Схема энергетических уровней сложных молекул

Источники света.

Наиболее удобным источником света для цели спектрофотометрии и спектрофлуориметрии (люминесцентной), является ксеноновая лампа, которая обладает сплошным спектром в широкой области спектра и большой интенсивностью. Излучение света происходит в ней за счет электрического разряда в ксеноне.

 

 

 

+

Поджиг

-

 

 

Давление Xe в лампе бывает различным, но всегда высокое – достигает нескольких атмосфер, поэтому хранят Xe лампы в специальных кожухах. Излучение происходит после возникновения пробоя между А и К, который инициируется высокочастотным разрядом. Затем летящие с большой скоростью электроны попадают в атомы Xe и возбуждают их. Возвращаясь в основное состояние, атомы Xe испускают излучение. Так как электроны обладают широким спектром кинетических энергий, то в атомах Xe возбуждается почти все электронные уровни, и поэтому спектр излучения широкий. Анод делается массивным, обычно из титана, поэтому он нагревается при бомбардировке электронами и излучает ИК излучение. Интенсивность этого излучения достаточно велика, и поэтому это ИК тепловое из общего спектра необходимо удалять. Это делается обычно при использовании мощных ламп с помощью фильтров, избирательно поглощающих ИК излучение. Самым простым и удобным фильтром является обычная вода. Из-за высокой температуры во время работы лампы и испарения ее электродов срок ее работы обычно не превышает 200-300 часов. Для люминесцентных исследований иногда используются также разрядные лампы, дающие не сплошной, а дискретный спектр. Наиболее распространенным источником мощного, но дискретного излучения является ртутная лампа.

Технически ртутные лампы изготавливаются различных форм. Для целей спектроскопических обычно ртутные лампы делаются такие же, как Xe лампы. Отличия – ртутные лампы работают на переменном токе, и поэтому у нее нет А и К, а есть электроды разного размера.

Ртутные лампы в отличие от Xe, заполнены парами ртути при невысоком давлении. Начало работы также обеспечивается высокочастотным поджигом, разрядом.

Примером ртутной лампы являются обычные люминесцентные лампы. Низковольтный разряд в таких лампах обеспечивается специальными стартерами. В таких лампах атомы Hg излучают только одну резонансную линию.

Λ_рез=253,7 нм

Поверхность люминесцентных ламп покрыта люминофором. Люминофор – это вещество, которое после подвода к нему энергии в каком-либо виде (облучение светом, бомбардировка электронами или ионами) испускает излучение в определенном диапазоне длин волн. У бытовых Hg ламп люминофор излучает от 400 до 800 нм. Однако есть специальные лампы с определенными люминофорами для определенных целей.

Лазеры.

Лазеры как источники мощного и высоко монохроматичного света используется в методах спектрофотометрии, люминесценции, комбинационного рассеяния. Их недостаток – монохроматичность, а преимущество – высокая интенсивность. Для исследования спектров люминесценции в разных диапазонах длин волн возбуждения были созданы лазеры на кристаллах с перестраиваемой длиной волны излучения.

Люминесценция.

Схема спектрофлуориметра, т.е. прибора для регистрации спектров люминесценции приведена на рисунке 1. Излучение определенной длины волны падает на образец, он начинает люминесцировать. Интенсивность люминесценции образца на каждой длине волны делится на интенсивность у возбуждающего света на этой длине волны, получаемого из опорного пучка II. Таким образом, мы регистрируем спектр истинной люминисценции образца, которая не зависит по определению от различия интенсивности возбуждающего излучения. В современных спектрофлуориметрах (и спектрофотометрах) вводятся поправки на изменение чувствительности регистрирующей системы в различных спектральных областях, т.е. учитывается аппаратная функция прибора.

Люминесцентный анализ позволяет по наличию люминесценции, размещению, форме и интенсивности полос ее спектра, а также времени жизни (затухания) судить о физических свойствах излучающего объекта, а также свойствах и составе окружения.

Преимущество – этот метод, как и все остальные методы является не разрушаюшим, селективным, высокочувствительным (люминесцентный метод – чувствительность до 10^-7 моль) и быстрым.

Различают следующие применения фотолюминисцентных методов:

Многие биологически важные соединения люминесцируют. Кроме собственной люминесценции биологических соединений широко используется внедрение в исследуемые биологические системы экзогенных люминофоров. К таким веществам относятся родамин, флуоресцин, мезопорфин (и другие порфирины), хлорофилл А, антрацен, циамины. Благодаря в основном флуоресцентной спектроскопии были развиты современные представления о структуре и функциях липопротеинов, альбуминов, клеток крови и биологических мембран.

Для исследования нелюминесцирующих биологических объектов используются люминесцентные маркеры. Они бывают двух сортов – люминесцентные метки и люминесцентные зонды. Люминесцентная метка – это люминесцирующая молекула вещества, которое химически привязывается к исследуемой молекуле и запускается в организм. По люминесценции этой метки определяют распространение исследуемого вещества в организме или клетке, или в каком-то органе.

Люминесцентные зонды либо индивидуальны, либо пришиваются к каким-то молекулам и запускаются в организм, орган, клетку. Люминесцентным зондом выбираются такие молекулы, свойства люминесценции которых (размещение, структура и интенсивность спектра, время жизни) зависит от свойств окружения. Поэтому по изменению люминесценции зонда можно судить о свойствах той среды, куда была доставлена молекула-носитель зонда или сам зонд.

Некоторые зонды постоянно люминесцируют, некоторые начинают люминесцировать только в комплексе с определенными соединениями.

Инфракрасная спектроскопия.

Инфракрасная спектроскопия изучает спектры поглощения в инфракрасной области: это от 10’3 до 10’6 нм (от 10’-6 до 10’-3 метра). Кроме того в ИК спектроскопии принято обозначать частоту света в волновых числах (ν), которые измеряются в см’-1. Для того, чтобы перейти от волновых чисел к длинам волн: [λнм=10’7/ ν ]. Для регистрации ИК спектров, которые также называются колебательные спектры, используется схема обычного спектрофотометра.

Только в ИК спектрофотометрах все элементы другие. В качестве источника света используются раскаленные тела (дают сплошной ИК спектр). В качестве диспергирующего элемента (раскладывает излучение в спектр) применяют либо дифракционные решетки (300 штрихов на мм и меньше), либо призмы из щелочногаллоидных веществ: NaCl, LiF, CsCl, CsF, KF. Диспергирующие элементы (легко повреждаются атмосферной влагой) помещаются в кондиционеры, и выключать питание ИК спектрометра никогда нельзя. Разворачивание спектра на выходную щель осуществляется поворотом призмы или решетки. В качестве приемников излучения используются термопары (измеряют тепло), металлические и полупроводниковые термосопротивления, которые называются болометрами, и газовые термодатчики, принцип действия которых заключается в том, что падающее на них тепловое излучение падает на газ, давление увеличивается, это увеличение давления и регистрируется. Кюветы для ИК измерений стоят дорого, потому что изготавливаются из прозрачных в ИК области материалов (NaCl, NaF и др.). Обычно эти кюветы представляют собой кварцевые сосуды, у которых 2 стенки - это наклеиваемые окошки из щелочногаллоидных материалов (например, из эбонита).

Для работы с химически активными жидкостями и газами применяют защитные напыления на окна кювет (Ge). В качестве растворителей приходится использовать жидкости, прозрачные в ИК области спектра, это: CCl4, CH2Cl2, CHCl3, CH3Cl. Для регистрации твердых тел, их измельчают и затем спрессовывают с порошком KBr (прозрачен во всех областях спектра) в таблетки, которые помещают в кюветы.

Колебательные спектры молекул возникают в результате переходов электронов между колебательными уровнями. Колебательные же уровни по определению определяются колебаниями атомных ядер. Колебательные уровни энергии определяются квантованием колебательных движений атомных ядер. Диапазон волновых чисел от 10 до 4000 см’-1 (частоты колебательных переходов 3*10’11-10’14 Гц).

 

Зависимость потенциальной энергии V, гармонического осциллятора (коричневая кривая) и реальной двухатомной молекулы (красная кривая), от межъядерного расстояния r (re- равновесное значение r); горизонтальными прямыми линиями показаны колебательные уровни (0,1,2,… -значения колебательного квантового числа); вертикальными стрелами показаны некоторые колебательные переходы; Do- энергия диссоциации; сплошная серая область отвечает сплошному спектру.

В классическом варианте частота гармонических колебаний равна:

 

,где K – силовая константа

m – эффективная масса колеблющегося фрагмента

 

Энергия колебаний после решения уравнения Шредингера для колебаний подсистемы молекулы:

,где - колебательное квантовое число ( = 0,1,2,3…)

Даже при абсолютном нуле,когда =0, из соотношения неопределённостей Гейзенберга видно: энергия колебаний не равна нулю .

Оказывается, возможны оптические переходы не между любыми колебательными уровнями, а только между некоторыми (правило отбора). Природа колебательного правила отбора связана с симметрией исходного и конечного колебательных состояний. Для многоатомных молекул можно выделить множество колебаний вдоль различных связей (сложные колебательные движения ядер можно представить в виде суперпозиции отдельных гармонических колебаний νк, где к-количество колебательных координат молекулы (к=1,2…n). Такие координаты, которым можно приписать гармонические колебания определённой частоты, называются естественными. А колебания вдоль этих координат – нормальными. Например, 3-ёхатомная линейная молекула имеет 3 нормальные колебания.

 

 

ν1 ν2 ν3

 

ν1 – симметричное валентное колебание (СВК)

ν2 – деформационное валентное колебание (ДВК)

ν3 – антисимметричное валентное колебание (АВК)

 

Энергия колебаний может принимать следующие значения:

, где - степень вырождения уровня энергии по k-ому колебательному квантовому числу. Степень вырождения означает число уровней энергии, имеющих одинаковое значение.

Основные частоты в колебательном спектре обусловлены переходами с нулевого колебательного уровня:

E

Колебательные квантовые числа трех нормальных колебаний молекулы

ν1 ν2 ν3 0 1 1 1 1 0 0 3 0 0 0 1 1 0 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0

 

 

Система колебательных уровней (термов) для молекулы воды и некоторые переходы.

Инфракрасная спектроскопия позволяет определять:

1) пространственные и конформационные изомеры;

2) характер химических связей;

3) распределение зарядов в молекулах;

4) геометрические параметры молекул.

А также изучать внутри- и межмолекулярное взаимодействие (абсолютно все межмолекулярные взаимодействия (даже обусловленные таким слабыми силами как Ван дер Ваальсовыми, водородными) изменяют частоты нормальных колебаний молекулы), регистрировать короткоживущие частицы (до сек.)

В настоящее время существуют программы расчёта ИК спектров молекул, состоящих до 100 атомов. При этом необходимо знать состав этой молекулы и силовые постоянные её связей (могут быть определены экспериментально или найдены из квантовых расчётов).

Из-за всех этих преимуществ ИК спектроскопия получила наиболее широкое распространение в органической и электроэлементоорганической химии. Определение отдельных элементов становится возможным из-за того, что определённые группы атомов имеют строго фиксированные колебательные частоты.

Пример:

1700 см (с точностью до ±1 см )

 

Также ИК спектроскопия позволяет определять наличие в образце изотопов и их процентный состав.

 

Пример: масса атома дейтерия примерно в 2 раза тяжелее протия. То есть m (см. ) в 2 раза больше. Тогда значение ν окажется в √2 раз меньше.

 

Масспектроскопия

- это метод определения массовых чисел частиц (молекулы + их осколки).

Для того чтобы получить масспектр образца, необходимо перевести в заряженное состояние его молекулы. Поэтому, на самом деле анализируются не нейтральные молекулы, а их ионы; и определяются не их заряды, а отношение заряда к массе (e/m).

В результате получается зависимость ионов определенной массы (e/m).

 

 

В массспектрометрах используется разделение ионов различных масс под воздействием электрических и магнитных полей. Это всегда происходит в вакууме. На первом этапе регистрации массспектра нужно вещество ионизовать. Существуют различные способы ионизации вещества.

 

Ионные источники.

Наиболее распространенными методами ионизации являются:

1. Ионизация электрическим ударом

В этом случае пучок электронов с большой кинетической энергией (в несколько раз большей энергии ионизации исходных молекул) направляется на образец или проходит через газовую камеру в которой в газовой фазе присутствуют исследуемые молекулы.

2. Фотоионизация

В этом случае исследуемые молекулы облучаются излучением с Е квантов, превышающих их Е ионизации. (Обычно это УФ или мягкий рентгеновский диапозон).

3. Ионизация в сильном электрическом поле

(= полевая ионная эмиссия)

В вакуумной камере или над образцом помещается металлическое острие, находящиеся под большим потенциалом. Возникающее электрическое поле вокруг острия с очень большой напряженностью вызывает автоэмиссию электронов.

4. Ионизация ионным ударом

Образец облучается потоком ионов

Этот способ применяется при необходимости исследования тяжелых ионов, т.к. кинетическая Е возбужденных ионов много больше кинетической Е возбужденных электронов.

5. Электрическая искра в вакууме (высокочастотный разряд)

6. Ионизация лазерным пучком

Применяется для получения масспектра тугоплавких соединений (Они испаряются и ионизуются.)

 

 

Обычно используются положительные ионы вещества (катионы); хотя в некоторых случаях используют и отрицательные (анионы). Изучение положительных облегчается тем, что их легче получить. С помощью масспектроскопии можно определить изотопный состав элементов. Массу, состав и даже структуру молекулы.

 

Существуют различные методы разделения ионов в вакууме. Различают:

1. Времяпролетные масспектрометры

Ионизация, обычно, электромагнитным полем: очень короткий высочайший импульс ионизирует исследуемый газ. Затем ионы движутся под действием ускоряющей разности потенциалов к коллектору ионов. Т.к. всем ионам придается одно и то же ускорение, они получают одну и ту же кинетическую Е, то из-за различия их масс, скорости их будут различны.

, где V- разность потенциалов между ускоряющими электродами,

а е- заряд иона – численное значение элементарного заряда

 

 

, где t – время пролета ионов различной массы через пространство l. Значит, более легкие ионы придут на коллектор раньше, тяжелые – позже. Поэтому, время пролета определяет масспектр.

 

В большинстве случаев условия ионизации подбираются таким образом, чтобы в камере возникали однозарядные ионы. Очень редко используется анализ многозарядных ионов (в случаях, если массы молекул огромны, а различие в 2-3 атомных единицы).

1. Радиочастотные

Основаны на том, что ионы в ионизационной камере получают одинаковую Е (так же как и во времяпролетных). Затем они проходят через систему сеточных каскадов, к которым применяется переменное электрическое поле. К промежуточным сеткам (обычно их три, т.е. промежуточная - средняя) при определенной частоте траектория движения иона представляет собой колеблющуюся синусоиду. При фиксированной частоте высокочастотного поля и энергии вылетаемых ионов в щель на коллекторе проходят ионы только одной массы. Меряя частоту поля, можем получить масспектр.

 

 

1. Квадрупольные масспектрометры

Разделение электронов по массе происходит при одновременном наложении электрического и магнитного полей.

1. Динамические

Применяется комбинирование электрического и магнитных полей

1. Омегатронный

Диаметр описываемой спирали зависит от массы

Проблемой в масспектрометрах является регистрация ионных токов, которые исключительно малы. В МС с электронными умножителями чувствительность увеличивается на четыре порядка.

В биологии с помощью масспектроскопии исследуются процессы биохомической кинетики, газовый анализ дыхания и газообмена.

Хроматография

-один из чувствительных методов разделения смеси веществ.

Разделение производится на каких-либо носителях.

Самый простой пример – хроматографическая колонка

 

Элюэнт - это газ или жидкость в которых находится смесь исследуемых веществ, и который продвигается мимо неподвижной подложки. В зависимости от исследуемых веществ элюэнты бывают разные. Подложки тоже бывают разные – твердые, жидкие, пористые, ионообменные смолы. В соответствии с этим различают следующие виды хроматографии: адсорбционная, ионообменная, жидкостная, бумажная и тонкослойная.

 

Адсорбционная хроматография

В этом случае разделение осуществляется за счет различной адсорбционной способности неподвижного носителя к различным компонентам смеси. Обычно, к такой хроматографии прибегают, когда исследуемые соединения обладают полярными группами. Практически всегда поверхность носителя покрыта гидроксильными группами различнойсилы. Одной из разновидностей адсорбционной хроматографии можно считать ионообменную; где носителем являются ионообменные смолы, расположенные либо в колонке, либо тонким слоем на бумаге. Поверхность этих смол состоит из заряженных функциональных групп, ковалентно связанных с нитями решетки ионообменной смолы.

 

 

Жидкостная хроматография

Здесь роль неподвижного носителя играет жидкость. Разделение происходит за счет различной растворимости исследуемых соединений.

 

Тонкостная хроматография

-любая система, в которой носитель представляет собой тонкий слой

(Пример: оксид алюминия III на стеклянной пластинке.)

 

Ядерные методы исследования

В настоящие время эти методы в основном заменены люминесцентными из-за их большей безопасности. Но в некоторых случаях используют радиоизотопные методы. Суть их в том, что в организм вводится соединение в составе которого имеется изотоп какого-либо соединения, испускающего α- или ß-излучение. Изотопы с λ-излучением никогда не используются. Пришивая такие изотопы к соединениям, которые находятся в определенных органах, можно затем по их излучению определять их расположение и концентрацию в разных частях организм. Иногда α-радиоизотопы используются для лечения. Если их ввести в раковую опухоль, то они её будут разрушать. Проблема здесь в определении концентрации.

 

Один из известных методов, широко применяемых в археологии по отношению к биологическим остаткам – радиоуглеродный анализ возраста.

 

14 14

N(n,p) C

7 6

 

 

Время действия метода -12 тыс лет

Радиоуглерод полураспадается за 5730 лет

Но из-за того, что в прошлом радиоактивный фон был другим, возможны ошибки.

Схема энергетических уровней сложных молекул

Отличие энергетических уровней молекул от атомов заключается в том, что в них, в отличие от отдельных атомов, появляется зависимость потенциальной энергии электронов от расстояния между атомами. А так как атомы в молекуле находятся в непрерывном колебательном и вращательном движении, то, следовательно, энергия электронов тоже зависит от этих типов движения.

Уравнение Шредингера для атома:

ΔΨ_(x,y,z)+2m/h²(E-v)Ψ_(x,y,z)=0

 

 

Атомы водорода

E˷1/r_H1+1/r_H2+1/r_2e потенциальная энергия

 

 

Атомы все время колеблются, следовательно, радиус все время меняется. Расчет показал, что из-за разных скоростей электронного перехода, колебание ядер и их вращение, колебательную составляющую потенциальной энергии, вращательную и электронную можно рассматривать независимо. Поэтому общую энергию электрона можно представить в виде суперпозиции

Е_полн.=Е_{электромагн.}+Е_колеб.+Е_{вращат.}

Для всех молекул изменение этих частей энергии очень сильно отличается по величине.

ΔT_эл.>>ΔЕ_кол.>>ΔЕ_вращ.

 

Δе_вращ.- человек присел и встал

 

Δе_колеб. - подъем на бугорок

 

 

Δе_эл. - подъем на гору

Следует помнить, что все виды энергии в любой квантовой системе квантованы.

Зависимость потенциальной энергии молекулы в одномерном случае представляется следующей кривой

r равн. возб.сост

ΔE

ΔE

поглощение

излучение

релаксация

v

10^-15c

10^-8c

Едисс.

v2

v1

rравн.

Нулевой колебательный уровень отличен от 0.

Е_дисс.- энергия диссоциации

Двухатомная молекула, r-расстояние между атомами.

V- значение электронной энергии атома.

Один атом в начале координат, второй меняется.

R_{равновесн.}- среднее расстояние между атомами.

Следует иметь в виду, что кривая потенциальной энергии при расстояниях меньше r_равн. Растет очень быстро, поэтому атомы большую часть времени находятся на расстоянии >r_равн. Так как переход электрона в другое электронное состояние осуществляется в очень короткое время 10^-15с,

характеристическое время колебания атомов в молекуле 10^-8с, поэтому изменение электронного состояния молекулы(переход в возбужденое из основного) происходит при постоянном расстоянии между атомами 9на схеме это означает вертикальный переход).

Затем в возбужденном состоянии начинается изменение межъядерного расстояния к минимальному значению энергии, что называется релаксацией. Затем молекула, как всякая термодинамическия система, будет стремиться к минимуму энергии, испустит квант света и перейдет в основное состояние. Этот переход также вертикальный (то есть без изменения межъядерного расстояния). Затем происходит релаксация в основном состоянии. Куда девается энергия в процессе релаксации? Она потрачена на возбуждение колебательного состояния молекул. Поэтому каждая молекула после поглощения света, и релаксации и испускания света, оказывается в колебательно-возбужденном состоянии. Поэтому эта релаксация называется крлебательной релаксацией и обозначается

 

Над каждым колебательным уровнем есть система вращательных уровней.

ΔЕвращ.

ΔЕкол.

Таким образом из-за большого числа колебательных и вращательных уровней возможно поглощение очень близко расположенных по энергии квантов света, что приводит к сплошному спектру поглощения молекул. Так как обычно в сложных молекулах присутствует много колебаний, то схема энергетических уровней становится практически сплошной. Можно составить

систему колебательных уровней для каждой связи, они накладываются, следовательно сплошные.

Таким образом из-за большого числа колебательных и вращательных состояний. Спектры молекул являются сплошными.

 

Спектр поглощения атома

λ

Спектр поглощения молекулы

Определение из спектра поглощения в УФ или видимой области величины электронного перехода возможно лишь приблизительно (при наличии спектра флуоресценции возможно точно-см. Позже).

Электронный переход заведует изменненим положения спектра поглощения.

λ

λ

Если в спектре поглощения молекулы различаются структура, то она обусловлена колебательными частотами.

 

ΔЕкол.

иногда эта структура может быть обусловлена суперпозицией различных колебательных частот. Расстояние между колебательными уровнями равно одному колебательному кванту (за исключением нижнего- 1/2hν_кол.).

ν=1/T=c/cT=c/λ

2πν=ω=2πс/λ

(переход между ω и λ).

hνкол1

hνкол1

1/2hνкол1

v

Отмечены в координатах частоты все максимумы

Λкол1

Λкол2

Наличие же вращательных уровней приводит к тому, что спектр становится сплошным.

 

Summary:

1. Положение центра тяжести спектров в шкале частот определяет электронный переход
2. Структура спектра определяется колебательными частотами
3. То, что спектр сплошной, определяется вращательными частотами

 

Амплитуда колебаний атома в молекуле

Вертикальный переход заканчивается на пересечении с потеннциальной кривой верхнего уровня,

потому что это точка поворота колебаний, в этой точке атомы меняют направление движения от сближения к удалению и следовательно, проводят больше времени.

Бывает, что в возбужденном состоянии расстояние меньше, чем в невозбужденном.

Если в молекуле есть высоковозбужденное электронное состояние, переход на которое не запрещен, то возможен оптический переход также и на это состояние.

v2

v1

v0

r

 

В этом случае спектр поглощения будет состоять из двух полос- длинноволновой и коротковолновой.

В разных возбужденных состояниях спины валентного (или оптического) электроны могут быть разно ориентированы, следовательно вероятность перехода на этиуровни будет различна.