مطيافية الأشعة تحت الحمراء

المحاضرة الحادية عشر
مطيافية الأشعة تحت الحمراء

موقع حيز الاشعة تحت الحمراء infrared في طيف الموجات الكهرومغناطيسية.
مطيافية الأشعة تحت الحمراء أو علم الأطياف ما تحت الحمراء (بالإنجليزية: Infrared spectroscopy): هو أحد فروع علم الأطياف الذي يتعامل مع المنطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي. ويشمل مجموعة من التقنيات، وأشهرها مطيافية الامتصاص (بالإنجليزية: Absorption spectroscopy). وتستعمل هذه المطيافية في تعيين العناصر الكيميائية في المركبات قيد الدراسة. وهي تستخدم بصفة رئيسية في علم الفلك لمعرفة عناصر المواد الموجودة في مناطق معينة من الكون ، كما لها استخدامات أخرى في نطاق التحليل الكيميائي. فبواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء يمكم التعرف على ، مثلا الميثيلين والتفرقة بين الألكينات و المواد العضوية العطرية . ويمكن الاطلاع على جدول الارتباط لمطيافية الأشعة تحت الحمراء الذي يبين خصائص مواد عديدة يمكنها إصدار وامتصاص أشعة تحت الحمراء تميزها ، مثل بصمة الإصبع للإنسان.
ويدرس علم الأطياف ما تحت الحمراء تفاعل المادة نتيجة الأشعة تحت الحمراء. تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية ذات طول الموجة بين الحدود المرئية للضوء وهي في حيز أطوال الموجة بين 800 نانومتر حتى أقصر الموجات الدقيقة حوالي 1 مليمتر
لكي يكون الجزيء فعال في مطيافية الأشعة تحت الحمراء ، بمعنى أن يكون له طيفاً في هذه المنطقة من أطوال الموجة ، يجب أن يمتلك الجزيء عزم ثنائي قطب. وعند تسليط الأشعة تحت الحمراء على الجزيء يحدث تداخل بين المجال الكهربائي للأشعة تحت الحمراء مع المجال الكهربائي المتولد عن عزم ثنائي قطب . وإذا توافق تردد المجال الكهربائي لشعاع من الأشعة تحت الحمراء مع تردد المجال في الجزيء ، فإن الجزيء يمتص هذا الشعاع .
عندئذ يحدث امتصاص الجزيء للطاقة ينقله من مستوى اهتزازي واطئ إلى مستوى اهتزازي أعلى. وعند فقدان الطاقة ورجوع الجزيء إلى مستوى اهتزازه "الأرضي" (ليس مثارا) يحصل انبعاث للضوء تحت الأحمر يمكن لكاشف حساس تسجيله . وتسجل تلك البيانات على جهاز يرسمها على ورق بياني تمثل صورة طيف الأشعة تحت الحمراء.
ويمكن حساب مقدار التردد الممتص من قبل الجزيئات أو المواد باستخدام القانون:


يمكن للجزيء أن يهتز بأنماط مختلفة وكل نمط منها متعلق بطاقة مميزة . ويعتمد عدد أنماط الاهتزاز في جزيء على عدد N من الذرات المكونة له . فإن الجزيئات الخطية تمتلك N - 5 3درجات من أنماط الاهتزاز؛ بينما تمتلك الجزيئات غير الخطيةN - 6 3درجات من أنماط الاهتزاز (وتسمى أيضاً درجات الحرية). فعلى سبيل المثال، فإن جزيء الماء H2O غير خطي ويمتلك 3= 6 - 3 × 3 درجات من أنماط الاهتزاز أو درجات الحرية.
تمتلك الجزيئات البسيطة ثنائية الذرات آصرة واحدة فقط، وحزمة اهتزاز واحدة أيضاً. فإذا كانت الجزيئة متناظرة كأن تكون N2 فإن طيفها لا يظهر في مطيافية الأشعة تحت الحمراء ولكنه يظهر في مطيافية رامان. أما الجزيئات غير المتناظرة مثل CO فإنها تظهر طيفاً في هذه المطيافية. أما الجزيئات التي تحتوي على أكثر من ذرتين فإنها تمتلك أطيافاً معقدة نظراً لوجود الكثير من الاهتزازات فيها، وهذا يعني أن الجزيئات الكبيرة لها قمم امتصاص متعددة في مطيافية الأشعة تحت الحمراء.
يمكن للذرات في مجموعة2 CH الشائعة في المركبات العضوية، أن تهتز بستة طرق مختلفة: مط متناظر وغير متناظر، انحناء مقصي، انحناء تأرجحي، انحناء التوائي، وانحناء ارتجاجي:
اهتزاز متناظر اهتزاز غير متناظر اهتزاز مقصي

اهتزاز تأرجحي اهتزاز ارتجاجي اهتزاز التوائي


يرمز للاهتزازات الامتطاطية بالرمز ? أما الاهتزازات الانحنائية فتأخذ الرمز ?.
طريقة فحص العينات
العينات الغازية
تستعمل خلية بشكل أنبوب أسطواني بطول 10 سم تحتوي على مرايا عاكسة ويكون الأنبوب ذو نوافذ شفافة للأشعة تحت الحمراء تصنع من أملاح بروميد البوتاسيوم و كلوريد الصوديوم ومجهز بمسالك لتفريغ الهواء أثناء القياس. ويمر الشعاع بقوة P0 وينفذ بقوة P ويسجل طيف الامتصاص.
العينات السائلة
يكون التركيز المناسب للقياس % 0.5 - 10 وزناً، ويوضع جزء قليل في خلية الامتصاص والتي سمكها b، ويجب أن يكون سمك الخلية قليلاً لأن ذلك سوف يعطي قمماً حادة ومتباعدة في مخطط الطيف، بنيما تؤدي زيادة سمك الخلية إلى زيادة الامتصاص وتكون قمم متعددة ومتداخلة وغير واضحة.
يمكن تخفيف العينات بمذيب مناسب مثل CCl4 و CHCl3 تستخدم مذيبات خالية من أواصر الهيدروجين التي تتداخل في 3300 cm?1 بينما يكون CCl4 شفافاً عند 1335 - 4000 ويكون CS2 شفافاً عند 625 - 1350.
كذلك لا يستخدم الماء كمذيب، كما لا تقاس العينات التي تحتوي على الماء لأنه يحتوي على أواصر الهيدروجين التي تسبب تداخلاً، إضافة إلى أن خلايا مطياف الأشعة تحت الحمراء مصنوعة من بلورات أملاح العناصر القلوية مثل NaCl و KBr و CsBr وليس الزجاج، وهذه الأملاح شديد التأثر بالماء ويجب أن تبقى جافة.
ولا تستخدم المذيبات القطبية مثل الكحولات في هذه المنطقة لأنها تمتص بقوة في منطقة الأشعة تحت الحمراء فضلاً عن تفاعلها مع هاليدات العناصر القلوية التي تصنع منها خلايا الامتصاص.
العينات الصلبة
توجد ثلاث طرق
القرص
يتم طحن 1-5 ملي غرام من العينة الصلبة مع 5 غرام من KBr أو CsBr في هاون عقيق، ويستعمل قرص شفاف (باستعمال مكبس) خالٍ من الأخداش ويوضع في المطياف للقياس
طريقة العجينة
يتم مزج بضع ملي غرامات من العينة مع عشرة أمثالها من زيت هيدروكاربوني معدني مثل Nujel في هاون عقيق ويؤخذ قليل من الناتح ويوضع على إحدى صفيحتي القياس الملحية ثم توضع عليهما الصفيحة الأخرى.
طريقة الفلم
يتم تحضير فلم للمادة باستعمال مذيب متطاير لها على أقراص خلايا الامتصاص حيث يضاف المحلول قطرة فقطرة ويترك ليجف حتى يتكون فلم رقيق للمادة الصلبة ويقاس بعد ذلك في المطياف