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1. 적외선(IR) 영역과 표현 방식
- 적외선 분광법은 전자기 스펙트럼 중 가시광선 바로 바깥 영역(적외선 영역)을 이용한다.
- IR 전체 범위: 약 7.8 × 10⁻⁷ m ~ 10⁻⁴ m
- 유기화학에서 실제로 사용하는 유용한 IR 영역
- 파장 기준: 2.5 × 10⁻⁶ m ~ 2.5 × 10⁻⁵ m
- 파수 기준: 4000 ~ 400 cm⁻¹
- IR 분광법에서 파장은 보통 μm(마이크로미터), 주파수는 Hz 대신 파수(wavenumber, ṽ) 로 표현한다.
- 파수의 정의: ṽ (cm⁻¹) = 1 / λ(cm)
2. IR 에너지 범위의 의미
- 4000 ~ 400 cm⁻¹ 영역은 약 48.0 ~ 4.80 kJ/mol (11.5 ~ 1.15 kcal/mol)에 해당한다.
- 이 에너지 범위는 결합을 끊기에는 부족하지만 결합을 진동시키기에는 충분한 에너지이다.
- 분자가 IR을 흡수하는 이유
- 모든 분자는 고정된 구조가 아니라 항상 진동 운동을 하고 있다.
- 결합은 늘어났다(stretching) 줄어들고, 굽혀졌다(bending) 되돌아오며, 원자들은 지속적으로 움직인다.
- 분자는 모든 파장의 IR을 흡수하지 않고, 자신의 진동 고유 진동수와 일치하는 파장만 흡수한다.
3. 주요 분자 진동의 종류
- 신축 진동(stretching)
- 대칭 신축(symmetric stretching)
- 비대칭 신축(antisymmetric stretching)
- 굽힘 진동(bending)
- 평면 내 굽힘(in-plane bending)
- 평면 밖 굽힘(out-of-plane bending)
- 이러한 진동들은 결합 종류와 환경에 따라 서로 다른 IR 흡수 위치를 가진다.
4. 진동 에너지의 양자화
- 분자의 진동 에너지는 연속적이지 않고 양자화(quantized) 되어 있다.
- 결합은 임의의 에너지로 늘어나거나 줄어들 수 없으며, 특정 에너지(= 특정 파수)에서만 진동이 가능하다.
- 예를 들어 C–H 결합은 평균 결합 길이가 약 110 pm이지만 실제로는 스프링처럼 늘었다 줄었다 하며 진동한다.
5. IR 흡수의 물리적 의미
- 분자에 IR 복사를 조사했을 때 복사의 진동수 = 분자의 고유 진동수라면 에너지가 흡수된다.
- 이때 결합 진동의 진폭(amplitude) 이 증가한다.
- 즉, IR 흡수는 특정 결합이 특정 방식으로 진동하고 있음을 의미한다.
6. IR 스펙트럼으로부터 얻는 정보
- IR 스펙트럼의 각 흡수 피크는 특정 결합의 특정 진동 모드에 대응한다.
- 따라서 IR 분석의 논리 흐름은 다음과 같다.
- 어떤 분자 진동이 있는가
- 어떤 결합이 존재하는가
- 어떤 작용기가 존재하는가
- 즉, IR 스펙트럼으로부터 해당 화합물이 가지고 있는 결합과 작용기 정보를 얻을 수 있다.
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