Приерететный национальный проект «Образование» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального. - презентация

1 Приерететный национальный проект «Образование» ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики Кафедра Компьютерной фотоники УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ по дисциплине ЕН.Ф.06 - ОПТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА Доцент, к.т.н. - Е.В. Жукова 1

2 МОДУЛЬ 3. МОЛЕКУЛЯРНАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА ТЕМА 5. Основы квантовой оптики Лабораторная работа Исследование квантовых состояний молекул и межмолекулярного взаимодействия 2

3 3 Цель работы - ознакомиться с теоретическими основами оптического метода инфракрасной спектроскопии, и применения данного метода для изучения межмолекулярного взаимодействия, изучения природы и структуры молекул. Получить навыки экспериментальной работы и изучить принципы анализа ИК спектров.

4 4 Порядок выполнения работы 1. Изучить теоретическую часть работы. 2. Ознакомиться с ИК спектрами типовых веществ и видами колебательных движений структурных групп по компьютерной демонстрационно–обучающей программе "IR TUTOR". 3. Изучить принцип действия, фотометрическую систему и конструкцию ИК спектрофотометра ИКС– Провести поверку шкалы волновых чисел спектрофотометра. 5. Измерить и проанализировать спектры пропускания органических веществ. 6. Оценить факторы, которые влияют на погрешности измерений и рассчитываемых величин. 7.Сделать выводы и оформить отчет по лабораторной работе.

5 5 1. Теоретическая часть 1.1 Колебательное движение двухатомной молекулы частота колебания с – скорость света, – волновое число, см -1, М – приведенная масса молекулы, состоящей из двух атомов с массами m 1 и m 2, K – это силовая постоянная колебания н м, зависящая от прочности химической связи. частоты колебания ангармонического осциллятора – равновесная частота колебаний, – постоянная ангармоничности. (1) (2)

6 6 правила отбора три первых перехода разрыв химической связи между атомами D e – энергия диссоциации молекулы, h – постоянная Планка (3) (4) (5) (6) (7)

7 7 Рис. 1. Колебательный спектр двухатомной молекулы 1.2 Колебания многоатомных молекул Приняты следующие обозначения: – симметричные и - антисимметричные валентные колебания; – симметричные и - антисимметричные деформационные колебания.

8 8 Рис. 2. Формы нормальных колебаний: а) – молекулы H 2 O, б) – молекулы СO 2

9 9 1.3 Применение ИК-спектров поглощения для изучения водородной связи В соответствии с электростатической моделью водородная связь образуется в тех случаях, когда атом водорода Н связан с сильно электроотрицательным атомом А, который притягивает к себе электроны, создавая тем самым положительный заряд на атоме водорода. Водородный мостик образуется в результате диполь-дипольного взаимодействия между поляризованной связью А Н и неподеленной парой электронов атома В, тогда А - Н + В. В отличие от ионных и ковалентных связей, энергия которых измеряется десятками и сотнями кДж/моль, водородная связь представляет собой относительно слабую связь с энергией кДж/моль.

10 10 Примерами соединений, образующих соединения с участием водородных связей могут служить спирты. При этом возможно образование структур R O H [R O H] n R O H R O H R O H R O H.. H O R Образование соединений, которые в химиии называют ассоциатами, легко обнаруживается по характерным изменениям частоты, ширины и интенсивности полосы колебаний группы АН. (8) (9)

11 11 Рис. 3. Зависимость спектров поглощения растворов н-бутилового спирта в ССl 2 от концентрации: а 0,005; б 0,125; в 0,420 М; г чистый н-бутиловый спирт

12 12 2. Экспериментальная часть спектр пропускания спектр оптической плотности I 0, I - интенсивность света, падающего на образец и прошедшего через него При двухлучевом способе регистрации измеряют непосредственно спектр поглощения исследуемого образца в виде кривой зависимости Т( ) от, или D( ) от, что исключает необходимость выполнения дополнительных расчетно-графических операций. (10) (12) 2.1 Регистрация ИК-спектров поглощения

13 13 Рис. 4. Блок-схема двухлучевого спектрофотометра : 1 - источник, 2 - образец, 3 -фотометрический клин, 4 - модулятор, 5 - монохроматор, 6 - приемник, 7 - усилитель, 8 - выпрямитель, 9 - мотор, 10 - самописец

14 14 Рис. 5. Зависимость максимальной оптической плотности и полуширины полосы поглощения от ширины щели монохроматора оптимальное значение ширины щели - полуширина самой узкой полосы в спектре (13)

15 15 Рис. 6. Схема изменения контура полосы при увеличении скорости сканирования Рис. 7. Кривая ошибок

16 16 Рис. 8. Аппаратные функции: f 1 треугольная, f 2 дифракционная, f 3 гауссова. Формы полос поглощения: D 1 дисперсионная, D 2 гауссова В работе используется гауссова функция для аппроксимации аппаратной функции и дисперсионная функция для истинного контура поглощения. (14) измеренный спектр поглощения внутри одной полосы

17 Поверка шкалы волновых чисел Поверка заключается в установлении соответствия между показаниями шкалы волновых чисел спектрофотометра и волновыми числами ИК излучения, проходящего через образец. Для проведения поверки спектрального прибора используют способ регистрации спектра пропускания вещества, положение максимумов колебательных полос поглощения которого известно с высокой точностью. В интервале волновых чисел 4000– 700 см -1 удобно использовать в качестве эталонного образца пленку полистирола толщиной 25 мкм. Расчет значения абсолютной погрешности проводят по формуле (15) – эталонные значения положения максимумов полос поглощения для пленки полистирола

18 18 Рис. 9. Спектр поглощения полистирола

19 Измерение спектров поглощения 1. Измерить спектры поглощения растворов н-бутилового спирта в CCl 2 в области валентных колебаний О-Н связи см -1 для разных концентраций растворов: 1- 0,005 М; 1- 0,125 М; 3- 0,420 М. 2 Измерить спектр поглощения чистого н-бутилового спирта также в области валентных колебаний О-Н связи см Найти в спектрах волновые числа полос поглощения мономерной и ассоциированной О-Н группы.

20 20 4. Рассчитать энтальпию образования водородной связи по формуле где ОН - разность волновых чисел полосы валентного колебания О-Н связи мономерных и связанных в комплексы молекул, см -1. Величина Н – это энтальпия образования комплекса за счет счет О-Н связи, кал/моль. (16) 5. Измерить спектры поглощения растворов н-бутилового спирта в CCl 2 в области валентных колебаний О-Н связи см -1 для разных концентраций растворов: 1- 0,005 М; 1- 0,125 М с разной скоростью сканирования спектра.

21 21 7. Рассчитать величину скорости сканирования, которая необходима при записи спектров, для обеспечения минимальных искажений, вносимых при записи спектра. При необходимости использовать характеристики прибора, которые приведены в описании спектрофотометра. 8. Сделать выводы по работе, подготовить отчет. 6. Оценить характер искажений, вносимый приемно- усилительной частью спектрофотометра, как положение валентный полос колебаний связи OH, так и интенсивность и на полуширину полос поглощения.