Infračervená spektroskopie

Infračervená spektrometrie zkoumá absorpci infračerveného záření molekulami vzorku. Poskytuje informace o přítomných funkčních skupinách a o molekulové struktuře látky a slouží i k jejímu kvantitativnímu stanovení.
V infračervené oblasti je aktivní většina molekul, přičemž absorpční spektrum je pro látku tak charakteristické, že prakticky nelze najít dvě různé látky se stejným spektrem. Výjimku tvoří optické izomery a některé vysokomolekulární izomery s blízkou molekulovou hmotností. V této oblasti nejsou aktivní monoatomické plyny a homonukleární biatomické molekuly, například He, Ne, O₂, N₂ a H₂.

Infračervená část spektra se dělí na tři oblasti:

blízkou – vlnočet od 12 500 do 4 000 cm^-1 vlnová délka od 0,8 až 2,5 m

střední – v rozsahu 4 000 do 400 cm^-1 od 2,5 až 25 m

vzdálenou – od 400 do 10 cm^-1 od 25 až 1 000 m

Při absorpci elektromagnetického záření v infračervené oblasti spektra nastává změna vibračních a rotačních stavů molekuly. Při interakci molekuly s infračerveným zářením se zvětší amplituda vibrací atomů, což je doprovázeno také změnou frekvence rotačního pohybu molekuly. Studium rotačních změn je možné provádět v oblasti vlnočtů menších jak 100 cm^-1, pro střední infračervenou oblast jsou dominantní změny vibračních stavů molekuly.

Druhy vibrací polyatomových molekul

Základní vibrace – polohy těžiště molekuly se při vibracích nemění. Dělí se na valenční (označované) a deformační.
Valenční vibrace – jsou spojeny s prodlužováním a zkracováním vzdálenosti mezi atomy beze změny vazebné osy nebo vazebného úhlu. Dvouatomové skupiny (například O-H) mají jednu valenční vibraci, víceatomové skupiny mají symetrickou valenční vibraci s a asymetrickou valenční vibraci as.
Deformační vibrace – souvisí s kontinuální změnou vazebného úhlu. Dělí se na rovinné (ponechává se symbol) a mezirovinné.
Skeletové a kruhové vibrace – jsou vibrace, kterých se účastní celé řetězce v uhlíkové skeletu nebo více vazeb v cyklických sloučeninách. Například skeletové vibrace skupin -CH(CH₃)₂, -C(CH₃)₃ nebo kruhové vibrace epoxidového, furanového nebo pyridinového kruhu.

Infračervené spektrum

Vzniká superpozicí absorpčních pásů náležících vibracím dvojic atomů, skupin atomů nebo celé molekuly. Znázorňuje závislost absorbance A nebo transmitance T na vlnočtu nebo vlnové délce .

V infračerveném spektru se rozlišují dvě oblasti:

oblast skupinových vibrací mezi 4 000 až 1 400 cm^-1

oblast "otisku palce" pod 1 400 cm^-1, kde se nacházejí deformační a skeletové vibrace, které jsou charakteristické pro molekulu jednotlivé chemické sloučeniny.

Metodika přípravy vzorků

V infračervené spektrometrii můžeme zkoumat vzorky v plynném, kapalném a tuhém skupenství.

Při analýze plynů se obvykle používá válcová kyveta se dvěma kohouty o délce 10 cm. Evakuovaná kyveta se plní zkoumaným plynem na tlak řádově 104 Pa.
Kapaliny jsou analyzovány buď v čisté formě nebo ve formě roztoků. Čisté kapaliny se měří na velmi tenké vrstvě. Analýza roztoků probíhá v kyvetách s délkou dráhy <br/>0,1 až 1 mm. Pro běžná měření bývá koncentrace vzorku okolo 5 %, což odpovídá 1 až 10 mg látky. Rozpouštědlo musí mít dostatečnou optickou propustnost ve studovaném vlnovém rozsahu, nemá výrazně ovlivňovat tvar spektra rozpuštěné látky, nesmí reagovat se vzorkem, má dobře rozpouštět vzorky a také nesmí narušovat materiál okének. Obvykle se jako rozpouštědla používá tetrachlormethan, chloroform a sirouhlík.
Analýzu tuhých látek je možno provádět třemi způsoby

I. Emulzní technikou, která je založena na přípravě emulze tuhé látky s parafinovým olejem. Získaná emulze se nanáší na solné okénko. Tato technika neumožňuje homogenní rozložení vzorku, proto se nedá použít při kvantitativním stanovení.

II. KBr technika spočívá v lisování směsi jemně rozetřené analyzované látky s KBr. Slisováním suché směsi tlakem cca 500 MPa v lisovací formě vznikají průhledné tablety, které se vkládají do držáku v kyvetovém prostoru spektrometru. Místo KBr se dá použít i KCl (pro měření ve vzdálené infračervené oblasti je výhodný CsI nebo CsBr).

III. Filmová technika je založena na vyloučení tuhého filmu vzorku dokonalým odpařením rozpouštědla nebo ochlazením taveniny. Používá se jen tehdy, když vzniká mikrokrystalická nebo sklovitá fáze. Výhodná je i v případech, pokud se pro vzorek nedá najít rozpouštědlo s vlastnostmi vhodnými pro infračervenou spektrometrii.

Literatura
Kalous V. a kol.: Metody chemického výzkumu, SNTL/Alfa, Praha 1987
Čáhrt M., Krupčík J., Mocák J., Polonský J., Síleš B.: Praktikum z analytickej chémie, Alfa, Bratislava 1989