Vibrazioni molecolari: concetti, tipi e rilevanza nello spettro

Se la molecola ha più di due atomi, allora le cose si complicano. Supponiamo che venga aggiunto un solo atomo in più, così ora ci sono tre atomi come nell'acqua _H2O dove i due atomi di idrogeno sono entrambi attaccati all'atomo di ossigeno centrale. Ricordate che con l'idrogeno c'era un solo tipo di stiramento, ma nell'acqua ci sono due tipi di stiramento e altri quattro tipi di vibrazioni chiamate vibrazioni di flessione come mostrato qui sotto.

Gli atomi di un gruppo CH2 o di molecole come l'acqua possono vibrare in sei modi diversi: stretching simmetrico e antisimmetrico, scissoring, rocking, wagging e twisting:

stiramento simmetrico: quando i due atomi attaccati si allontanano e si avvicinano contemporaneamente all'atomo centrale.

stiramento antisimmetrico: quando i due atomi attaccati non si allontanano e non si avvicinano contemporaneamente all'atomo centrale.

scissoring: Proprio come dice il nome, la forbice è quando i due atomi si allontanano e si avvicinano l'uno all'altro

dondolante: Questo movimento è come un pendolo su un orologio che va avanti e indietro solo che qui un atomo è il pendolo e ce ne sono due invece di uno.

scodinzolare: Se una persona tiene la mano davanti a sé e mette due dita in un segno a "V" e piega il polso verso e lontano da sé. Qui le punte delle dita sono gli atomi attaccati e il polso è l'atomo centrale.

torsione: Questo movimento è come se una persona camminasse su un tapis roulant dove la sua vita è l'atomo centrale e i suoi piedi sono i due atomi attaccati

Molecole con più di tre atomi

Le molecole con più di tre atomi sono ancora più complicate e hanno ancora più vibrazioni che a volte sono chiamate "modi vibrazionali". Ogni nuovo modo vibrazionale è fondamentalmente una diversa combinazione dei sei mostrati sopra. Più atomi ci sono nella molecola, più modi possono essere combinati. Per la maggior parte delle molecole con N atomi il numero di vibrazioni possibili per quella molecola è 3N - 6 mentre le molecole lineari, o molecole con gli atomi in linea retta, hanno 3N-5 modi vibrazionali.

Meccanica newtoniana

Usando la meccanica newtoniana, le vibrazioni di una molecola possono essere calcolate trattando i legami come molle. Questo è utile perché, come una molla, un legame richiede energia per allungarlo e ci vuole anche energia per comprimerlo. L'energia necessaria per allungare o comprimere il legame dipende dalla rigidità del legame, che è rappresentata dalla costante della molla k, e dalla massa ridotta, o "centro di massa" dei due atomi attaccati ad entrambe le estremità denotata da μ. La formula usata per mettere in relazione l'energia necessaria per causare una vibrazione nel legame è:

  E = h ν = h 2 π k μ . E = h ν = h 2 ν = h 2 ν = h 2 ν. }

h: è la costante di Planck

ν: è la frequenza e rappresenta la velocità con cui il legame viene schiacciato insieme e poi allontanato di nuovo. Più grande è ν, più veloce diventa questo ritmo.

Ε: è l'energia richiesta per spingere e tirare il legame.

μ: La massa ridotta è le due masse degli atomi moltiplicate insieme e divise per la loro addizione:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . \mu = m 1 + m 2 su m_{1}+m_{2}}. }

Meccanica quantistica

Usando la meccanica quantistica, la formula che descrive la molla è esattamente la stessa della versione della meccanica newtoniana, tranne che sono permesse solo certe energie o livelli di energia. Pensate ai livelli di energia come ai gradini di una scala dove una persona può salire o scendere solo un piolo alla volta. Così come quella persona non può stare sullo spazio tra i pioli, così il legame non può avere un'energia tra i livelli di energia. Questa nuova formula diventa:

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {displaystyle E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \ su 2} a destra){1 \ su {2\pi }}{sqrt {k \ su m}}! } ,

dove n è un numero quantico o "livello di energia" che può assumere valori di 0, 1, 2 ... L'affermazione che i livelli di energia possono salire o scendere solo di un livello alla volta è nota come regola di selezione che afferma che le uniche transizioni consentite tra i livelli di energia sono:

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

dove \Delta n è l'energia di transizione.

Quando la luce di una certa frequenza colpisce una molecola che ha una vibrazione il cui movimento corrisponde alla stessa frequenza, la luce viene assorbita nella molecola e l'energia della luce fa muovere i legami in quello specifico movimento vibrazionale. Controllando la luce che viene assorbita, gli scienziati possono dire se c'è un certo tipo di legame molecolare e confrontarlo con una lista di molecole che hanno quel legame.

Tuttavia, alcune molecole come l'elio e l'argon hanno un solo atomo e non hanno legami. Questo significa che non assorbono la luce allo stesso modo di una molecola con più di un atomo.

I campi specifici della chimica che usano le vibrazioni molecolari nei loro studi includono la spettroscopia infrarossa (IR) e la spettroscopia Raman (Raman), con l'IR che è più usato e ha tre sottocampi propri. Questi sottocampi sono conosciuti come Near IR, Mid IR e Far IR spectroscopy. Quello che segue è un elenco generale di questi campi e delle applicazioni del mondo reale

Near IR: determinazione quantitativa di specie come proteine, grassi, idrocarburi a basso peso molecolare e acqua. Un ulteriore utilizzo si ottiene nei prodotti agricoli, alimentari, petroliferi e nell'industria chimica

IR medio: Il più popolare dei campi IR, è usato nella determinazione della struttura dei composti organici e biochimici.

Far IR: questo campo è meno popolare anche se ha trovato usi negli studi inorganici

Raman: Viene usato per lo studio qualitativo e quantitativo di sistemi inorganici, organici e biologici, spesso come tecnica complementare all'IR.