Μοριακές δονήσεις

Τύποι δονήσεων

Εάν το μόριο έχει περισσότερα από δύο άτομα, τότε τα πράγματα περιπλέκονται περισσότερο. Ας υποθέσουμε ότι προστίθεται ένα ακόμη άτομο, οπότε τώρα υπάρχουν τρία άτομα, όπως στο νερό H₂ O όπου τα δύο άτομα υδρογόνου είναι και τα δύο συνδεδεμένα με το κεντρικό άτομο οξυγόνου. Θυμηθείτε ότι με το υδρογόνο υπήρχε ένα είδος τάνυσης, αλλά στο νερό υπάρχουν δύο είδη τάνυσης και τέσσερα άλλα είδη δόνησης που ονομάζονται δονήσεις κάμψης όπως φαίνεται παρακάτω.

Τα άτομα σε μια ομάδα CH₂ ή σε μόρια όπως το νερό μπορούν να δονούνται με έξι διαφορετικούς τρόπους: συμμετρικό και αντισυμμετρικό τέντωμα, ψαλίδισμα, κούνημα, κούνημα και συστροφή:

συμμετρικό τέντωμα: όταν τα δύο συνδεδεμένα άτομα απομακρύνονται και κατευθύνονται προς το κεντρικό άτομο ταυτόχρονα.

αντισυμμετρικό τέντωμα: Όταν τα δύο συνδεδεμένα άτομα δεν απομακρύνονται και δεν κινούνται ταυτόχρονα προς το κεντρικό άτομο.

ψαλίδισμα: Ακριβώς όπως λέει το όνομα ψαλίδισμα είναι όταν τα δύο άτομα κινούνται μακριά και προς το άλλο

rocking: Μόνο που εδώ ένα άτομο είναι το εκκρεμές και είναι δύο αντί για ένα.

κουνάει: Αν ένα άτομο κρατάει το χέρι του μπροστά του και βάζει τα δύο δάχτυλά του σε σχήμα "V" και λυγίζει τον καρπό του προς και μακριά από τον εαυτό του. Εδώ οι άκρες των δακτύλων είναι τα προσκολλημένα άτομα και ο καρπός είναι το κεντρικό άτομο.

στρίβοντας: Η κίνηση αυτή είναι σαν ένα άτομο να περπατάει σε ένα διάδρομο όπου η μέση του είναι το κεντρικό άτομο και τα πόδια του είναι τα δύο συνδεδεμένα άτομα.

Μόρια με περισσότερα από τρία άτομα

Τα μόρια με περισσότερα από τρία άτομα είναι ακόμη πιο πολύπλοκα και έχουν ακόμη περισσότερες δονήσεις, οι οποίες μερικές φορές ονομάζονται "δονητικοί τρόποι". Κάθε νέος τρόπος δόνησης είναι ουσιαστικά ένας διαφορετικός συνδυασμός των έξι που παρουσιάστηκαν παραπάνω. Όσο περισσότερα άτομα υπάρχουν στο μόριο τόσο περισσότεροι τρόποι μπορούν να συνδυαστούν. Για τα περισσότερα μόρια με Ν άτομα ο αριθμός των πιθανών δονήσεων για το μόριο αυτό είναι 3Ν - 6 ενώ τα γραμμικά μόρια, ή τα μόρια με τα άτομα τους σε ευθεία γραμμή, έχουν 3Ν-5 δονητικούς τρόπους.

Σχέση ενέργειας και δόνησης

Νευτώνεια μηχανική

Χρησιμοποιώντας τη Νευτώνεια μηχανική, οι δονήσεις ενός μορίου μπορούν να υπολογιστούν αντιμετωπίζοντας τους δεσμούς σαν ελατήρια. Αυτό είναι χρήσιμο επειδή, όπως ένα ελατήριο, ένας δεσμός απαιτεί ενέργεια για να τεντωθεί και χρειάζεται επίσης ενέργεια για να συμπιεστεί. Η ενέργεια που απαιτείται για να τεντωθεί ή να συμπιεστεί ο δεσμός εξαρτάται από τη δυσκαμψία του δεσμού, η οποία αντιπροσωπεύεται από τη σταθερά του ελατηρίου k, και τη μειωμένη μάζα ή το "κέντρο μάζας" των δύο ατόμων που είναι συνδεδεμένα σε κάθε άκρο και συμβολίζεται με μ. Ο τύπος που χρησιμοποιείται για να συσχετιστεί η ενέργεια που απαιτείται για να προκληθεί μια δόνηση στο δεσμό είναι:

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

h: είναι η σταθερά του Planck

ν: είναι η συχνότητα και αντιπροσωπεύει τον ρυθμό με τον οποίο ο δεσμός συμπιέζεται και διαχωρίζεται ξανά. Όσο μεγαλύτερο είναι το ν τόσο ταχύτερος γίνεται αυτός ο ρυθμός.

Ε: είναι η ενέργεια που απαιτείται για την ώθηση και την έλξη του δεσμού.

μ: Η μειωμένη μάζα είναι οι δύο μάζες των ατόμων πολλαπλασιασμένες μαζί και διαιρεμένες με την πρόσθεσή τους:

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

Κβαντομηχανική

Χρησιμοποιώντας την κβαντομηχανική, ο τύπος που περιγράφει το ελατήριο είναι ακριβώς ο ίδιος με την εκδοχή της Νευτώνειας μηχανικής, με τη διαφορά ότι επιτρέπονται μόνο ορισμένες ενέργειες ή ενεργειακά επίπεδα. Σκεφτείτε τα ενεργειακά επίπεδα ως σκαλοπάτια σε μια σκάλα όπου ένα άτομο μπορεί να ανεβαίνει ή να κατεβαίνει μόνο ένα σκαλί κάθε φορά. Όπως το άτομο αυτό δεν μπορεί να σταθεί στο χώρο μεταξύ των σκαλοπατιών έτσι και ο δεσμός δεν μπορεί να έχει ενέργεια μεταξύ ενεργειακών επιπέδων. Αυτός ο νέος τύπος γίνεται:

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}}\! } ,

όπου n είναι ένας κβαντικός αριθμός ή "ενεργειακό επίπεδο" που μπορεί να πάρει τιμές 0, 1, 2 ... Η δήλωση ότι οι ενεργειακές στάθμες μπορούν να ανέβουν ή να κατέβουν μόνο μία στάθμη κάθε φορά είναι γνωστή ως κανόνας επιλογής, ο οποίος δηλώνει ότι οι μόνες επιτρεπτές μεταβάσεις μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων είναι:

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

όπου \Delta n είναι η ενεργειακή μετάβαση.

Εφαρμογές των δονητικών κινήσεων

Όταν το φως μιας συγκεκριμένης συχνότητας προσπίπτει σε ένα μόριο που έχει μια δόνηση της οποίας η κίνηση αντιστοιχεί στην ίδια συχνότητα, τότε το φως απορροφάται από το μόριο και η ενέργεια του φωτός προκαλεί την κίνηση των δεσμών με τη συγκεκριμένη δονητική κίνηση. Ελέγχοντας το φως που απορροφάται, οι επιστήμονες μπορούν να διαπιστώσουν αν υπάρχει ένα συγκεκριμένο είδος μοριακού δεσμού και να το συγκρίνουν με έναν κατάλογο μορίων που έχουν αυτόν τον δεσμό.

Ωστόσο, ορισμένα μόρια, όπως το ήλιο και το αργό, έχουν μόνο ένα άτομο και δεν έχουν δεσμούς. Αυτό σημαίνει ότι δεν απορροφούν φως με τον ίδιο τρόπο που μπορεί να απορροφήσει ένα μόριο με περισσότερα από ένα άτομα.

Τα συγκεκριμένα πεδία της χημείας που χρησιμοποιούν τις μοριακές δονήσεις στις μελέτες τους περιλαμβάνουν τη φασματοσκοπία υπερύθρου (IR) και τη φασματοσκοπία Ραμάν (Raman), με την IR να χρησιμοποιείται ευρύτερα και να έχει τρία δικά της υποπεδία. Αυτά τα υποπεδία είναι γνωστά ως φασματοσκοπία εγγύς IR, μέση IR και μακρινή IR. Ακολουθεί ένας γενικός κατάλογος αυτών των πεδίων και των πραγματικών εφαρμογών τους

Κοντινή υπέρυθρη ακτινοβολία: ποσοτικός προσδιορισμός ειδών όπως πρωτεΐνες, λίπη, υδρογονάνθρακες χαμηλού μοριακού βάρους και νερό. Περαιτέρω χρήση επιτυγχάνεται στις βιομηχανίες γεωργικών προϊόντων, τροφίμων, πετρελαίου και χημικών προϊόντων.

Mid IR: Το πιο δημοφιλές από τα πεδία IR, χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της δομής οργανικών και βιοχημικών ενώσεων.

Far IR: το πεδίο αυτό είναι λιγότερο δημοφιλές, αν και έχει βρει χρήσεις στις ανόργανες μελέτες

Raman: Χρησιμοποιείται για την ποιοτική και ποσοτική μελέτη ανόργανων, οργανικών και βιολογικών συστημάτων συχνά ως συμπληρωματική τεχνική της IR.