29441_presentation_6

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
МОДУЛЬ 3.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ И КВАНТОВАЯ
ОПТИКА
ТЕМА 5.
Основы квантовой оптики
Лабораторная работа
Исследование квантовых состояний
молекул и межмолекулярного
взаимодействия
2
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.
3
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–29.
4.
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.
4
1. Теоретическая часть
1.1 Колебательное движение двухатомной молекулы
частота колебания
1
K
(1)
~

2c M
с – скорость света, – волновое число, см-1, М – приведенная
масса молекулы, состоящей из двух атомов с массами m1 и
m2, K – это силовая постоянная колебания н  м, зависящая
от прочности химической связи.
частоты колебания ангармонического осциллятора
1 


~
~
o 1  e V  
2 


(2)
~
 0 – равновесная частота колебаний,  e – постоянная
ангармоничности.
5
правила отбора
V  1,2,3
(3)
три первых перехода
1. V  0  V  1
~
~
o 1  2 e 
(4)
2. V  0  V  2
~
1  2~
o 1  3e 
(5)
3. V  0  V  3
~
2  3~
o 1  4e 
(6)
разрыв химической связи между атомами
De
~
D 
h
(7)
De – энергия диссоциации молекулы, h – постоянная Планка
6
Рис. 1. Колебательный спектр
двухатомной молекулы
1.2 Колебания многоатомных молекул
Приняты следующие обозначения:
 s 
– симметричные и
валентные колебания;
s 
– симметричные и
as
- антисимметричные
as  - антисимметричные
деформационные колебания.
7
Рис. 2. Формы нормальных
колебаний:
а) – молекулы H2O,
б) – молекулы СO2
8
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
8 - 40 кДж/моль.
9
Примерами соединений, образующих соединения с
участием водородных связей могут служить спирты. При
этом возможно образование структур
ROHROH 
ROH
. .
. .
HOR
ROH[ROH]n ROH
(8)
(9)
Образование соединений, которые в химиии называют
ассоциатами, легко обнаруживается по характерным
изменениям частоты, ширины и интенсивности полосы
колебаний группы А—Н.
10
Рис. 3. Зависимость спектров поглощения растворов
н-бутилового спирта в ССl2 от концентрации: а—
0,005; б — 0,125; в — 0,420 М;
г — чистый н-бутиловый спирт
11
2. Экспериментальная часть
2.1 Регистрация ИК-спектров поглощения
спектр пропускания
T ( ) 
I
I0
(10)
I0, I - интенсивность света, падающего на образец и
прошедшего через него
спектр оптической плотности
D()  lg
I
1
 lg 0
T ( )
I
(12)
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.
12
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
13
Рис. 5. Зависимость максимальной оптической
плотности и полуширины полосы поглощения от
ширины щели монохроматора
оптимальное значение ширины щели
сп

 0,2  
min
1/ 2
(13)
min - полуширина самой узкой полосы в спектре
1 / 2
14
Рис. 6. Схема изменения
контура полосы при
увеличении скорости
сканирования
Рис. 7.
Кривая
ошибок
15
В работе используется
гауссова функция для
аппроксимации аппаратной
функции и дисперсионная
функция для истинного
контура поглощения.
1,67 R(0)
Rн ( ) 

  
    ' / q

e
 
'
 1   / p
2
2
Рис. 8. Аппаратные функции:
(14)
f1 — треугольная,
f2 — дифракционная,
Rн () — измеренный
f3 — гауссова.
спектр поглощения внутри
Формы полос поглощения: D1— одной полосы
дисперсионная,
16
D2 — гауссова
2.1. 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
   этал.  изм. (15)
 этал.
– эталонные значения положения максимумов
полос поглощения для пленки полистирола
17
Рис. 9. Спектр поглощения полистирола
18
2.2 Измерение спектров поглощения
1. Измерить спектры поглощения растворов н-бутилового
спирта в CCl2 в области валентных колебаний О-Н связи 20004000 см-1 для разных концентраций растворов: 1- 0,005 М; 10,125 М; 3- 0,420 М.
2 Измерить спектр поглощения чистого н-бутилового спирта
также в области валентных колебаний О-Н связи 2000-4000 см-1.
3.Найти в спектрах волновые числа полос
мономерной и ассоциированной О-Н группы.
поглощения
19
4. Рассчитать энтальпию образования водородной связи
по формуле
H  0.016 OH  0.63
(16)
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.
5. Измерить спектры поглощения растворов н-бутилового спирта
в CCl2 в области валентных колебаний О-Н связи 2000-4000 см-1
для разных концентраций растворов: 1- 0,005 М; 1- 0,125 М с
разной скоростью сканирования спектра.
20
6. Оценить характер искажений, вносимый приемноусилительной частью спектрофотометра, как положение
валентный полос колебаний связи OH, так и
интенсивность и на полуширину полос поглощения.
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.
21