Фту спектральные методы основаны на том, какие физические явления и какие в них включены. С помощью спектроскопических методов исследования изучается взаимосвязь между физическими величинами

15. Какие линии находятся в масс-спектре алифатических спиртов и каким ионам они принадлежат (массовое число, ионные фрагменты, связь, разрыв, радикал, водород).
В масс-спектре спиртов присутствуют линии, соответствующие разложившимся ионным фрагментам с массовыми числами 31 и (M - 1). Эти ионные фрагменты образуются при разрыве следующих связей. Здесь R - радикал, M - количество масс на атомную единицу молекулы. Предполагается, что при образовании иона его стабильность увеличивается за счет образования двойной связи. CH2 = O + H (31) RCH = O + H (M - 1) Подобным образом ионные частицы образуются в разветвленных спиртах.
16. Какие характерные линии с большей вероятностью присутствуют в масс-спектре аминов (-связка, точка разрыва, массовое число, интенсивность линий, водород).
Для аминов характерен разрыв -связи. В результате такого разрыва образуется ион N + H2 = CH2 с массовым числом 30.
Интенсивность спектральной линии N + H2 = CHR (M - 1) также велика в спектре.
17. Масс-спектры кетонов и металлоорганических соединений (ионные фрагменты, спектральная линия, связь металл-углерод, энергия связи.гия, молекулярный ион).
Масс-спектр кетонов содержит спектральные линии, соответствующие ионам R1 - C = O + и R2 - C = O +. Если алкильная цепь состоит из трех или более атомов углерода- сад сломан и перегруппирован в присутствии атома водорода. В таких случаях помимо иона образуется нейтральная стабильная молекула олефина. Поскольку энергия связей металл-углерод в металлоорганических соединениях очень мала, разрыв будет происходить в основном из-за этой связи. Поэтому интенсивность спектральной линии относительно молекулярного иона очень мала.
18. Простой гармонический осциллятор: частота вибрации, выражение энергии вибрации, переходы между уровнями вибрации, правило выбора, волновое число (см-1) (двухатомный, модель, вибрация, приложенная масса, постоянная мощности, амплитуда, квантовое число, квантованное , дискретный, Шредингер).
Обсуждение колебательных спектров очень удобно начинать с модели колеблющейся двухатомной молекулы или, другими словами, с модели простого гармонического осциллятора. Упругая связь имеет ту же частоту колебаний, что и пружина, и зависит от массы системы, силовой постоянной, но не от величины деформации, то есть амплитуды колебаний. Частота вибрации (Gs) (GS) (1). Здесь - заданная масса системы, . а также массы колеблющихся атомов. Эту частоту колебаний можно преобразовать в скорость света с (см / с) в число волн (см-1), используемых в спектроскопии колебаний.
(см-1) (2)
Т ак же, как другая произвольная энергия молекулы квантуется, квантуется и колебательная энергия, и она находится путем решения уравнения Шредингера для данной конкретной системы. Решение уравнения для простого гармонического осциллятора дает следующее. Энергия простого гармонического осциллятора, выраженная числом волн
(см-1) (3) здесь, - колебание - это квантовое число, которое принимает следующие значения = 0, 1, 2, 3,….
Из уравнения Шредингера следует, что переход между колебательными уровнями гармонического осциллятора следует простому правилу выбора  = 1

Фигура 1. Колебательные уровни энергии гармонически движущейся двухатомной молекулы и переходы между ними.

19.Выражение энергии колебаний гармонического осциллятора. Какие колебательные поверхности ангармонического осциллятора с большей вероятностью будут проходить между ними и почему. Правило выбора (молекула, колебательное движение, упругость, закон Гука, химическая связь, амплитуда, функция Морзе, валентные колебания, колебательные поверхности, основное состояние, полоса поглощения, квантовое число, интенсивность, главная линия поглощения, обертон). Колебательное движение атомов в реальных молекулах не соответствует законам простого гармонического движения, поскольку химические связи недостаточно жестко эластичны, чтобы с абсолютной точностью удовлетворять закону Гука. Если связь между двумя атомами достаточно длинная, молекула разорвется и распадется на атомы. Поэтому связь можно считать абсолютно эластичной при небольшом сжатии и удлинении. При больших амплитудах (например, более 10% от средней длины) законы этого движения намного сложнее. На рисунке 1 схематично показана зависимость энергии от расстояния между атомами для двухатомной молекулы.

Фигура 1. Энергия двухатомной молекулы, движущейся гармонично, представляет собой график функции Морса.
Экспериментальное выражение, задающее форму такой кривой, было найдено П. Морсом и названо функцией Морса. (1) здесь, - характерный размер рассматриваемой молекулы, - энергия диссоциации. Если к уравнению Шредингера тогда, если вместо этого поставить значение (1), последовательность возможных уровней колебательной энергии будет следующей.
(см-1) (2) здесь - частота колебаний, выраженная в количестве волн, - постоянная, соответствующая негармоническому движению, ее значение для валентных колебаний всегда мало и положительно ( +0.01), как видно из формулы по мере приближения колебательных поверхностей друг к другу (рис. 2).

Фигура 2. Колебательные уровни энергии двухатомной молекулы, колеблющиеся гармонически, и некоторые переходы между ними.

_{Правило выбора ангармонических осцилляторов следующее.}
Таким образом, колебания в ангармонических осцилляторах также могут иметь переходы с большим квантовым числом колебаний. Теория утверждает, а опыт показывает, что v вряд ли пройдет через большие уровни энергии. Разница между квантовыми числами колебаний можно будет измерить интенсивность спектральных линий, образованных в результате переходов между существующими поверхностями. Он также основан на распределении Болсмана при комнатной температуре. = Количество частиц на 1 уровне = 0 составляет всего один процент от базового случая. Поэтому ограничено тремя переходами  1 Также можно игнорировать переходы между уровнями.
Эти три перехода показаны на рисунке 2. Частоты спектральных линий, соответствующих этим переходам будет. Частота Ближайшая к (полоса поглощения) линия называется основной линией поглощения, частоты а также строки, близкие к, называются первым и вторым обертонами соответственно. Например, в спектре молекулы HCl имеется очень интенсивная линия поглощения с частотой 2886 см-1. Также видны слабые линии 5668 см-1 и очень низкой интенсивности 8347 см-1.
20. Число нормальных колебаний в линейных и нелинейных многоатомных молекулах. Приведите примеры того, что называется нормальными колебаниями (степень свободы, типы движения, валентность, деформация, вибрация, центр масс, вырождение).
Для молекулы с атомами N общее количество значений координат будет 3N, и можно также сказать, что молекула имеет степень свободы 3N, потому что каждая из ее координат задается независимо от других. Определение 3N координат всех молекул - это полное определение этого, то есть длины химических связей, углов между ними, места, которое они занимают.позволяет молекуле свободно перемещаться как целое, не меняя своей конфигурации в трехмерном пространстве. Это мгновенное движение молекулы определяется положением ее центра тяжести, для чего достаточно знать три ее координаты. Другими словами, поступательное движение молекулы характеризуется тремя из 3N степеней свободы, и это не влияет на остальные 3N - 3 степени. Любое вращение нелинейной молекулы можно выразить как сумму ее вращений относительно трех осей, взаимно перпендикулярных. Таким образом, для описания цикла также требуются три степени свободы, после которых в молекуле остается 3N - 6 степеней свободы. Другая заключительная форма молекулярного движения - это его внутренние колебания. Молекула, состоящая из нелинейных атомов азота, имеет 3N - 6 различных внутренних колебаний. Следовательно, нелинейная молекула имеет 3N - 6 различных основных колебаний.
С другой стороны, если молекула линейна, ее вращение вокруг собственной оси не может быть учтено, и такая молекула имеет два свободных вращения. В линейных молекулах для колебаний остается 3N - 5 степеней свободы, что на единицу больше, чем в нелинейных молекулах. Это означает, что линейная молекула имеет 3N - 5 основных типов колебаний.В обоих случаях нециклическая молекула, состоящая из N атомов, имеет N - 1 химических связей, и колебания N - 1 направлены по этим связям. Такие колебания называются валентными (англ. Растягивающими) колебаниями. и греческий алфавит (новый). Оставшиеся колебания 2N - 5 (для нелинейных молекул) или 2N - 4 (для линейных молекул) изгибают эти связи, поэтому они называются колебаниями деформации (англ. Bending) и происходят от греческого алфавита. (дельта).

_{Фигура 1. Симметрия молекулы воды и три различных основных колебания. Атом кислорода расположен недалеко от центра тяжести молекулы, поэтому его движением можно пренебречь;} a - валентно-симметричное колебание , б - деформационная симметричная вибрация , c - валентное антисимметричное колебание
1- Типы колебаний, показанные на рисунке, называются нормальными или фундаментальными колебаниями молекулы. В общем, нормальными называются колебания молекулы, в которых все атомы колеблются с одинаковой фазой и одинаковой частотой. Основные колебания происходят без изменения центра тяжести молекулы. Для линейной трехатомной молекулы 3N - 5 = 4 должно иметь четыре различных колебания, а на рисунке 2 показаны три колебания.
Фигура 2. Симметрия и основные колебания углекислого газа. а - валентно-симметричный см-1; б - валентный антисимметричный см-1; v - деформация см-1
Тем не мение, Нетрудно почувствовать, что два колебания происходят с частотой, одно в плоскости бумаги, на которой нарисовано изображение, а другое в плоскости, в которой атомы кислорода одновременно перпендикулярны плоскости бумаги. Но обе эти вибрации похожи во всех отношениях (кроме направления движения). Поэтому эти колебания называют врожденными колебаниями, но тем не менее эти колебания следует рассматривать как разные колебания. Поскольку режим деформации всегда врожденный, линейная молекула имеет на одно колебание больше, чем нелинейное.
21.Валентные и деформационные колебания. Симметричный и антисимметричный типы колебаний (химическая связь, удлинение, сжатие, форма молекулы, элемент симметрии, частота колебаний).
В обоих случаях нециклическая молекула, состоящая из N атомов, имеет N - 1 химических связей, и колебания N - 1 направлены вдоль этих связей. Такие колебания называются колебаниями валентности (англ. Stretch) и происходят от греческого алфавита. (новый). Оставшиеся колебания 2N - 5 (для нелинейных молекул) или 2N - 4 (для линейных молекул) изгибают эти связи, поэтому они называются колебаниями деформации (англ. Bending) и происходят от греческого алфавита. (дельта).

_{Фигура 1. Симметрия молекулы воды и три различных основных колебания. Атом кислорода расположен недалеко от центра тяжести молекулы, поэтому его движением можно пренебречь;} a - валентно-симметричное колебание , б - деформационная симметричная вибрация , c - валентное антисимметричное колебание
Кроме того, каждая вибрация, показанная на рисунке 1, относится к типу симметричной или антисимметричной моды. Молекула воды имеет ось C2 второго порядка симметрии, поэтому принято разделять колебания молекулы относительно этой оси. Давайте посмотрим на первую вибрацию, показанную на картинке. Если мы повернем колеблющуюся молекулу вокруг этой оси на 1800, характер этого колебания не изменится, и такое колебание называется симметричным колебанием, и оно обозначается как sy и записывается как нижний индекс знака частоты, . Частота Деформационная вибрация также симметрична, поэтому мы определяем Тем не мение, поворот молекулы, колеблющейся по частоте вокруг C2, на 1800 приводит к колебаниям, противоположным предыдущей фазе колебаний, и поэтому называется валентными антисимметричными колебаниями. определяется как
22. Какие нормальные колебания имеют молекулы H2O и CO2. Как дипольный момент молекулы изменяется при ее колебаниях (валентность, деформация, количество колебаний, симметричный, асимметричный, период колебаний, деформация, линейный, нелинейный). Чтобы колебания были активными в инфракрасном поле, то есть поглощали эти лучи и образовывали полосу поглощения в спектре, дипольный момент молекулы должен периодически изменяться во время колебаний. Переменное электрическое поле, создаваемое изменением распределения заряда во время вибрации, связано с электромагнитным излучением.



Фигура 1. Изменения электрического дипольного момента в результате нормальных колебаний молекулы воды. Изменения происходят в направлениях, параллельных или перпендикулярных оси симметрии. Амплитуда колебаний преувеличена для простоты понимания.

Фигура 2. Симметрия и основные колебания углекислого газа. а - валентно-симметричный см-1; б - валентный антисимметричный см-1; v - деформация см-1
23. Характеристические и скелетные колебания молекулы (мода колебаний, атомная группа, частота колебаний, часть спектра, характеристическая группа, структура молекулы, «отпечатки пальцев»).
Каждый режим колебаний вовлекает в это движение все или часть атомов молекулы, но в некоторых типах колебаний все атомы перемещаются примерно на одинаковое расстояние, в то время как в других типах небольшая группа атомов перемещается намного больше, чем другие. В зависимости от этого признака нормальные колебания можно разделить на два: колебания молекулярного тела (каркаса) и колебания характеристических (функциональных) групп. Когда тело молекулы колеблется, все ее атомы участвуют в этом колебании одинаково, а когда колеблется характерная группа, группа атомов в молекуле движется. Рассмотрим эти колебания отдельно. Частота колебаний молекулярного тела обычно составляет 1400-700 см-1.и относится к линейной и разветвленной цепной структуре (структуре) молекулы. Появление спектральных полос колебаний тела молекулы очень чувствительно к природе заместителя, находящегося в цепи или кольце. Вот почему такие полосы иногда называют «отпечатками пальцев», потому что по их наличию можно узнать всю молекулу или часть ее структуры. ИК-спектры природного и синтезированного тимидина сравнение может быть наглядным примером этого. Точное сходство этих спектров в области «отпечатков пальцев» показывает, что тимидин, полученный путем синтеза, очень похож на натуральный. Частота колебаний характеристической группы не зависит от строения молекулы в целом, а часто и их частот. расположен в области, намного большей или намного меньшей, чем частота.