Vibration moléculaire

Types de vibrations

Si la molécule a plus de deux atomes, les choses se compliquent. Supposons que l'on ajoute un seul atome de plus et qu'il y en ait donc trois, comme dans l'eau _H2O où les deux atomes d'hydrogène sont tous deux attachés à l'atome d'oxygène central. Souvenez-vous qu'avec l'hydrogène, il y avait un type d'étirement, mais dans l'eau, il y a deux types d'étirement et quatre autres types de vibrations appelées vibrations de flexion, comme indiqué ci-dessous.

Les atomes d'un groupe _CH2 ou les molécules comme l'eau peuvent vibrer de six manières différentes : étirement symétrique et antisymétrique, ciseaux, balancement, agitation et torsion :

l'étirement symétrique : lorsque les deux atomes attachés s'éloignent et se rapprochent en même temps de l'atome central.

l'étirement antisymétrique : lorsque les deux atomes attachés ne s'éloignent pas et ne se rapprochent pas en même temps de l'atome central.

ciseaux : Comme son nom l'indique, le ciseau est le rapprochement et l'éloignement des deux atomes.

à bascule : Ce mouvement est comme un pendule sur une horloge qui va et vient ; seulement ici, un atome est le pendule et il y en a deux au lieu d'un.

en remuant : Si une personne lève la main devant elle et y met deux doigts en signe de "V" et y plie le poignet en direction et à l'écart. Ici, les bouts des doigts sont les atomes attachés et le poignet est l'atome central.

tordre : Ce mouvement ressemble à la marche d'une personne sur un tapis roulant où sa taille est l'atome central et ses pieds sont les deux atomes attachés

Molécules de plus de trois atomes

Les molécules de plus de trois atomes sont encore plus compliquées et ont encore plus de vibrations, que l'on appelle parfois "modes vibratoires". Chaque nouveau mode vibratoire est en fait une combinaison différente des six modes présentés ci-dessus. Plus il y a d'atomes dans la molécule, plus on peut les combiner de différentes manières. Pour la plupart des molécules à N atomes, le nombre de vibrations possibles pour cette molécule est de 3N à 6, tandis que les molécules linéaires, ou les molécules dont les atomes sont en ligne droite, ont 3N-5 modes vibratoires.

Relation entre l'énergie et les vibrations

La mécanique newtonienne

En utilisant la mécanique newtonienne, les vibrations d'une molécule peuvent être calculées en traitant les liaisons comme des ressorts. Cela est utile car, comme un ressort, une liaison a besoin d'énergie pour s'étirer et il faut aussi de l'énergie pour la comprimer. L'énergie nécessaire pour étirer ou resserrer le lien dépend de la rigidité du lien, qui est représentée par la constante de ressort k, et de la masse réduite, ou "centre de masse" des deux atomes attachés à l'une ou l'autre extrémité, désignée par μ. La formule utilisée pour mettre en relation l'énergie nécessaire pour provoquer une vibration dans la liaison est la suivante

  E = h ν = h 2 π k μ . {\displaystyle \ E=h\nu ={h \over {2\pi }}{\sqrt {k \over \mu }}.\ ! }

h : est la constante de planck

ν : est la fréquence et représente la vitesse à laquelle le lien est écrasé et à nouveau déchiré. Plus ν est grand, plus ce taux est rapide.

Ε : c'est l'énergie nécessaire pour pousser et tirer le lien ensemble.

μ : La masse réduite est la somme des deux masses des atomes multipliées ensemble et divisées par leur addition :

μ = m 1 m 2 m 1 + m 2 . {\displaystyle \mu ={m_{1}m_{2} \over m_{1}+m_{2}}.\ ! }

Mécanique quantique

En utilisant la mécanique quantique, la formule qui décrit le ressort est exactement la même que la version de la mécanique newtonienne, sauf que seules certaines énergies ou niveaux d'énergie sont autorisés. Pensez aux niveaux d'énergie comme les marches d'une échelle où une personne ne peut monter ou descendre qu'un seul échelon à la fois. Tout comme cette personne ne peut pas se tenir debout sur l'espace entre les barreaux, le lien ne peut pas avoir d'énergie entre les niveaux d'énergie. Cette nouvelle formule devient :

E n = h ν = h ( n + 1 2 ) 1 2 π k m {\displaystyle E_{n}=h\nu =h\left(n+{1 \over 2}\right){1 \over {2\pi }}{\sqrt {k \over m}}\ ! } ,

où n est un nombre quantique ou "niveau d'énergie" qui peut prendre des valeurs de 0, 1, 2 ... L'affirmation selon laquelle les niveaux d'énergie ne peuvent monter ou descendre que d'un niveau à la fois est connue sous le nom de règle de sélection qui stipule que les seules transitions autorisées entre les niveaux d'énergie sont

Δ n = ± 1 {\displaystyle \Delta n=\pm 1}

où \Delta n est la transition énergétique.

Applications des mouvements vibratoires

Lorsque la lumière d'une certaine fréquence frappe une molécule qui a une vibration dont le mouvement correspond à la même fréquence, la lumière est absorbée par la molécule et l'énergie de la lumière fait bouger les liaisons dans ce mouvement vibratoire spécifique. En vérifiant si la lumière est absorbée, les scientifiques peuvent dire si un certain type de liaison moléculaire est présent et le comparer à une liste de molécules qui ont cette liaison.

Cependant, certaines molécules comme l'hélium et l'argon n'ont qu'un seul atome et n'ont pas de liaison. Cela signifie qu'elles n'absorbent pas la lumière de la même manière qu'une molécule à plusieurs atomes.

Les domaines spécifiques de la chimie qui utilisent les vibrations moléculaires dans leurs études comprennent la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie Raman (Raman), l'IR étant plus largement utilisée et ayant trois sous-domaines propres. Ces sous-domaines sont connus sous les noms de spectroscopie proche IR, IR moyen et IR lointain. Voici une liste générale de ces domaines et de leurs applications dans le monde réel

Proche IR : détermination quantitative d'espèces telles que les protéines, les graisses, les hydrocarbures de faible poids moléculaire et l'eau. Il est également utilisé dans les industries des produits agricoles, alimentaires, pétrolières et chimiques

IR moyen : Le plus populaire des champs IR, est utilisé pour déterminer la structure des composés organiques et biochimiques.

IR lointain : ce domaine est moins populaire bien qu'il ait trouvé des utilisations dans les études inorganiques

Raman : Est utilisé pour l'étude qualitative et quantitative des systèmes inorganiques, organiques et biologiques, souvent en complément de l'IR.