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

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 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 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 правила отбора три первых перехода разрыв химической связи между атомами D e – энергия диссоциации молекулы, h – постоянная Планка (3) (4) (5) (6) (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 Рис. 2. Формы нормальных колебаний: а) – молекулы H 2 O, б) – молекулы СO 2

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

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

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 Рис. 9. Спектр поглощения полистирола

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 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 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.