Mundarija Fizik-kimyoviy tadqiqot usullarining umumiy xususiyatlari va klassifikatsiyasi

IQ-spektroskopiya asoslari, tebranish turlari, chastota qiymatiga ta’sir etuvchi omillar. Gidroksil va karbonil guruhi tutgan birikmalarning IQ spektorlari
IQ spektroskopiyaning boshqa optik usullardan asosiy farqi moddalarni har qanday agregat holatda spektrlarini olish mumkinligidir.
Kimyoviy bog‘ bilan bog‘langan atomlarning xarakati xuddi prujina orqali bog‘langan sharlar xarakatiga o‘xshash, ya’ni ularning xarakatini ikki xil xarakat (cho‘ziluvchan va qisqaruvchan) ning bir biriga qo‘shilishidan deb qarash mumkin.
Agar prujina tortib turib, keyin qo‘yib yuborilsa, avvalgi muvozanat holiga kelguncha garmonik tebranish sodir bo‘ladi. Bu tebranish chastotasi quyidagi formula bilan izohlanib, chastota bilan massalar orasidagi bog‘lanishni ifodalovchi Guk qonuni deb yuritiladi.

(1)
F-kuch doimiysi (konstantasi) yoki boshlang‘ich holatga qaytaruvchi kuch.

m_z - ayrim massalarning o‘rtacha miqdori.

(2)
Tebranish molekula xarakatining shakli sifatida kvant nazariyasiga bo‘ysunadi. Bu nazariyaga asosan, tebranma xarakat energiyasi istalgan qiymatga ega emas, balki quyidagi tenglamani qanoatlantirishi kerak:

(3) n=0,1.2,3....

n - tebranish chastotasi
v - istalgan son, nol ham bo‘lishi mumkin yoki tebranish kvant soni.
Ikki atomli molekula tebranish energiyasining pog‘onalarida (rasm) r-ning qiymati atomlar orasidagi bog‘ning uzayishi yoki qisqarishiga bog‘liq, (vertikal chizmalar asosiy o‘tishlar va ularning obertonlari (2v) dir.
Molekula n=0 dan n=1 pog‘onaga o‘tganda nurlanishni yutadi, yutilish chastotasi Bor postulatiga asosan ga teng.

(4) bundan (E₁-E₀)/h=n

Shunday qilib, yutilgan nurlanishning chastotasi xarakteristik tebranish chastotasi n ga teng ekan. Aynan shunday pog‘onaga o‘tish 0 dan n=2 bo‘lganda ham ro‘y beradi, u holda uning chastotasi 2n bo‘ladi: n-asosiy chastota, 2n-oberton chastota hisoblanadi.
Oddiy temperaturada hamma molekulalar asosan quyi tebranish pog‘onasida bo‘ladi. YUtilishdagi tebranish pog‘onasi eng quyi pog‘onadan boshlanib, tebranish energiyasining nol pog‘onasiga to‘g‘ri keladi. SHuning uchun yutilishdagi chastotalar 0 pog‘onadan 1,2.3.... -pog‘onalarga o‘tishni ko‘rsatib, tegishli chastotalar n, 2n, 3n... bilan belgilanadi, ammo tanlash qoidasi mavjud bo‘lib, uning asosida o‘tishlar sonining cheklanganligi yotadi. Tanlash qoidasi tebranish gormonik holatda bo‘lguncha e’tiborga olinib, kvant soni birdan yuqori bo‘lgan o‘tishlarga ruxsat bermaydi. SHunday qilib, 0®1 ga o‘tish asosiy hisoblanib, unga tegishli bo‘lgan chastotalar xarakteristik chastotalar (masalan, S=O, S=S, C=N va boshqa guruxlarning asosiy tebranish chastotalari) hisoblanadi.
Ayrim hollarda spektrlarda kuchsiz yutilishdagi oberton chastota (2n) hosil bo‘ladi, obertonning intensivligi asosiy chastotaning intensivligining 1% yoki 10% ni tashkil etishi mumkin.
Ko‘p atomli molekulalarning tebranishi ikki atomlikka nisbatan murakkab bo‘ladi va spektrda birqancha yutilish chastotalarini namoyon qiladi. Molekula atomlardan tashkil topgani uchun, har qanday erkin zarracha bo‘shliqda uch o‘lchovli bo‘lishi uchun uning erkin tebranish darajasi 3N qiymatda bo‘ladi. Agar molekula chiziqli tuzilishga ega bo‘lsa tebranishlar soni 3N-6 ga, xalqali ko‘rinishda bo‘lsa 3N-5 ga teng bo‘ladi.
Molekula tebranishi natijasida kimyoviy bog‘larning uzunligi o‘zgarsa va bu bog‘lar orasidagi burchak kam o‘zgarsa, bunday tebranish turlariga valent tebranishlar deb aytiladi va n (nyu) harfi bilan belgilanadi.
Tebranish natijasida valent bog‘lar orasidagi burchak o‘zgarib, bu bog‘lar uzunligi o‘zgarmasa, bunday tebranish turlari deformatsiyali tebranish bo‘lib uni d (delta) harfi bilan belgilanadi. Valent tebranishlar simmetrik (n_s) va assimmetrik (n_as) turlariga bo‘linadi va sim. tebranish natijasida kimyoviy bog‘lar uzunligi uzayadi, assim. tebranishda qisqarish holati kuzatiladi. Masalan, suv molekulasi - u chiziqli tuzilishga ega bo‘lganligi uchun, tebranish chastotasi soni 3N-6=3. 3-6=9-6=3 ta bo‘ladi.
Demak, ko‘p atomli molekulalarning IQ spektri qoidasini quyidagicha izohlash mumkin: yutilish natijasida hosil bo‘lgan tebranish sonini, ya’ni spektrdagi chastotalarning qiymatlari va shaklini e’tiborga olib valent va deformatsiyali chastotalarni aniqlash mumkin, bu ishlarni amalga oshirishda olingan spektrlarni shunga o‘xshash bo‘lgan moddalarning ma’lum bo‘lgan spektrlari bilan taqqoslash kerak.
IQ spektrdagi 650-1300 sm^-1 sohani tekshirilayotgan moddaning “barmoq izi” sohasi deb yuritiladi. Molekulaga qandaydir ozgina o‘zgartirishlar kiritilganda bu sohada ko‘rinadigan chastotalarning soni va qiymatlari keskin o‘zgaradi.
1500-1800 sm^-1 - funksional guruxlarning yutilish sohasiga kiradi va 3000-3600 sm^-1 ikki atomli OH, NH, NH₂ guruxlarning yutilish sohasi hisoblanadi.
Har bir molekula kristallik holatida shu turdagi molekulalar bilan o‘ralgan bo‘lib, bularning hammasi ma’lum tartibda joylashgan bo‘ladi. SHuning uchun qutbli guruxlar orasida vodorod bog‘lari mavjud bo‘lsa, ma’lum tashqi ta’sir ostida shu guruxlarga tegishli bo‘lgan chastotalar qiymati o‘zgarishi mumkin. Kattiq moddalarning IQ spektri yutilish chastotalari aniq, bir-biridan yaxshi ajralgan holda namoyon bo‘ladi, bu ayniqsa yuqori molekulali atsiklik birikmalarda (masalan, stearin kislotasi) yaqqol kuzatiladi. Moddalar spektri eritma holatida olinsa ayrim hollarda ajralib chiqqan aniq chastotalar o‘rniga keng shakldagi chastotalar hosil bo‘ladi, bu holat moddalar eritmada turli xil konformerlar holatida ekanligini ko‘rsatadi. Moddaning tuzilishi xalqaga ega bo‘lsa bunday moddaning qattiq yoki eritma holatidagi spektri bir xil chastotalar hosil qiladi.
Suyuqliklarda yoki suyultirilgan birikmalarda molekulalar tartibsizroq tuzilishga ega bo‘lsa ham ularda molekulalararo bog‘ mavjudligi ma’lum.

Vodorod bog‘larining mavjudligini aniqlaydigan fizikaviy usullardan biri IQ spektroskopiyasi hisoblanadi. Vodorod bog‘lari borligini aniqlashni birinchi bo‘lib U.Liddel va O.Vul’flar (1933-1935 yil) ishlab chiqishgan.

IQ spektrlarini olishda uglerod tetraxlorid, xloroform, serouglerod va tetraxloretilenlar spektr olish uchun qulay erituvchilar hisoblanadi, ammo erituvchining qutbsiz bo‘lgani maqsadga muvofiq, chunki qutbli erituvchilar bilan molekuladagi ayrim guruxlar assotsiat hosil qilishi mumkin, buning natijasida ayrim guruxlarning chastota qiymati o‘zgaradi
Karbon kislotalarning qutbsiz erituvchidagi juda suyultirilgan eritmasida dimer bilan monomer holatlari o‘rtasida muvozanat bo‘ladi.

Oddiy molekulalarda asosiy chastota atomlarning massalari va bog‘larning kuchlanish konstantasi (E) bilan belgilanadi. Guk qonuni >X-N turidagi guruxlarning valent tebranishiga ham tegishlidir, agarda bunday birikmalarda atom massasi o‘zgarsa, chastota ham o‘zgaradi. Masalan, quyidagi birikmalarda ON va S-D (izotop) larning chastotalari turlicha bo‘ladi.

Cl-CH2-CºC-H		Cl-CH2-CºC-D
^nS-N=3314 sm^-1		^nS-D=2604 sm^-1

Agar birhil turdagi guruxlar bir-biri bilan o‘zaro bog‘langan bo‘lsa, bularning bir-biriga ta’siri spektrda juda ham yaxshi ko‘rinadi. S=S ning valent tebranishi chastotasi 1650 sm^-1 da namoyon bo‘ladi, ammo bu bog‘lar bir-biri bilan ketma-ket bog‘lansa, ular sim. va assim. valent tebranishlariga ega bo‘ladi.

n^s=1050 sm^-1	n^as=1950 sm^-1

Sim. o‘rin almashgan dienlar va angidridlar ham taxminan 40-60 sm^-1 farq qiladigan ikkita tebranish chastotalarini namoyon qiladilar. X-N guruxlarining (X=F,O,N,C, va boshqalar) valent tebranish chastotalarining har hil bo‘lishi X atomining elektromanfiyligiga bog‘liq, (J-induktiv ta’sir). Induktiv ta’sir - ayniqsa o‘rinbosarlari bo‘lgan benzol hosilalarida yaqqol namoyon bo‘ladi. X-atomi yo elektronni tortishi yoki o‘zidan elektron berishi ham ahamiyatga ega. Quyidagi A va V molekulalarda n_SºS chastotaning intensivligini o‘zgarishi bir halqadan ikkinchi halqaga elektronlarning berilishi bilan bog‘liq, ammo chastota qiymati o‘zgarmay qoladi.

Xromofor guruxlarning chastota qiymatlari ularning elektron beruvchi yoki elektronlarni o‘ziga tortuvchi atomlar bilan bog‘langaniga ham bog‘liq. Karbonil guruxidan elektronlarni tortuvchi atom bo‘lsa karbonil guruxining xarakteristik chastota qiymati katta sohada namoyon bo‘ladi, aksincha atom o‘zidan elektron berib karbonil guruxidagi elektronlar bulutining hajmini oshirsa, karbonil guruxi kichik qiymatli chastota hosil qiladi.

Xromofor guruxlarning chastota qiymatiga ularning qo‘sh bog‘ bilan bog‘langanligi ham ta’sir etadi, ya’ni qo‘sh bog‘ning mavjudligi xromofor guruxning qiymatini kamaytiradi.

IQ spektroskopiyadan amaliyotda kerakli ma’lumotlarni olish uchun ayrim organik moddalar sinflariga tegishli spektroskopik qiymatlarni bilish va ular orasida modda tuzilishi bilan bog‘liq muammolarni hal etish yo‘llarini bilish kerak.

OH guruxi tutgan birikmalar uchun eng asosiy tebranish chastotalari OH guruxining valent va deformatsiyali tebranish chastotalari kiradi.
1 atomli spirtlarda OH guruxining  tebranishi spektrda ko‘pincha keng shaklda, juda suyuq eritmalarda esa OH guruxining chastotasi aniq va ingichka shaklda namoyon bo‘ladi. Ozod OH guruxlarning aniq chastotasini olish uchun ularning spektrini qutbsiz erituvchi olish kerak, bu sharoitda 3636-3610sm^-1 sohada, yutilish chizig‘i namoyon bo‘ladi, bu qiymat spirtning tuzilishiga ham bog‘liq.
Ko‘p atomli spirtlarda molekulalararo H bog‘idan tashqari, molekula ichida ham H bog‘i mavjud. Bu H bog‘ining energiyasi molekulalararo H bog‘ining energiyasidan ancha katta bo‘lgani uchun namunani juda suyultirganda ham uzilmaydi.

A - molekulalararo H bog‘i; B- molekula ichidagi H bog‘i.

Bu ikki (mol.aro va mol.ichra) H bog‘ining borligini bilish uchun o‘rganiladigan moddaning spektri asosan qutbsiz erituvchilar (SSl₄, CS₂) ishlatib 3000-3650 sm^-1 sohada o‘rganiladi. Bundan tashqari, OH guruxining  tebranish chastotalari sohasida boshqa guruxlar (S-O-S, SO) ham yutilish chastotasi hosil qiladi.

To‘yingan xalqali birikmalar tarkibidagi OH guruxi xalqada aksial yoki ekvatorial holatda joylashishi mumkin. Buni tajribada olingan ma’lumotlar asosida quyidagicha ko‘rsatish mumkin.
Bunday tuzilishga ega bo‘lgan spirtlarning eritma holatidagi spektrini o‘rganib olingan ma’lumotlar asosida konformerlar miqdorini ham aniqlash mumkin.