ские уровни молекул

Полная энергия молекул равна сумме кинетической (поступательной), вращательной, колебательной и электронной энергии. Энергетические уровни, соответствующие вращательной, колебательной и электронной энергии, всегда дискретны. Световые кванты с длиной волны 0,2^-20 мм (50—0,5 см-1, с частотами от 1,5-1012 до 1,5-1010 с"1)» несущие Энергию 0,6—0.006 кЯж-ЭЙНШтейЧ-1 nn^fivwnflWYr мппртепи ПРПР

при комнатной температуре l-z-kbT или 3,7 кДж-моль-1 при 25°С).

водя их с исходного вращательного энергетического уровня на другой, более высокий. В соответствующих этим энергиям далекой инфракрасной или микроволновой областях спектры поглощения часто состоят из серий близко расположенных линий. Например, вращательный спектр газообразной НС1 представляет собой серию линий, отстоящих одна от другой на 20,7 см-1, начиная от указанного волнового числа и кончая 186 см~[ (54 мкм). Отметим, что энергия соответствующих квантов намного ниже энергии активации обычных химических реакций и ниже средней энергии поступательного движения молекул в растворе

Тем не менее эти значения энергии намного превышают энергию ядерных переходов в спектрах ЯМР (гл. 2, разд. 3,7). Сравните, например, частоту 100 МГц (108 с-1), использующуюся в ЯМР-спектроскопии, с частотами 1010—1012 с-1 микроволновых спектров.

Область колебательных энергий простирается от6 до 100 кДж-моль-1, что отвечает частотам --'500—8000 см-1. Соответствующие полосы поглощения находятся в инфракрасной области. Энергия возбуждения электронных уровней лежит в диапазоне 120—1200 кДж-моль-1, характерные частоты составляют 10 000—100 000 см"1 (длины волн 1000— 100 нм), а спектры находятся в видимой и ультрафиолетовой областях.

3. Инфракрасные спектры

Поглощение в ближней инфракрасной области определяется переходом молекулы с одного колебательного уровня на другой. Типичной частотой является частота, соответствующая максимуму полосы поглощения «амид А» — 3300 см-1 (длина волны 3,0 мкм), что отвечает примерно 1014 с-1. Анализ инфракрасных спектров обычно начинается с рассмотрения валентных колебаний двухатомной молекулы. Представим, что два ядра молекулы соединены пружинкой. Колебательную энергию такой молекулы можно рассматривать как энергию гармонического осциллятора. Согласно квантовомеханическому подходу, энергия осциллятора принимает только дискретные значения, а соответствующие энергетические уровни располагаются на одинаковом расстоянии друг от друга, равном hv, где v — частота кванта света, поглощение которого повышает энергию до значения, соответствующего следующему энергетическому уровню. В основном (невозбужденном) состоянии молекула уже обладает «энергией нулевых колебаний», равной половине энергии, необходимой для перехода на следующий уровень.

Гармонический осциллятор служит удобной моделью для описания поведения молекул, находящихся только на нижних колебательных уровнях; в состояниях с более высокой энергией наблюдаются существенные отклонения от модели. На нижних энергетических уровнях изменение расстояния между центрами атомов в ходе колебаний составляет ±10%, с повышением же энергии это расстояние увеличивается и движение становится ангармоническим. Энергетические состояния молекул часто изображают в виде кривых Морза, представляющих собой зависимость энергии от расстояния между ядрами (рис. 13-2). Когда это расстояние становится слишком малым, энергия резко возрастает. По мере растяжения связи наступает момент, когда дальнейшее небольшое увеличение энергии приводит к разрыву связи и к распаду двухатомной молекулы на атомы (или более сложной молекулы на фрагменты). Колебательные энергетические уровни изображают в виде горизонтальных линий, проведенных на соответствующих высотах на

f

Поскольку каждому колебательному энергетическому уровню соответствует множество вращательных подуровней, инфракрасные спектры

представляют собой набор полос поглощения, что обусловлено одновременным изменением колебательной и вращательной энергии молекул. Таким образом, вместо отдельных линий, отвечающих переходам

между колебательными уровнями, наблюдаются серии резких близко

расположенных линий. Примером такого рода служит полоса поглощения, соответствующая валентному колебанию связи

Н—О в газообразном НС1 с

максимумом 2886 см-1

(3,46 мкм): на самом деле она представляет собой набор почти равноотстоящих линий, расположенных по обе стороны от указанной основной частоты в интервале от ~2600 до ~3100 см-1. Расстояние между соседними линиями равно ~21 см-1, что соответствует вращательной частоте, находящейся в микроволновой области шкалы электромагнитных волн (Герцберг [8], стр. 55). При снятии спектра с низким разрешением наблюдается одна широкая полоса1).

Расшифровка инфракрасных спектров двухатомных молекул не составляет особого труда, но полосы поглощения более сложных соединений уже не удается отнести к колебаниям определенных химических связей. В этом случае говорят об основных (нормальных) колебаниях молекулы. Основными называю