Molekülschwingung

Molekülschwingungen sind eine von drei verschiedenen Bewegungsarten für Moleküle, die Translationsbewegung (wenn das ganze Molekül in dieselbe Richtung geht) und Rotationsbewegung (wenn das Molekül sich wie ein Kreisel dreht) umfassen

Eine Schwingungsbewegung für ein Molekül liegt vor, wenn sich die Bindungen zwischen den Atomen innerhalb eines Moleküls bewegen. Stellen Sie sich die Atome als runde Kugeln vor, die durch eine Feder verbunden sind, die sich hin- und herbewegen kann. Ein Beispiel für diese Bewegung ist das "Dehnen", das einfachste Beispiel für eine Schwingung für ein Molekül, die zwischen nur zwei Atomen auftritt. Einige Beispiele für Moleküle, die so sind, sind Wasserstoff H2, Stickstoff N2 und Sauerstoff O2

Arten von Schwingungen

Wenn das Molekül mehr als zwei Atome enthält, wird die Sache komplizierter. Angenommen, es wird nur ein weiteres Atom hinzugefügt, so dass nun drei Atome vorhanden sind, wie im Wasser H2O, wo die beiden Wasserstoffatome beide an das zentrale Sauerstoffatom gebunden sind. Erinnern Sie sich, dass es bei Wasserstoff eine Art von Dehnung gab, im Wasser jedoch zwei Arten von Dehnung und vier weitere Arten von Schwingungen, Biegeschwingungen genannt, wie unten dargestellt.

Die Atome in einer CH2-Gruppe oder Moleküle wie Wasser können auf sechs verschiedene Arten schwingen: symmetrisch und antisymmetrisch strecken, scheren, schaukeln, wackeln und verdrehen:

Symmetrisches Dehnen	Antisymmetrisches Dehnen	Scheren

Schaukeln	Wagging	Verdrehen

symmetrische Streckung: wenn sich die beiden angehängten Atome gleichzeitig weg und zum Zentralatom hin bewegen.

antisymmetrische Streckung: Wenn sich die beiden angehängten Atome nicht gleichzeitig weg und zum Zentralatom hin bewegen.

Scheren: Genau wie der Name sagt, ist Scheren, wenn sich die beiden Atome voneinander weg und aufeinander zu bewegen.

Schaukeln: Diese Bewegung ist wie ein Pendel auf einer Uhr, das hin und her geht, nur dass hier ein Atom das Pendel ist und es zwei statt einem gibt.

wedelnd: Wenn eine Person ihre Hand vor sich hochhält und zwei Finger in ein "V"-Zeichen steckt und ihr Handgelenk auf sie zu und von ihr weg beugt. Hier sind die Fingerspitzen die angehefteten Atome und das Handgelenk ist das Zentralatom.

Verdrehen: Diese Bewegung ist so, als würde eine Person auf einem Laufband laufen, wobei ihre Taille das Zentralatom und ihre Füße die beiden angehängten Atome sind

Moleküle mit mehr als drei Atomen

Moleküle mit mehr als drei Atomen sind noch komplizierter und haben noch mehr Schwingungen, die manchmal als "Schwingungsmoden" bezeichnet werden. Jede neue Schwingungsart ist im Grunde genommen eine andere Kombination der sechs oben gezeigten. Je mehr Atome im Molekül vorhanden sind, desto mehr Möglichkeiten können sie kombiniert werden. Bei den meisten Molekülen mit N-Atomen beträgt die Anzahl der möglichen Schwingungen für dieses Molekül 3N - 6, während lineare Moleküle oder Moleküle, bei denen die Atome auf einer geraden Linie liegen, 3N-5 Schwingungsmoden haben.

Beziehung von Energie und Vibration

Newtonsche Mechanik

Mit Hilfe der Newtonschen Mechanik lassen sich die Schwingungen eines Moleküls berechnen, indem man die Bindungen wie Federn behandelt. Dies ist nützlich, weil eine Bindung wie eine Feder Energie benötigt, um sich zu dehnen, und auch Energie, um sie zusammenzudrücken. Die Energie, die benötigt wird, um die Bindung zu strecken oder zusammenzudrücken, hängt von der Steifigkeit der Bindung ab, die durch die Federkonstante k und die reduzierte Masse oder den "Massenschwerpunkt" der beiden Atome, die an einem der beiden durch μ bezeichneten Enden befestigt sind, dargestellt wird. Die Formel, die verwendet wird, um die Energie, die benötigt wird, um eine Schwingung in der Bindung zu verursachen, in Beziehung zu setzen, lautet

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

h: ist die Konstante von Planck

ν: ist die Frequenz und gibt die Rate an, mit der die Anleihe zusammengedrückt und wieder auseinandergezogen wird. Je größer ν, desto schneller wird diese Rate.

Ε: ist die Energie, die erforderlich ist, um das Band zusammen zu drücken und zu ziehen.

μ: Die reduzierte Masse ist die zwei Massen der Atome, die miteinander multipliziert und durch ihre Addition geteilt werden:

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\Anzeigestil \mu ={m_{1}m_{2} \über m_{1}+m_{2}.{\an8} } $\mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\!$

Quantenmechanik

Mit Hilfe der Quantenmechanik ist die Formel, die die Feder beschreibt, genau die gleiche wie die Version der Newtonschen Mechanik, außer dass nur bestimmte Energien oder Energieniveaus erlaubt sind. Stellen Sie sich die Energieniveaus als Stufen auf einer Leiter vor, auf der eine Person jeweils nur eine Sprosse nach oben oder unten gehen kann. Genauso wie diese Person nicht auf dem Raum zwischen den Sprossen stehen kann, so kann die Verbindung keine Energie zwischen den Energieebenen haben. Diese neue Formel wird:

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\displaystyle E_{n}=h\nu =h\links(n+{1 \über 2}\rechts){1 \über {2\pi }}{\sqrt {k \über m}}\! } $E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}\!$ ,

wobei n eine Quantenzahl oder ein "Energieniveau" ist, das Werte von 0, 1, 2 ... annehmen kann. Die Aussage, dass Energieniveaus jeweils nur um ein Niveau nach oben oder unten gehen können, ist als Auswahlregel bekannt, die besagt, dass die einzigen erlaubten Übergänge zwischen Energieniveaus sind:

Δ n = ± 1 {\Anzeigestil \Delta n=\pm 1} $\Delta n=\pm 1$

wobei \Delta n der Energieübergang ist.

Anwendungen von Vibrationsbewegungen

Wenn Licht einer bestimmten Frequenz auf ein Molekül trifft, das eine Schwingung hat, deren Bewegung der gleichen Frequenz entspricht, dann wird das Licht in dem Molekül absorbiert und die Energie des Lichts bewirkt, dass sich die Bindungen in dieser spezifischen Schwingungsbewegung bewegen. Indem sie prüfen, ob Licht absorbiert wird, können Wissenschaftler feststellen, ob eine bestimmte Art von Molekülbindung vorhanden ist, und diese mit einer Liste von Molekülen abgleichen, die diese Bindung haben.

Einige Moleküle wie Helium und Argon besitzen jedoch nur ein Atom und haben keine Bindungen. Das bedeutet, dass sie kein Licht absorbieren können, wie es ein Molekül mit mehr als einem Atom kann.

Zu den spezifischen Bereichen der Chemie, die Molekülschwingungen in ihren Studien verwenden, gehören die Infrarotspektroskopie (IR) und die Raman-Spektroskopie (Raman), wobei IR weiter verbreitet ist und drei eigene Unterbereiche hat. Diese Unterbereiche werden als Nah-IR-, Mittel-IR- und Fern-IR-Spektroskopie bezeichnet. Im Folgenden finden Sie eine allgemeine Liste dieser Bereiche und Anwendungen in der Praxis

Nahe IR: quantitative Bestimmung von Spezies wie Proteine, Fette, niedermolekulare Kohlenwasserstoffe und Wasser. Weitere Anwendung findet sie in der Agrar-, Lebensmittel-, Erdöl- und chemischen Industrie.

Mittlere IR: Das beliebteste der IR-Felder, wird zur Strukturbestimmung von organischen und biochemischen Verbindungen verwendet.

Fernes IR: Dieses Feld ist weniger populär, obwohl es in anorganischen Studien Verwendung gefunden hat

Raman: Wird für die qualitative und quantitative Untersuchung anorganischer, organischer und biologischer Systeme verwendet, oft als ergänzende Technik zur IR.