Толщина поглощающего слоя.
На выбор толщины кюветы может влиять количествоимеющегося в распоряжении образца или его растворимость. Очень тонкие кюветы (<0,05 мм) трудно изготавливать, заполнять и опорожнять, а в кюветах толщиной более 0,2 мм поглощение растворителя может оказаться слишком сильным. Удобными для работы являются кюветы толщиной 0,1 мм. В специальных случаях для анализа следовых количеств в узких областях высокой прозрачности растворителя могут использоваться кюветы с толщиной поглощающего слоядо 1 см. Перед приготовлением образца с большой толщиной поглощающего слоя, необходимо проверить, пропускание растворителя и убедиться в его чистоте.
Проверка кюветы
В процессе длительного использования окна жидкостной кюветы могут
помутнеть или загрязниться. О состоянии окон не всегда можно судить по их внешнему виду, поэтому необходимо контролировать чистоту окошек и кювет, записывая их спектры. Регулярная проверка спектра кюветы может сберечь спектроскописту много бесплодных часов на попытки идентифицировать ложные полосы.
Определение толщины кювет основано на том, что в спектре пустой чистой кюветы с плоско - параллельными окнами наблюдаются регулярные максимумы и минимумы, обусловленные интерференцией. Расстояние между окнами t (см) вычисляют по формуле:
где н1 и н2 волновые числа в см-1, а n число максимумов между ними (нумерация начинается с 0).
Водные растворы.
Из-за очень сильного поглощения жидкой воды в ИК области, применение водных растворов ограничено такими специальными областями, как биологические исследования. Использование жидкостных кювет толщиной менее 10 мкм из водостойких материалов - Ge, Si, ZnSe позволяет проводить исследования в значительной части области «отпечатков пальцев». Так как при дейтерировании частоты колебаний смещаются в область низких волновых чисел, то иногда в качестве растворителя используют тяжёлую воду.
4.2 Твердые вещества
Сложности приготовления образцов твердых веществ, которые нерастворимы в обычных растворителях для ИК-спектроскопии, чаще всего возникают при их растирании мелкодисперсных порошков, образуюших суспензии (взвеси - mulls) в вазелиновом масле или КВr. В обоих случаях цель состоит в создании однородного распределения частиц в луче, снижении рассеяния и в улучшении пропускания света взвешенными частицами в среде, имеющей близкий с образцом показатель преломления (иммерсия).
Суспензии в вазелиновом масле. Вазелиновое масло (nujol) широко применяется для приготовления суспензий, но его недостатком является сильное поглощение в области валентных (2800-3000 см-1) и деформационных (1350-1500 см-1) колебаний СН-связей. Это затруднение можно преодолеть, используя хлорированные или фторированные углеводороды.
4.3 Газы
В простейших случаях особых проблем при подготовке газообразных проб не возникает. В случае агрессивных газов и паров для изготовления кюветы следует использовать специальныематериалы. В качестве окон можно использовать листовой полиэтилен. Прокладки лучшеиспользовать из таких инертных материалов, как витон или тефлон, поскольку другие материалымогут загрязнять образцы из-за адсорбции и десорбции.
Для уменьшения влияния уширения полос за счет соударений давление в кюветах обычнодоводят до атмосферного, сухим азотом. Такая процедура увеличивает чувствительность кследовым количествам составных частей, а также позволяет проводить количественные измерения.
В тех случаях, когда требуется высокая чувствительность, как, например, при исследованияхзагрязнений атмосферы, очень полезны многоходовые газовые кюветы с большой длинойоптического пути. Промышленность выпускает газовые кюветы с длиной оптического пути до 120м, а в литературе есть сообщения о специальных кюветах с общей длиной пути до 1 км, чтопозволило достичь чувствительности 0,1 - 1 частей на миллиард. Следовые количества вредных иядовитых паров, содержащихся в атмосфере, можно адсорбировать на древесном угле в адсорбционных трубках, а затем элюировать растворителем для идентификации по ИК-спектру. Охлаждение угля до температуры жидкого азота повышает эффективность определения до 80 -100%.
5. Ход работы
1. Приготовить запрессовки целлюлозы после варки и после отбелки: просеять целлюлозу ровным плотным слоем (с расчетом 1 мг/см2) на один из пуансонов, другим - плотно прижать.
2. Установить запрессовку в отсеке для измерения проб, измерить спектр целлюлозы в диапазоне 4000 - 400 см-1-с шагом 4 см-1.
3. Произвести отнесение полос в спектре целлюлозы к поглощению конкретных функциональных групп, сравнить результаты исследования спектров двух образцов. Сделать выводы о степени окисленности целлюлозы.
Рисунок 2. График полос поглощения в ИК-спектрах целлюлозы
Полученные данные:
3400-3360 - валентные колебания OH, включенных в водородную связь различной интенсивности.
2800 - валентные симметричные колебания CH2
2540 - 2048 - валентные колебания группы OD
1637 - поглощение, обусловленное адсорбированной влагой
1429 - деформационные «ножничные» колебания CH2
1367-1371 - деформационные колебания CH
1282-1201 - деформационные «ножничные» колебания C-H
1157 - валентные колебания C-Oи C-C
1051 - деформационные колебания O-H
898-валентные колебания C-O в амфорных областях
665 - деформационные внеплоскостные колебания O-H
560 - полоса характерная для целлюлозы в структурной модификации
5.1 Обсуждение результатов
Инфракрасное излучение ? часть электромагнитного излучения, занимающего спектральную область между красным концом видимого цвета (л=0,74мкм) имикроволновым излучением (л=1-2мм) Для структурного анализа органических веществ инфракрасные спектры обычно регистрируются в интервале частот 4000 ? 400 см-1(длины волн от 2.5 до 20 мкм). При записи спектра на оси абсцисс откладывается в линейной шкале значение волновых чисел в см-1или мкм, на оси ординат - величина пропускания Т (в%). Поглощением в инфракрасной области обладают молекулы, дипольные моменты которых изменяются при возбуждении колебательных движений ядер. Колебательные движения ядер, приводящие к изменению длины связи, называются валентными колебаниями (обозначаются н).
Энергия деформационных колебаний значительно меньше энергии валентных колебаний, и деформационные колебания наблюдаются при больших длинах волн (низких волновых числах). Частота валентных колебаний связана с прочностью соответствующих связей. Тройные связи (поглощение при 2300 ? 2000 см-1) прочнее двойных (поглощение при 1900 ?1500 см-1), которые, в свою очередь, прочнее одинарных (связи С-С, С-N, СО поглощают при 1300 ? 800 см-1). Коэффициент мольной экстинкции (интенсивность поглощения) в ИК-спектроскопии принимает значение от 0 до 200. Его величина пропорциональна квадрату изменения дипольного момента молекулы, вызываемого данным колебанием. Наиболее интенсивными в ИК-спектре являются пики, отвечающие валентным колебаниям. Интенсивности полос 2 спектров ИК по степени пропускания разделяют на сильные, средние, слабые и обозначают, как: с. - сильная ср. - средняя сл. - слабая
Применение инфракрасных спектров для исследования строения основано, главным образом, на использовании характеристических полос поглощения (полосы, связанные с н или колебаниями связей типичных функциональных групп в молекулах). Такими характеристическими полосами поглощения обладают группы ОН, NH2, NО2, C=О, C=N- и др. Идентификация исследуемого вещества может быть проведена путем сопоставления ИК-спектра исследуемого вещества с аналогичным спектром его стандартного образца или с его стандартным спектром. Наиболее важные и надежно интерпретируемые характеристические полосы поглощения располагаются в коротковолновой (высокочастотной) области частот основных колебаний молекул от 4000 до 1500 см-1 (от 2.5 до 7 мкм). Эта область имеет первостепенное значение для структурного анализа. Для низкочастотного интервала 1350 ? 400 см-1 характерен специфический набор полос, который называют областью «отпечатков пальцев». Полное совпадение полос поглощения в ИК-спектрах двух веществ свидетельствует об их идентичности. Подготовка образцов для снятия ИК-спектров. Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и твердых веществ. Для измерения спектров газообразных веществ используют специальные газовые 3 кюветы. Подготовку образцов к снятию инфракрасных спектров проводят по следующим методикам
Методом ИК-Фурье спектроскопии выявлено, что в спектрах исследуемого образца содержатся основные функциональные группы (3700-3000, 3000 - 2800, 1645-1640, 1400-1300, 1200-1000, 900 - 500 см-1), характерные для целлюлозы. Методом ИК-Фурье спектроскопии выявлено, что на основе нитроцеллюлозы содержатся полосы поглощения (2558-2556, 1662-1660, 1642-1639, 1279-1277, 825-816, 746, 680 см-1), отвечающие за колебания нитрогрупп и позволяющие идентифицировать полученные продукты как азотнокислые эфиры целлюлозы. Также установлено, что основным полосам поглощения образцы нитроцеллюлозы соответствуют промышленному коллоксилину «Н».
1. Шипина О.Т. ИК-спектроскопческие исследования целлюлозы, научная статья «Химической науки» / О.Т. Шипина, М.Р. Гараева, А.А. Александров. - Казань 2015. - 5 с. URL:https://cyberleninka.ru/article/n/ik-spektroskopcheskie-issledovaniya-tsellyulozy-iz-travyanistyh-rasteniy (дата обращения 22.04.2022).
2. Методы исследования древесины и ее производных/ Н.Г. Базарнова, Е.В. Карпова, И.Б. Катраков, (дата обращения 22.04.2022)
3. Иванова, Н.В. Математическая обработка ИК спектра целлюлозы / Н.В. Иванова [и др.] // Журнал прикладной спектроскопии. - 1989. - №2. - С. 301-306.
4. Белл Р.Дж. Введение в Фурье - спектроскопию, /Р.Дж. Белл, Москва: Мир - 1975. - 157 с.
5. Смит А., Прикладная ИК спектроскопия/ А. Смит, Москва: Мир - 1982. - 58 с.