طیف سنجی مادون قرمز

1. طیف سنجی مادون قرمز ارائه دهندگان: زینب افتخاری (کارشناس ارشد شیمی تجزیه) سید حامد رضا بهشتی نیلوفر خوشبخت فهیم (کارشناس ارشد شیمی تجزیه)

2. موج الکترومغناطیس نوعی موج است که در فضا انتشار می یابد و از میدان های الکتریکی و مغناطیسی ساخته شده است. این میدان ها در حال انتشار بر یکدیگر و بر جهت پیشروی موج عمود هستند. طیف الکترومغناطیس محدوده بسیار وسیعی از طول موج ها و انرژی ها را در بر می گیرد.

4. HCl molecule = electron Xray UV,VIS H Cl NIR,IR UV,VIS Gamma ray

5. کاربرد اشعه الکترومغناطیس اشعه گاما: در تشخیص سرطان و فیزیوتراپی، تشخیص ترکیدگی لوله ها و بررسی لوله های نفت، در درمان سرطان و ناراحتی های پوستی. اشه ایکس: در بلور شناسی و عکسبرداری از اعضاء داخلی بدن و قسمت درونی اشیاء جامد. اشعه فرابنفش: برای ضدعفونی آب، مواد خوراکی، تجهیزات پزشکی،در فیزیوتراپی برای تحریکات پوستی.

6. کاربرد اشعه الکترومغناطیس ماکروویو: فلزات امواج ماکروویو را منعکس می کنند. شیشه و پلاستیک آن را عبور می دهند. مواد حاوی آب مانند غذا و بدن انسان، این امواج را جذب می کنند. در ماکروویو مگنترون داریم که تولید امواج می کند. این امواج در فضای ماکروویو پخش می شوند و روی ماده غذایی متمرکز می شوند. مولکول های آب داخل غذا دارای قطب های مثبت و منفی هستند و تحت تاثیر این امواج با فرکانس مربوطه شروع به نوسان می کنند و جای قطب های مثبت و منفی مرتبا عوض می شود. در نتیجه مولکول ها با هم برخورد می کنند و در اثر اصطکاک دمای غذا افزایش می یابد. قرار گرفتن طولانی مدت در معرض امواج ماکروویو: آسیب به DNA و تولد نوزاد ناقص، سوختگی عمیق، آب مروارید.

7. کاربرد اشعه الکترومغناطیس امواج رادیویی: در سیستم های ارتباطی، رادارها، ارتباطات ماهواره ای و ... موج های رادیویی می توانند با پخش شدن به سوی یون کره، بازتاب شده و کل کره زمین را سیر کنند. پارازیت چیست؟؟

8. ماهواره ها برای ارسال برنامه های خود از امواج رادیویی با طول موج خاص استفاده می کنند. پارازیت نوعی نویز با امواج کوتاه برد و فرکانس حدود 9 تا 900 مگا هرتز است که توسط دستگاه های فرستنده که روی دکل ها و مناطق مرتفع نصب می شوند، ارسال می شود. این امواج دقیقا عکس طول موج و فرکانس ارسالی ماهواره هاست که باعث خنثی سازی و تخریب موج می شود و امواج سینوسی ماهواره ها را به خطی راست و خنثی تبدیل می کند. • پارازیت ها تشعشعات الکترومغناطیس از خود ساطع می کنند و در طولانی مدت باعث ایجاد گیجی، خستگی، ناشنوایی، سرطان های پوستی و خونی، اختلالات هورمونی و مشکلات باروری می شوند.

9. طیف سنجی مادون قرمز علت نام مادون قرمز چیست؟ این ناحیه دقیقا زیر بخش قرمز طیف مرئی قرار دارد. اولین بار در سال 1800 میلادی توسط سر ویلیام هرشل کشف شد. از جمله کاربردهای مادون قرمز: استفاده در دستگاه کنترل از راه دور دستگاه های الکترونیکی مانند موبایل در مطالعات و تحقیقات فضایی در پزشکی برای تسکین درد، درمان مفاصل آرتروئیستی، درمان التهاب ها

10. طیف سنجی مادون قرمز تقریبا تمام ترکیباتی که پیوند کوالانسی دارند (اعم از آلی یا معدنی)، فرکانس های متفاوتی از اشعه الکترومغناطیس را در ناحیه مادون قرمز طیف جذب می کنند. ناحیه مادون قرمز دارای طول موج بلندتر از طول موج نور مرئی و کوتاهتر از طول موج مایکروویو است. این ناحیه طول موجی بین 2/5 و 25 میکرومتر را شامل می شود.

11. طیف سنجی مادون قرمز electromagnetic relationships: λʋ= c λ µ 1/ʋ E = hʋ E = hc/λ E µ 1/λ λ = wave length ʋ= frequency c = speed of light E = kinetic energy h = Planck’s constant ʋ = C/λ ʋ α E ʋ () = 1/ λ (cm) 400 – 4000 λ c

12. طیف سنجی مادون قرمز مولکول ها انرژی مشخصی از اشعه مادون قرمز را جذب می کنند و به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می گردند. جذب تابش مادون قرمز با تغییر انرژی بین 8 تا 40 کیلو ژول بر مول همراه است که فرکانس های کششی و خمشی پیوند های کووالانسی اکثر مولکول ها را شامل می شود. در فرایند جذب، فرکانس هایی از اشعه مادون قرمز که با فرکانس های ارتعاش طبیعی مولکول تطبیق کند جذب می شود و انرژی جذب شده برای افزایش دامنه حرکت ارتعاشی اتصال موجود در مولکول به کار گرفته می شود.

13. تمام پیوند های موجود در مولکول قادر به جذب انرژی مادون قرمز نیستند. فقط پیوند هایی که دارای گشتاور دو قطبی هستند قادر به جذب اشعه مادون قرمز هستند. µ=q*r

14. هر گاه دو بار مساوی و نا هم علامت به فاصله r از یکدیگر قرار داشته باشند یک ممان دو قطبی ایجاد می کنند که متناسب با مقدار دو بار و فاصله بین آنها می باشد. پس مولکول هایی که نامتقارن باشند، ممان دوقطبی مخالف صفر دارند و در مادون قرمز فعال هستند.چرا؟ تابش الکترومغناطیس به صورت موجی عمل می کند، به عبارت دیگر تابش الکترومغناطیس شامل ذرات باردار بوده که در فضا حرکت می کنند و هر ذره باردار که متحرک باشد از خود موجی به نام موج الکترومغناطیس ساطع می کند. مولکولی مانند HCl نیز که برآیند بارهای + و – در مرکز آن مخالف صفر است مانند ذره باردار عمل می کند و چون پیوند بین H و Cl به طور دائم در نوسان است، مانند یک ذره باردار متحرک عمل می کند.

16. بنا براین ذره ای که دارای ممان دو قطبی باشد در اثر ارتعاش یک موج الکترومغناطیس ایجاد کرده و دارای فرکانس ارتعاشی خاصی می شود. حال اگر نوری که فرکانس آن با فرکانس ارتعاش مولکول یکسان باشد به سمت نمونه فرستاده شود در این صورت این فرکانس به نمونه منتقل می شود و عمل جذب در مادون قرمز اتفاق می افتد.

17. پیوند های متقارن در مادون قرمز جذب ندارند. • مولکول ارتعاش می کند و موج ایجاد می کندولی موج مکانیکی است نه الکترومغناطیسیعنی نوع موج ها متفاوت است پس حتی اگر فرکانس ها یکی باشند جذب اتفاق نمی افتد.

18. ساده ترین انواع حرکات ارتعاشی در مولکول که در ناحیه مادون قرمز فعال هستند حرکات کششی و خمشی هستند. ارتعاش کششی: تغییر پیوسته در فاصله بین اتم ها که در اثر کم و زیاد شدن طول پیوند، فرکانس خاصی تولید می شود. ارتعاش خمشی: زاویه بین دو پیوند تغییر می کند. O C - H C H کششی خمشی

19. Stretching Vibrations of a CH2 Group Symmetric Antisymmetric

20. Bending Vibrations of a CH2 Group

21. Symmetrical-stretching (نوسانی)Wagging (تاب خورده)Twisting (گهواره ای)Rocking Asymmetrical-stretching (قیچی مانند)Scissoring

22. ارتعاشات ذکر شده را جذب های اصلی می نامند. این جذب ها بر اثر برانگیختگی از حالت پایه ارتعاشی به پایین ترین حالت برانگیخته ارتعاشی صورت می گیرد. برای ترازهای ارتعاشی نیز عدد کوانتومی ارتعاشی (ט) تعریف می شود: =0,1,2,…ט Δ = ט±1 اگر فرکانس انرژی تابش با فرکانس ارتعاش دقیقا برابر شود، جذب اتفاق می افتد.

23. Number of Vibrational Modes • for non-linear molecules, number of types of vibrations: 3N-6 • for linear molecules, number of types of vibrations: 3N-5

24. observed vibration can be less than predicted because • symmetry ( no change in dipole) • energies of vibration are identical • absorption intensity too low • frequency beyond range of instrument • observed vibration can be more than predicted because • Overtone absorbtion • Combination absorbtion • Difference absorbtion

25. Fundamental Absorbtion Overtone Absorbtion Combination Absorbtion 3ʋ ʋ 2ʋ Difference Absorbtion Hot band _ +

26. 1) HCl: 3(2)-5 = 1 2) CO2: 3(3)-5 = 4 Examples

27. Examples

28. An Example: CO2 O C O Symmetric Stretch (Dipole moment = 0 so not IR active) IR Absorbence Asymmetric Stretch (Has dipole moment so IR active) Wavenumber (cm-1) Bending Mode (Has dipole moment so IR active)

29. A more complex example: Toluene • 3N-6=3(15)-6=39

30. Hooke’s Law F = -kx F = force, restoring back to equilibrium position k = characteristic stretching constant x = displacement from the equilibrium position

31. ʋ = = ʋ= Frequency () K= Constant = reduce mass (gr) K= 5 ˣ For single bond

32. نکته K ثابتی است که بسته به نوع پیوند تغییر می کند. ثابت نیرو برای یک پیوند دوگانه دو برابر پیوند یگانه و برای پیوند سه گانه سه برابر پیوند یگانه است. هر چه پیوند مستحکم تر باشد ثابت نیروی آن بزرگتر است . پیوند بین اتم های سنگین در فرکانس پایین تری نسبت به پیوند بین اتم های با اجرام سبک ارتعاش می کنند.

33. بطور كلي پيوندهاي سه گانه قويتر از دو گانه ويا ساده بوده و داراي فركانس ارتعاشي بالاتر هستند. هر قدر جرم اتمهاي متصل به كربن فزوني يابد , كميت افزايش يافته و فركانس ارتعاشي كاهش مي يابد. همچنين حركت خمشي راحت تر از حركت كششي صورت مي پذيرد و ثابت نيروي k براي آن كوچكتر است CH خمشي (1340) CH كششي (3000)

34. نوع هيبريداسيون نيز بر ثابت نيرو تاثير مي گذارد , بطوري كه قدرت پيوندها به ترتيبخواهد بود و فركانسهاي ارتعاشي CH آنها به صورت زير تغيير مي كند : • رزونانس نيز بر روي قدرت و طول پيوند و طبيعتا بر روي ثابت نيرو (K) تاثير مي گذارد . يك كتون معمولي داراي ارتعاش كششي C=O در ناحيهc 1715است , در حاليكه كتون مزدوج با يك پيوند دو گانه در فركانس پايين تري نزديك 1680-1675جذب مي دهد . اين بدليل افزايش طول پيوند c=o بر اثر رزونانس بوده كه باعث افزايش خصلت پيوند ساده در آن مي گردد . اين امر موجب كاهش ثابت نيرو K شده ودر نتيجه جذب در فركانس پايين تري رخ مي دهد .

35. مثال محاسبه فرکانس کششی برای پیوند C=C K= 10 * dynes/cm = 1682 ===6 باید توجه داشت که مقادیر تجربی و محاسبه شده به علت وجود رزونانس ، هیبریداسیون و یا اثرات دیگر ممکن است مقداری تفاوت داشته، ولی در مجموع این محاسبات اطلاعات خوبی در اختیار ما قرار میدهد.

36. IR source Sample Detector

37. Light Source

38. منبع افروزه نرنست استوانه ای از جنس اکسید خاک های نادر ((zro2, y2o3 است که انتهای آن به سیم پلاتینی که منبع تغذیه است، متصل می باشد. این استوانه بر اثر عبور جریان از 1200 تا 2000 کلوین گرم می شود. این منبع برای نواحی مادون قرمز میانی و دور مورد استفاده قرار می گیرد. Zr, Ce, Th v

39. منبع گلوبار میله ای از جنس سیلیسیم کاربید است که با استفاده از الکتریسیته از 1500-1300 کلوین گرم می شود. این منبع برای نواحی مادون قرمز میانی و دور مورد استفاده قرار می گیرد.

40. لامپ فیلمان تنگستن از عنصر تنگستن تشکیل شده و در اثر حرارت از خود تابش ساطع می کند. برای نواحی مادون قرمز نزدیک استفاده می شود.

41. منبع قوس جیوه شامل بخار جیوه با فشارهای معمولا بیشتر از یک اتمسفر است که با عبور جریان الکتریسیته از این بخار پلاسمایی از یون و الکترون ایجاد می شود و در اثر ایجاد این پلاسما، طول موج های پیوسته ای در نواحی 10-200 c تولید می شود. پس این لامپ برای نواحی مادون قرمز دور قابل استفاده است.

42. منبع سیم ملتهب سیمی از جنس نیکروم (نیکل و کروم) است که به وسیله جریان الکتریکی گرم می شود و بعد تابش مورد نظر را ساطع می کند. البته از سیم رودیم هم می توان استفاده کرد. برای نواحی مادون قرمز میانی و دور مورد استفاده قرار می گیرد.

43. سل ها • شیشه و پلاستیک به شدت نور سرتاسر ناحیه زیر قرمز را جذب می کنند پس سل ها باید از مواد یونی (مانند کلرید و برمید پتاسیم) ساخته شوند. • پتاسیم برمید گران تر است اما می توان از آن در محدوده c 4000-400 استفاده کرد. • سدیم کلرید ارزان تر است ولی محدوده فرکانس مورد استفاده آن c 4000-650 است. • چون نوارهای با اهمیت کمتر در زیر 650 ظاهر می شوند پس به طور معمول سدیم کلرید مورد استفاده قرار می گیرد. • در ناحیه مادون قرمز دور می توان از کوارتز استفاده کرد.

44. تهیه نمونه برای طیف سنج مادون قرمز مايعات : يك قطره از يك تركيب آلي مايع بين يك زوج از صفحات صيقل يافته كلرور سديم يا برومور پتاسيم قرارداده مي شود ، وقتي اين صفحات را بملايمت فشار دهيم لايه نازكي از مايع بين دو صفحه تشكيل مي گردد. نکته: از آب و الکل نباید به عنوان حلال استفاده شود چون به سل ها صدمه می زنند و دارای جذب قوی هستند.

45. نمونه مایع

46. تهیه نمونه برای طیف سنج مادون قرمز جامدات : حداقل سه روش معمول براي تهيه يك نمونه جامد وجود دارد . • روش تهيه قرص KBr • مخلوط كردن نمونه جامد كاملا پودر شده با برمید پتاسيم پودري و سپس تحت فشار قرار دادن اين مخلوط (علت استفاده از برمید پتاسیم: در ناحیه c 4000 – 650 هیچ پیکی ایجاد نمی کند). • روش خمير نوژل • ترکیب نمونه پودر شده با چند قطره نوژل و ساییدن آن • حل نمودن تركيب آلي در يك حلال ( مثلا CCl4 ) • در این روش ترکیبات پلیمری را در حلالی حل کرده و به شکل لایه نازک در می آوریم وقتی حلال تبخیر شد طیف زیر قرمز ترکیب مورد نظر را می گیریم.

47. تهیه نمونه برای طیف سنج مادون قرمز جامدات : حداقل سه روش معمول براي تهيه يك نمونه جامد وجود دارد . • روش تهيه قرص KBr • (مخلوط كردن نمونه جامد كاملا پودر شده با برمور پتاسيم پودري و سپس تحت فشار قرار دادن اين مخلوط).علت استفاده از برمور پتاسیم: در ناحیه c 4000 – 650 هیچ پیکی ایجاد نمی کند. • روش خمير نوژل • ترکیب نمونه پودر شده با چند قطره نوجول و ساییدن آن • حل نمودن تركيب آلي در يك حلال ( مثلا CCl4 ) • در این روش ترکیبات پلیمری را در حلالی حل کرده و به شکل لایه نازک در می آوریم وقتی حلال تبخیر شد طیف زیر قرمز ترکیب مورد نظر را می گیریم.

48. تهیه نمونه برای طیف سنج مادون قرمز گاز: باید نمونه را در داخل یک سلول تخلیه شده از هوا منبسط کرد. نمونه های گازی دارای دانسیته کم هستند و فاصله بین مولکول هایشان زیاد است، پس باید طول سل زیاد باشد. در نتیجه از سل های با طول بیشتر و آینه های انعکاسی استفاده می شود تا به طول سل دلخواه برسیم.

49. تمیز کردن و نگهداری اگر رطوبت هوا به سل ها صدمه بزند سل ها را صیقل می دهند. به این ترتیب که به آن ها روغن می زنند و می سایند تا شفاف شوند. سپس سل را با دستکش در دسیکاتور قرار می دهیم تا دور از رطوبت قرار گیرد. در انتها صفحات نمکی با استفاده از حلال آلی مناسب (معمولا سیکلوهگزان) شستشو داده می شود و آب هرگز استفاده نمی شود.

50. Detector