Кимёда физикавий усуллар

III. ИНФРАҚИЗИЛ (ИҚ) спектроскопия
I. Икки атомли молекулаларнинг тебраниши.
Характеристик частоталар
Оптик спектроскопиянинг турлари ичида инфрақизил спектроскопия ишлатилиш кўламида ўзига хос ўрин эгаллаб, моддаларнинг тузилишини ўрганишда энг керакли маълумотлар берадиган физикавий усуллардан ҳисобланади. Бошқа мавжуд бўлган оптик усуллардан фарқли равишда, моддаларни ҳар қандай агрегат ҳолатда, яъни газ, суюқ ва қаттиқ ҳолатларда ҳам спектрларини олиш мумкин. Бу усулни кимёда ишлатилиши билан боғлиқ масалаларни баён этишда албатта унинг ривожланиш тарихи ва асосий назарий қонунларини кўриб чиқиш лозим ҳисобланади.
Спектрнинг инфрақизил соҳаси инглиз астрономи Уильям Гершел томонидан 1800 йилда кашф қилинган. Тахминан 100 йилдан сўнг америкалик физик Кобленц инф-рақизил спектрга бағишланган монография чоп этиб унда айрим органик ва анорганик бирикмаларнинг инфрақизил спектрини келтириб, уларнинг тузилиши билан спектрлари орасида боғланиш борлигини баён этади. Агар бундай тадқиқот ишлари ўша вақтдан бошлаб давом эттирилганда албатта органик кимёнинг ривожланишига катта ҳисса қўшилган бўлар эди.
Инфрақизил соҳани амалиётда ишлатилиш ХХ асрнинг ўрталарига тўғри келиб, шу даврдан бошлаб бир ва икки нур йўналишли спектрометрлар ишлаб чиқилди.
Инфрақизил спектроскопиясининг назариясига келсак, бу соҳада жуда кўп физик олимлар самарали ишлар олиб боришган (Г.Кирхгоф, В.Вин, Д.X.Джинс, О.Люммер, Г.Ру-бенс ва бошқалар). А.Эйнштейн 1905 йилда ёруғлик квантлари тўғрисидаги таълимотини асослаганидан сўнг, атомларда электронларнинг поғоналараро ўтиши эҳтимоллиги тўғрисидаги фикрни ривожлантирди.
Атомларнинг тебраниши билан боғлиқ масалалар устида 1930-йилларгача кўп олимлар илмий иш олиб боришган, аммо олинган натижаларнинг амалиётда ишлатилишига кам эътибор берилган. Илгариги олиб борилган тадқиқотларни эътиборга олинган ҳолда алифатик қатордаги органик моддалар учун тебраниш частоталари ва уларнинг турларига тегишли ҳисоблашларни 1940 йилда бир гуруҳ олимлар (Е.Вильсон, М.А.Ельяшевич, Б.И.Степанков) бажардилар. Ҳисобий ишлар энг аввало оддий тузилишли молекулалар учун ишлаб чиқилди, кейин эса бошқа моддаларга ҳам тадбиқ қилинди.
Инфрақизил спектроскопиянинг асоси бўлган атом ва молекулаларнинг тебраниши билан боғлиқ назарияни ривожлштиришда юқорида кўрсатилган олимлар билан бир қаторда М.В.Волькенштейн, A.M. Свердлов, Л.А.Грибов ва бошқалар ўзларининг муҳим тадқиқотлари билан катта ҳисса қўшдилар.
И+ спектроскопияни амалиётда ишлатиш 1940 йиллардан бошланиб, айниқса уруш даврида ёқилғилар ва резинанинг таркибини текширишда ҳамда катта аҳамиятга эга бўлган антибиотик - пеницилиннинг тузилишини аниқ-лашда катта ёрдам берди. 1950 йиллардан бошлаб эса унинг ишлатилиш кўлами ривожланиб ҳозирги вақтда бошқа физик усулларнинг ажралмас тури сифатида кенг миқёсда амалиётда ўрин олган.
1970 йилларнинг бошларида Тошкентдаги суд-экспер-тиза институти ходимлари икки хил намунадаги машина бўёғини бир хил ёки ҳар хил эканлигини билиш мақсадида университет кимё факультетининг оптик спектроскопия гурухига илтимос қилишади. Бунинг учун шу икки нусхадаги бўёқни бир хил шароитда И+ спектри олинди ва бу спектрларни бир-бирига солиштирилганда инфрақизил соҳада намоён бўлган ҳамма частоталарнинг қийматлари ва шакли айнан бир хиллиги маълум бўлди. Бу икки хил нусхадаги бўёқдан бири енгил машинанинг бўёғи бўлиб, иккинчиси эса юк машинасининг олдинги қисмидан қириб олинган нусхаси экан. Демак, бўёқлар спектрларининг бир-бирига ўхшашлиги юк машинасининг ҳайдовчиси машиналарнинг тўқнашувида айбдор эканлигини тасдиқлади. Тиббиётда ишлатилиши билан боғлиқ ишларга мисол сифатида олиб борилган қуйидаги тадқиқотни ҳавола этамиз. Республика илмий-тадқиқот илмгохидан бир гурух кимёгар oлимлap дарслик муаллифларидан бирига тypли хил чиқиндилардан, оқава сувларидан махсус ишловлар натижасида олинган, тиббиёт учун керакли бўлган биологик фаол модда-фитиннинг тозалигини инфрақизил спектри ёрдамида текшириб беришни таклиф этдилар. Бунинг учун Тошкент кимё-фармацевтика заводида ишлаб чиқарилаётган тоза фитин ҳамда чиқиндилардан олинган шу модданинг бир қанча нусхалари тақдим этилди.
Олинган нусхаларнинг ҳамма спектрлари тоза фитиннинг И+ спектри билан солиштирилганда, чиқиндидан олинган фитин спектрларида фитинга тегишли частоталардан ташқари яна бошқа гурухларнинг ютилиш частоталари мавжудлиги аниқланди. Бу натижалар чиқиндилардан олинган турли нусхадаги фитинлар тоза эмаслигини кўрсатди. Спектрлардан олинган маълумотлар фармакологларнинг олиб борган тадқиқот ишлари ёрдамида ҳам тўла тасдиқланди, яъни чиқиндидан олинган фитин намуналарининг захарлилиги тоза ҳолдаги фитиндан анча юқори экан. Шунинг учун, юқоридаги маълумотларга биноан чиқиндилар, оқава сувлардан ажратиб олинган фитин моддасини яна тозалаш зарурлиги таклиф этилди. Бундай мисолларни амалиётдан жуда кўп келтириш мумкин.
Маълумки, кимёвий боғлар орқали боғланган атомлар молекулани ташкил этади. Кимёвий боғ билан боғланган атомларнинг харакатини пружина орқали боғланган шарлар харакатига ўхшатиш мумкин, яъни уларнинг харакатини икки хил харакат (чўзилувчан ва қисқарувчан) нинг бир бирига қўшилишидан деб қараш мумкин.

Агар пружина тортиб туриб, кейин қўйиб юборилса, аввалги мувозанат ҳолига келгунча гармоник тебраниш содир бўлади. Бу тебраниш частотаси қуйидаги формула билан изоҳланиб, частота билан массалар орасидаги боғланишни ифодаловчи Гук қонуни деб юритилади.

(9)
F-куч доймийси (константаси) ёки бошланғич ҳолатга қайтарувчи куч.
m_z - айрим массаларнинг ўртача миқдори.
(10)
Тебраниш молекула харакатининг шакли сифатида квант назариясига бўйсунади. Бу назарияга асосан, тебранма харакатнинг энергияси исталган қийматларга эга бўлмасдан, балки қуйидаги тенгламани қаноатлантириши керак:
(11) 0,1.2,3....
 - тебраниш частотаси
v - исталган сон, ноль ҳам бўлиши мумкин ёки тебраниш квант сони.
Икки атомли молекула тебраниш энергиясининг поғоналари 11-расмда ифодаланган бўлиб, бунда r-нинг қиймати атомлар орасидаги боғнинг узайиши ёки қисқаришига боғлиқ, вертикал тарзда кўрсатилган чизмалар эса асосий ўтишларни ва уларнинг обертонларини (2) ифодалайди.

11-расм. Икки атомли молекула тебраниш энергиясининг поғоналари.

Молекула 0 дан 1 поғонага ўтганда нурланишни ютади, ютилиш частотаси Бор постулатига асосан га тенг.

(12)
Бундан (E₁-E₀)h
Шундай қилиб, ютилган нурланишнинг частотаси характеристик тебраниш частотаси  га тенг экан. Айнан шундай поғонага ўтиш 0 дан 2 бўлганда ҳам рўй беради, у ҳолда унинг частотаси 2 бўлади: -асосий частота, 2-обертон частота ҳисобланади.
Оддий температурада ҳамма молекулалар асосан қуйи тебраниш поғонасида бўлади. Ютилишдаги тебраниш поғонаси энг қуйи поғонадан бошланиб, тебраниш энергиясининг нол поғонасига тўғри келади. Шунинг учун ютилишдаги частоталар 0 поғонадан 1,2.3.... -поғоналарга ўтишни кўрсатиб, тегишли частоталар , 2, 3... билан белгиланади, аммо танлаш қоидаси мавжуд бўлиб, унинг асосида ўтишлар сонининг чекланганлиги ётади. Танлаш қоидаси тебраниш гормоник ҳолатда бўлгунча эътиборга олиниб, квант сони бирдан юқори бўлган ўтишларга рухсат бермайди. Шундай қилиб, 01 га ўтиш асосий ҳисобланиб, унга тегишли бўлган частоталар характеристик частоталар (масалан, СО, СС, CN ва бошқа гурухларнинг асосий тебраниш частоталари) ҳисобланади.
Айрим ҳолларда спектрларда кучсиз ютилишдаги обертон частота (2) ҳосил бўлади, обертоннинг интенсивлиги асосий частотанинг интенсивлигининг 1% ёки 10% ни ташкил этиши мумкин.