1. 會發生紅外線被分子吸收的情況,只有在光子的能量,很接近分子能量閥值的時候,也就是分子處於「擺動狀態vibrational state」,從一個高能階狀態到下一個「高能階狀態」之間。
2. 大部分的分子都處於「最低能階lowest-enery state」,吸收紅外線光譜的光,會讓分子進入下一個「較高能階」。比較不常發生的狀況,分子吸收二倍的光能,讓自己能進入第三種能階狀態。
3. 這些更高頻率的紅外線光波,被分子吸收,而產生的訊號,稱為「倍頻overtone」;這些訊號非常微弱,但是通常可以在羰酸化合物carbonyl compound的光譜中看到。
4. 分子要能夠吸收紅外線光,必須它的化學鍵有「電偶極矩dipole moment」(一端比較偏負極、一端比較偏正極),這樣才能受高頻率光波刺激而振動。
5. 分子能吸收多少紅外線光,與「電偶極矩dipole moment」的強度有直接的關聯—電偶極矩愈強,吸收光波的能力就愈強。因此,「氫氧基O-H」吸收紅外線光的能力遠強於「碳氧基C-H」。(因為「氫氧基O-H」的化學鍵極性比較強)
6. 另一方面,對稱的化學鍵,像是在「反式-2-丁烯 trans-2-butene」的「碳=碳雙鍵C=C」,就完全不會吸收任何光波。
7. 紅外線質譜儀紀錄光譜,所用的電磁波波長範圍是2000到15000nm奈米。我們常用另一個指標「波數標度wavenumber scale」來紀錄,波數標度的範圍,ν5000~7000 cm-1。這個「cm-1」標度指的是頻率,也就是一公分有多少波的意思。 公式:波數=1/波長 ν=1/λ
8. 幾乎所有有機分子的官能基吸收波帶的範圍都是4000~800cm-1。光譜呈現方式,把波數放在x軸(愈往右邊波數愈少),把光吸收absorption或穿透率percent transmittance放在y軸。(翻譯改寫自Mary Anne Fox, James K. Whitesell的《Organic Chemistry》)
徐弘毅:
1. 分子要在「擺動狀態」比較容易吸收紅外線的光子;擺動,就是指分子的化學鍵伸縮,或化學鍵的角度大小改變。
2. 以化學鍵的伸縮來說;化學鍵縮短,二個原子互相靠近非常非常接近,那麼,反作用力最大,這就是處於高能階;
3. 化學鍵從最短距離,開始逐漸拉長,反作用力會慢慢下降,從高能階進入低能階;但是,如果二個原子彼此離得太遠(距離最長),這時彼此的吸引力變強,那又會從低能階變成高能階。
4. 化學鍵的角度也是一樣;依據混成軌域與各種原子的天性,原子組成的分子,有最理想省力的構造,例如,甲基的每個化學鍵夾角109°最理想,氨的每個「N-H」化學鍵夾角107°,孤對電子與「N-H」化學鍵的夾角111°。
5. 化學鍵的夾角,處在最理想省力的狀態,就是低能階;如果化學鍵的夾角拉開,或者變小,那就會進入高能階;來回擺動,就是不斷地從「低能階」,進入「高能階」,又進入「低能階」,再進入「高能階」……,這種過程。
6. 「大部分的分子都處於『最低能階lowest-enery state』。」因為這是最平衡、省力、穩定的結構。如果分子吸收紅外線光譜的光,得到能量的分子,動能增強,就會讓分子進入「較高能階」。
7. 「比較不常發生的狀況,分子吸收二倍的光能,讓自己能進入第三種能階狀態。」意思是,多數的分子,化學鍵所吸收的紅外線能量,只能讓自己進入高能階一次;
8. 也就是,分子從紅外線光所吸收的光能,能夠讓二個原子加速「靠近」到「反作用力最強」的位置(化學鍵最短),或者加速「遠離」到彼此「吸引力最強」的位置(化學鍵最長);接著二個原子,
9. 反彈到,吸引力與反作用力都最適中的位置(化學鍵的平均長度);然後,再進入到次強能階的位置。次強能階的位置是什麼?
10. 如果本來二個原子,吸收紅外線光之後,距離縮短,彼此靠近,那麼接著就是遠離,但是遠離之後,引發的原子之間吸引力,強度不會高於第一次彼此靠近時的反作用力;
11. 如果本來二個原子是遠離,那麼,接下來互相靠近的反作用力,也不會大於吸收紅外線光第一次引發的引力。
12. 化學鍵,就依照伸縮、伸縮的規則,來回震盪,逐漸衰減。化學鍵的擺動原理,也是一樣。
13. 「分子要能夠吸收紅外線光,必須它的化學鍵有「電偶極矩dipole moment」(一端比較偏負極、一端比較偏正極),這樣才能受高頻率光波刺激而振動。」這是因為光子有磁性,所以比較容易被有極性的化學鍵吸收。
14. 「對稱的化學鍵,像是在『反式-2-丁烯 trans-2-butene』的「碳=碳雙鍵C=C」,就完全不會吸收任何光波。」
15. 「C=C」,是烯分子引力最強的位置,附近的化學鍵都會受到它的吸引而縮短,而且化學鍵上的共價電子,也會比較靠近「C=C」上的碳,形成「C-H」或「C-C」偶極矩,這些有偶極矩的化學鍵,負電荷那一端都指向「C=C」。
16. 有偶極矩的「C-H」或「C-C」當然能夠吸收紅外線波,那「C=C」呢?
17. 如果「C=C」雙鍵,左右或上下的取代基分子群,不對稱,「C=C」所連接的四個偶極矩,力量強度不同,不會完全抵銷,整體而言,就能讓「C=C」也有一點偶極的特性(化學鍵的正、負電荷分部不均勻),而能吸收紅外線光。
18. 如果「C=C」雙鍵連接的取代基對稱,例如「反式-2-丁烯 trans-2-butene」,那麼,相反方向、力量強度一樣的偶極矩,就會互相抵銷;沒有偶極矩,沒有極性,就不會吸收紅外線。
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