مطيافية الأشعة تحت الحمراء

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
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 تحديد المجاميع الفعالة في المركبات قيد الدراسة. ويمكن الاطلاع على جدول الارتباط لمطيافية الأشعة تحت الحمراء.

ويدرس علم الأطياف ما تحت الحمراء تفاعل المادة نتيجة الأشعة تحت الحمراء. تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية ذات طول الموجة بين الحدود المرئية للضوء وهي بحدود 800 نانومتر حتى أقصر الموجات الدقيقة حوالي 1 ميليمتر. تستخدم عادة واحدة رقم الموجات (التذبذبات في السنتمتر، تقرأ بمقلوب السنتمتر)، وهذا يساوي 12500 – 10 cm−1ا.[1]

النظرية[عدل]

لكي تكون الجزيئة فعالة في مطيافية الأشعة تحت الحمراء، بمعنى أنها تعطي طيفاً في هذه المنطقة، يجب أن تمتلك الجزيئة عزم ثنائي قطب. وعند تسليط الأشعة تحت الحمراء على الجزيئة الفعالة في هذه المطيافية سوف يحصل تداخل بين المجال الكهربائي لتردد معين من الأشعة المارة مع المجال الكهربائي المتولد عن عزم ثنائي قطب للآصرة. ويكون هذان المجالان متكافئين تماماً.

وفي هذه اللحضة يحصل امتصاص طاقي ينقل الآصرة من مستوى اهتزازي واطئ إلى مستوى اهتزازي أعلى. وعند فقدان الطاقة ورجوع الآصرة إلى مستوى اهتزازها الأصلي يحصل انبعاث ينتج عنه إشارة كهربائية تجس من قبل الكاشف، وتسجل من قبل المسجل على ورق بياني تمثل صورة طيف الأشعة تحت الحمراء.

ويمكن حساب مقدار التردد الممتص من قبل الأواصر أو المجاميع الكيميائية باستخدام القانون:

\nu = \frac{1}{2 \pi c} \sqrt{\frac{k}{\mu}}

حيث:

\nu : التردد الاهتزازي (التردد اللازم لاهتزاز الآصرة المعنية).

c: سرعة الضوء في الفراغ.

π: النسبة الثابتة.

K: ثابت قوة الآصرة.

μ: الكتلة المختزلة وتساوي:

\mu = \frac{m_A m_B}{m_A + m_B}

ويمكن للجزيئة أن تهتز بأشكال مختلفة وكل طريقة تسمى بنمط الاهتزاز، وللجزيئات التي تحتوي على N من الذرات، فإن الجزيئات الخطية تمتلك 3N - 5 درجات من أنماط الاهتزاز، بينما تمتلك الجزيئات غير الخطية 3N - 6 درجات من أنماط الاهتزاز (وتسمى أيضاً درجات الحرية). فعلى سبيل المثال فإن جزيئة الماء H2O جزيئة غير خطية تمتلك 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 مجموعة CH2 الشائعة في المركبات العضوية، أن تهتز بستة طرق مختلفة: مط متناظر وغير متناظر، انحناء مقصي، انحناء تأرجحي، انحناء التوائي، وانحناء ارتجاجي:

مط متناظر مط غير متناظر انحناء مقصي
Symmetrical stretching.gif Asymmetrical stretching.gif Scissoring.gif
انحناء تأرجحي انحناء ارتجاجي انحناء التوائي
Modo rotacao.gif Wagging.gif Twisting.gif

يرمز للاهتزازات الامتطاطية بالرمز ν أما الاهتزازات الانحنائية فتأخذ الرمز δ.

طريقة فحص العينات[عدل]

العينات الغازية[عدل]

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[عدل]

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[عدل]

يتم تهيئة العينات الصلبة بثلاث طرق هي:

طريقة القرص[عدل]

يتم طحن 1-5 ملي غرام من العنة الصلبة مع 5 غرام من KBr أو CsBr في هاون عقيق، ويستعمل قرص شفاف (باستعمال مكبس) خالٍ من الكسور ويوضع في المطياف للقياس.

طريقة العجينة[عدل]

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[عدل]

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.

الاستخدامات والتطبيقات[عدل]

تستخدم مطيافية الأشعة تحت الحمراء بشكل واسع في الأبحاث والصناعة كوسيلة بسيطة وموثوقة وفعالة للقياس، وضبط الجودة. فهي تستخدم بشكل خاص في التحليل الجنائي في القضايا المدنية وقضايا الجرائم، حيث تمكن من تحديد تحلل البوليمر على سبيل المثال. وقد تعتبر أكثر الطرق استخدامًا في المطيافية التطبيقية.

أصبحت أدوات المطيافية الآن صغيرة، ويمكن نقلها، واستخدامها في التجارب الميدانية. ومع زيادة التقدم في مجال تقنية الحاسوب ومعالجة النتائج، يمكن قياس العينات في المحاليل بدقة (يبدي الماء امتصاصية واسعة النطاق ضمن مجال الاهتمام، وبالتالي يجعل الأطياف غير مقروءة دون معالجتها باستخدام الحاسوب). بعض الأدوات تخبرنا تلقائيًا عن ماهية المادة المقاسة من خلال مقارنتها مع آلاف الأطياف المرجعية المخزنة.

يمكن قياس درجة التبلمر في صناعة البوليمر وذلك بقياس التغيرات في طبيعة أو كمية روابط معينة عند تردد معين على مر الزمن.

يمكن لأدوات البحث الحديثة قياس الأشعة تحت الحمراء عبر مجال اهتمام واسع بتكرار 32 مرة في الثانية. ويمكن أن يتم ذلك في وقت واحد أثناء القياس باستخدام تقنيات أخرى، وهذا يجعل من مراقبة التفاعلات الكيميائية والعمليات أسرع وأكثر دقة.

استخدمت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بنجاح كبير في كل من الكيمياء العضوية وغير العضوية. كما استخدمت أيضًا بنجاح في مجال الالكترونيات الدقيقة لأشباه الموصلات[2]: على سبيل المثال، يمكن تطبيق مطيافية الأشعة تحت الحمراء على أشباه الموصلات مثل السليكون، وزرنيخيد غاليوم ثلاثي، ونتريد غاليوم ثلاثي، وسيلينيد الزنك، والسليكون غير المتبلور، ونتريد السليكون، الخ.

التحليل النوعي[عدل]

يوجد ارتباط وثيق بين قمم الامتصاص الاهتزاي وتركيب المجاميع الوظيفية المسؤولة عن هذا الامتصاص، ومنه يمكن الاستدلال على وجود هذه المجاميع في المركب حيث أن لكل من هذه المجاميع حزم امتصاص أو ترددات معينة تدل عليها ويتم تشخيص المركب العضوي بالاعتماد على منطقتين متميزتين في طيف المادة هما منطقة ترددات المجاميع ومنطقة بصمة الأصابع.

منطقة المجاميع الفعالة[عدل]

تقع عند الطول الموجي 2.5 - 8 مايكرومتر أي العدد الموجي cm−1 1450 - 4000 ويكون الامتصاص ناتجاً عن مجاميع تتكون من ذرتين فقط وليس امتصاص الجزيئة ككل. وهذه الاهتزازات تكون من النوع الامتطاطي وتستخدم للكشف عن هذه المجاميع، ويمكن أن يتأثر موقع المجموعة الواحدة في هذه المنطقة حسب موقع المجموعة أو المجاميع المجاورة لها وكذلك العوامل الفراغية.

منطقة طبع الأصابع[عدل]

تقع عند الطول الموجي 15 - 8 مايكرومتر أي العدد الموجي 650 – 1500 cm−1 وهي اهتزازات انحنائية ويكون الامتصاص الناتج عن اهتزاز الجزيئة ككل، وتستخدم هذه المنطقة لإثبات هوية الجزيئة أو المركب كلياً.

ملخص ذرى الامتصاص لروابط الجزيئات العضوية[عدل]

IR summary version 2.gif

رقم الموجة (Wavenumber) مدرج في cm−1.

المراجع[عدل]

  1. ^ McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology, 10th Edition, Volume 9 (I-LEV),page.190
  2. ^ Lau، W.S. (1999). Infrared characterization for microelectronics. World Scientific. 

اقرأ أيضا[عدل]