A4.4 Molekyler, der svinger
Carbondioxid og methan er drivhusgasser, men dinitrogen og dioxygen, som luften mest består af, er det ikke. Forskellen ligger i, hvordan molekylerne svinger. Den samme viden bruges i laboratoriet: ved at måle, hvilket infrarødt lys et stof absorberer, kan man se, hvilke bindinger molekylet har. Metoden hedder IR-spektroskopi. Her får du brug for de tre første afsnit: bindingens styrke og carbonatomets hybridisering afgør, hvor i spektret en binding viser sig.
Lys gør forskellige ting ved et molekyle
Lys er bølger, og bølgelængden bestemmer lysets energi. Det så du i afsnit B5.1: jo kortere bølgelængde, jo mere energi.
Hvad der sker, når et molekyle absorberer lys, afhænger af lysets energi:
- Ultraviolet og synligt lys har energi nok til at flytte en elektron til en orbital med højere energi. Det bruges i spektrofotometri, som du kender fra kapitel B5.
- Infrarødt lys har mindre energi. Det kan ikke flytte elektroner, men det kan få bindingerne i molekylet til at svinge kraftigere. Infrarød forkortes IR.
- Radiobølger har meget lidt energi. De kan få atomkerner i et magnetfelt til at vende sig, og det bruges i 1H-NMR, som begynder i afsnit A4.7.
Bølgetal
I IR-spektroskopi beskriver man ikke lyset med bølgelængden, men med bølgetallet. Bølgetallet er antallet af bølger på én centimeter. Det har symbolet \(\tilde{\nu}\) og enheden cm−1:
\[ \tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda} \]
Bølgelængden, λ, skal indsættes i centimeter. Et IR-spektrum går fra 4000 cm−1 til omkring 500 cm−1. Det svarer til bølgelængder fra 2,5 µm til 20 µm.
Bølgetallet er praktisk, fordi det følger energien: jo højere bølgetal, jo mere energi har lyset, og jo højere er dets frekvens.
En binding er som en fjeder
Atomerne i et molekyle sidder aldrig stille. En binding opfører sig som en fjeder mellem to kugler: atomerne svinger hele tiden lidt mod hinanden og lidt væk fra hinanden.
Svingningen er meget hurtig, omkring 1013 til 1014 gange i sekundet. Det vigtige er, at hver slags binding har sin egen bestemte frekvens, ligesom en guitarstreng har sin egen tone.
Lys med den rigtige frekvens
Tænk på en gynge. Skubber du i takt med gyngen, svinger den højere og højere. Skubber du i en anden takt, sker der næsten ingenting.
På samme måde er det med en binding og infrarødt lys. Har lyset præcis samme frekvens som bindingens svingning, optager molekylet lysets energi, og bindingen svinger kraftigere. Det kaldes resonans. Molekylet har absorberet lyset. Lys med andre frekvenser går lige igennem.
Derfor absorberer hver slags binding infrarødt lys ved sit eget bølgetal. Måler man, hvilke bølgetal en prøve absorberer, kan man se, hvilke bindinger molekylerne har. Et sted i spektret, hvor prøven absorberer, kaldes et bånd.
Hvad bestemmer bølgetallet?
To ting bestemmer, hvor hurtigt en fjeder med to kugler svinger: hvor stiv fjederen er, og hvor tunge kuglerne er. Det samme gælder en binding.
Regel 1: en stærkere binding svinger hurtigere. En tripelbinding er stærkere end en dobbeltbinding, som er stærkere end en enkeltbinding. Det så du i afsnit A4.3. Derfor ligger C≡C ved et højere bølgetal end C=C, som ligger højere end C−C.
Regel 2: lettere atomer svinger hurtigere. Hydrogenatomet er langt det letteste atom. Derfor ligger alle bindinger til hydrogen, C−H, O−H og N−H, ved de højeste bølgetal.
| Binding | Omtrentligt bølgetal i cm−1 | Forklaring |
|---|---|---|
| O−H, N−H, C−H | 3600 til 2800 | hydrogenatomet er meget let |
| C≡C, C≡N | 2260 til 2100 | tripelbindinger er meget stærke |
| C=O, C=C | 1750 til 1600 | dobbeltbindinger er stærke |
| C−C, C−O, C−N | 1300 til 800 | enkeltbindinger mellem tungere atomer |
Hybridiseringen fra afsnit A4.2 kan også ses. En C−H-binding er lidt kortere og stærkere, når carbonatomet er sp2-hybridiseret, end når det er sp3-hybridiseret, og endnu stærkere, når det er sp-hybridiseret:
| C−H-bindingen sidder på | Bølgetal i cm−1 |
|---|---|
| et sp3-hybridiseret carbonatom | 2960 til 2850 |
| et sp2-hybridiseret carbonatom | 3100 til 3000 |
| et sp-hybridiseret carbonatom | omkring 3300 |
Grænsen ved 3000 cm−1 bliver et vigtigt redskab i afsnit A4.5.
Stræk og bøjning
Et molekyle kan svinge på flere måder.
- Ved et stræk ændres bindingens længde.
- Ved en bøjning ændres vinklen mellem to bindinger.
Det er lettere at bøje en vinkel end at strække en binding. Derfor ligger bøjninger ved lavere bølgetal end stræk af de samme bindinger. Et molekyle med mange atomer har mange forskellige stræk og bøjninger og absorberer derfor infrarødt lys ved mange bølgetal.
Ikke alle svingninger kan ses
Lys kan kun få fat i en svingning, hvis svingningen flytter ladninger i molekylet. Molekylets fordeling af δ+ og δ−, som du kender fra afsnit 3.3, skal ændre sig, mens molekylet svinger.
Det har to følger:
- Polære bindinger giver kraftige bånd. Carbonylgruppen, C=O, er meget polær og giver et af de kraftigste bånd i et IR-spektrum. En C=C-binding er næsten upolær og giver kun et svagt bånd.
- Molekyler med to ens atomer absorberer ikke. Dinitrogen og dioxygen har ingen ladningsforskel, uanset hvordan de svinger. De absorberer derfor ikke infrarødt lys.
Det er forklaringen på drivhuseffekten fra siden Tema: Klima. Luftens N2 og O2 lader Jordens varmestråling slippe ud. CO2, H2O og CH4 har svingninger, der flytter ladninger, og de absorberer varmestrålingen.
- Brug fagordene: et bånd i spektret skyldes et stræk eller en bøjning af en bestemt binding, og det ligger ved et bestemt bølgetal.
- Skriv fx “båndet ved 1715 cm−1 skyldes et C=O-stræk”.
- Skal du forklare, hvorfor et bånd ligger højt eller lavt, så brug de to regler: bindingens styrke og atomernes masse.