olla energiaa energiatasojen välillä. Tästä uudesta kaavasta tulee:

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}}\! } ,

jossa n on kvanttiluku tai "energiataso", joka voi saada arvoja 0, 1, 2 .... Väite, jonka mukaan energiatasot voivat nousta tai laskea vain yhden tason kerrallaan, tunnetaan valintasääntönä, jonka mukaan ainoat sallitut siirtymät energiatasojen välillä ovat:

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

jossa \Delta n on energian siirtymä.

Värähtelyliikkeiden sovellukset

Kun tietyn taajuuden valo osuu molekyyliin, jonka värähtely vastaa samaa taajuutta, valo absorboituu molekyyliin, ja valon energia saa sidokset liikkumaan kyseisen värähtelyliikkeen mukaisesti. Tutkijat voivat absorboivan valon perusteella todeta, onko molekyylissä tietynlainen molekyylisidos, ja verrata sitä luetteloon molekyyleistä, joissa on kyseinen sidos.

Joissakin molekyyleissä, kuten heliumissa ja argonissa, on kuitenkin vain yksi atomi, eikä niissä ole sidoksia. Tämä tarkoittaa, että ne eivät absorboi valoa samalla tavalla kuin molekyylit, joissa on useampi kuin yksi atomi.

Molekyylien värähtelyjä tutkimuksissaan käyttäviä kemian erityisaloja ovat infrapunaspektroskopia (IR) ja Raman-spektroskopia (Raman), joista IR on laajemmin käytetty ja sillä on kolme omaa osa-aluetta. Nämä osa-alueet tunnetaan nimillä Near IR, Mid IR ja Far IR spectroscopy. Seuraavassa on yleinen luettelo näistä aloista ja todellisista sovelluksista.

Lähi-IR: proteiinien, rasvojen, alhaisen molekyylipainon hiilivetyjen ja veden kaltaisten lajien kvantitatiivinen määritys. Lisäkäyttöä saadaan maataloustuotteissa, elintarvike-, öljy- ja kemianteollisuudessa.

Keski-IR: Suosituin IR-kentistä, jota käytetään orgaanisten ja biokemiallisten yhdisteiden rakenteen määrittämiseen.

Kauko-IR: tämä ala on vähemmän suosittu, vaikka sille on löydetty käyttöä epäorgaanisissa tutkimuksissa.

Raman: Käytetään epäorgaanisten, orgaanisten ja biologisten järjestelmien kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen tutkimukseen usein IR-tekniikkaa täydentävänä tekniikkana.