FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

소개

IR의 작동 원리를 이해하고 solid 및 liquid 형태의 물질에 대한 시료 준비 방법과 그에 대한 실험 결과를 분석하고자 한다.

목차

1. 실험목적
2. 서론
3. 기기의 용도
(1) 정성분석
(2) 적외선 분광 광도법의 정성적인 응용
(3) 정량분석
(4) 적외선 분광법의 정량적인 응용
(5) FT-IR의 장점
(6) FT-IR의 단점
4. 이론
(1) 분자의 진동 방식
(2) 결합성질과 흡수 경향
(3) 신축 및 굽힘 방식
(4) 적외선 분광기
(5) 퓨리에 변환 분광기(FT spectrometer)
(6) FT-IR의 원리
(7) 적외선
(8) 적외선 스펙트럼의 이용
5. 실험과정
6. 실험결과 및 분석
7. 토의.
8. Reference

본문내용

(1) 분자의 진동 방식
분자의 진동 방식은 먼저 신축 진동과 굽힘 진동의 두 가지로 나눌 수 있는데 이들은 다시 여러 가지로 세분할 수 있으며, 일반적으로 한 분자가 나타내는 진동 방식은 분자를 구성하고 있는 원자의 수 및 결합 상태에 따른다. 간단한 이원자 분자는 기하학적 결합 각을 가지고 있지 않기 때문에 굽힘 진동은 일어나지 않는다. 따라서, 이원자 분자의 진동 방식은 신축 진동에 의한 것뿐이고, 실제 스펙트럼도 1개만이 나타난다. 그러나 3원자 분자 이상의 다원자 분자일 때에는 이원자 분자의 경우보다 비교적 복잡한 진동 방식을 가진다. 분자의 구조가 x,y,z의 3축으로 이루어진 공간에서 분자의 운동은 진동, 회전 및 병진운동으로 구성된다.
단순한 이원자 및 3원자 분자의 경우 진동수와 종류를 유도하고 이들 진동이 복사선의 흡수를 유발할 것인지의 판단이 가능하다. 복잡한 분자는 수많은 진동이 가능하여 적외선스펙트럼을 분석하기 어렵게 한다.
다원자 분자가 가질 수 있는 가능한 진동수는 다음과 같이 계산할 수 있다. 공간에서 한 점을 나타내는 데는 세 개의 좌표가 필요하다. 따라서 N개의 점을 고정시키기 위해서는 각 점에 대해 세 개 좌표가 필요하여 전체로 3N이 요구된다. 다원자분자에서 각 좌표는 원자 한 개에 대한 자유도 한 개에 해당한다. 이런 이유로 해서 N개의 원자를 포함하는 분자는 3N개의 자유도를 갖는다.
분자운동을 정의함에 있어서 ① 공간에서 전체 분자의 운동. ② 무게 중심을 축으로 전체 분자의 회전운동 및 ③ 원자 각 개의 다른 원자에 상대적인 운동을 고려할 필요가 있다. 병진 운동의 정의는 세 개의 좌표를 필요로 하며 세개의 자유도를 사용한다. 전체분자의 회전을 기술하는데 또 다른 세 개의 자유도가 필요하다. 나머지 (3N-6)의 자유도가 원자간 운동에 따라서 분자 내에서 가능한 진동의 수를 나타낸다. 선형분자는 모든 원자가 단일의 직선 상에 나열되어 있는 특별한 경우이다. 결합 축에 관한 회전은 가능하지 않고 회전운동을 기술하기 위하여 두 개의 자유도가 사용된다. 따라서 선형분자의 진동의 수는 (3N-5)로 주어진다. (3N-6) 또는 (3N-5)가지 진동을 기준진동 방식(normal mode)이라고 한다.
기준진동 방식의 계산에서 예상되는 수보다 더 적은 수의 봉우리를 만들 때는 다음 네 가지 원인을 생각할 수 있다.
① 분자의 대칭성으로 말미암아 어떤 진동에서 쌍극자 변화가 일어나지 않는 경우.
② 두 개의 진동에너지가 서로 같거나 거의 같을 때.
③ 흡수 세기가 검출될 수 없을 만큼 낮을 때.
④ 진동에너지가 측정기의 파장영역 밖에 있을 때
가끔 기준방식의 기대했던 것보다 더 많은 수의 봉우리가 나타날 수도 있다. 여기에는 기준진동 봉우리의 정수배 주파수를 가진 과진동(overtone) 봉우리가 나타난다. 또, 광자가 동시에 두 개의 진동 방식을 들뜨게 할 때 복합띠(combination bands)가 가끔 얻어진다.6)

(2) 결합성질과 흡수 경향
첫째, 강한 결합은 약한 결합보다 더 큰 힘 상수를 가지며 더 높은 주파수에서 진동한다. 둘째, 질량이 무거운 원소 사이의 결합은 가벼운 원자들 사이의 결합보다 더 낮은 주파수에서 진동한다. 일반적으로, 같은 두 원자 사이의 삼중결합은 이중결합 혹은 단일결합보다 강하며 높은 주파수를 나타낸다.

C≡C C=C C-C
2150cm-1 1650cm-1 1200 cm-1
----- Increasing K -------

C-H 신축은 3000 cm-1 에서 일어난다. 탄소에 결합한 원자의 질량이 증가하면, 환산질량도 증가하여, 진동 주파수는 감소한다.
굽힘 운동은 전형적인 신축 운동보다 낮은 에너지에서 일어나는데, 힘 상수값이 낮기 때문이다.

C-H stretching C-H bending
~3000 cm-1 ~1340 cm-1

혼성화(hybridization)도 힘 상수 K에 영향을 미친다. 결합은 sp3<sp2<sp 순으로 더 강해지며, 측정된 C-H 주파수는 이러한 경향을 잘 나타내고 있다.

sp sp2 sp3
≡C-H =C-H -C-H
3300 cm-1 3100 cm-1 2900 cm-1

참고자료

· 1) 기기분석의 원리와 응용. 박면용 공저. 녹문당. 2000. p102~103
· 2),4) 기기분석개론 및 응용. 최주환 저. 교보문고. 1998. p29~30
· 3),5),11) 분석화학. D.A.Skoog 공저. 최희선 역. 자유아카데미. 1996. p584~587
· 6) 기기분석. 김승재 공저. 동화기술. 1997. p278~279
· 7),9),10) 분광학적 분석 입문. Pavia 공저. 문석식역. 자유아카데미. 2000. p17~28
· 12) Introduction to spectroscopy: a guide for students of organic chemistry 3rd
· P32~34