ઇન્ફ્રારેડ વર્ણપટ

ઇન્ફ્રારેડ વર્ણપટ (infrared – IR, Spectrum) : પદાર્થના અણુઓ દ્વારા વિવિધ તરંગલંબાઈ ઉપર શોષાતા ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણની માત્રાની નોંધ.

અણુઓના પરમાણુઓને વજનહીન ગોળા તરીકે અને બંધ(bond)ને સ્પ્રિંગ તરીકે સ્વીકારીએ તો વિવિધ પ્રકારનાં આંદોલનો કરી શકે તેવી રચના ઉદભવે છે. તનીય (stretching) પ્રકારનાં આંદોલનોમાં પરમાણુઓનું સ્થાન મૂળ બંધન-અક્ષમાં રહે છે, જ્યારે નમનીય પ્રકારનાં આંદોલનોમાં બંધન-અક્ષના સંદર્ભમાં પરમાણુઓનું સ્થાન બદલાય છે. પરમાણુઓની સંખ્યા વધુ તેમ આંદોલનોના પ્રકારમાં વધારો થાય. સામાન્ય રીતે N પરમાણુઓવાળા અરેખીય (non-linear) અણુનાં પાયાનાં (basic) આંદોલનોના પ્રકારની સંખ્યા 3N-6 જ્યારે રેખીય (linear) અણુમાં આ સંખ્યા 3N-5 હોય છે. આમ, દ્વિપરમાણુક અણુ માટે 1, ત્રિપરમાણુ-અણુ માટે 3 (અરેખીય) અથવા 4 (રેખીય) જ્યારે બેન્ઝિન (C₆H₆) જેવા અણુ માટે 30 પ્રકારનાં આંદોલનો શક્ય છે. આમ બહુ પારમાણ્વિક-અણુનો IR વર્ણપટ અતિ સંકીર્ણ હોય છે. આ આંદોલનો અમુક ક્વૉન્ટમ-આધારિત આવૃત્તિએ (frequency) જ થતાં હોય છે. આ જ આવૃત્તિ ધરાવતું ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ તેની સાથે આંતરપ્રક્રિયા કરે છે ત્યારે વિકિરણ ઊર્જાનું અવશોષણ થાય છે, આંદોલનના કંપ-વિસ્તાર(amplitude)માં વધારો થાય છે, અણુ ઉચ્ચ ક્વૉન્ટમ-સ્તર પ્રાપ્ત કરે છે અને વર્ણપટમાં તે સ્થાને અવશોષણપટ જોવા મળે છે. જે આંદોલનોમાં દ્વિધ્રુવ ચાકમાત્રા(dipole moment)માં ફેરફાર થાય તે જ આંદોલનો IR ઊર્જાનું અવશોષણ કરવા માટે યોગ્ય ગણાય છે.

બંધનમાં તનીય કંપનોની આવૃત્તિ ( સેમી.^–1) અને પરમાણુના દળ m₁, m₂ વચ્ચેનો સંબંધ નીચેના સમીકરણ વડે દર્શાવી શકાય :

પદાર્થના અણુઓનાં આદોલનોના પ્રકાર તેની સંરચના ઉપર આધારિત હોઈ આ અવશોષણ ઉપરથી વિશિષ્ટ સંરચના ધરાવતા પરમાણુ-સમૂહો(groups)ની હાજરી અંગે અનુમાન કરી શકાય છે. પારજાંબલી (ultra-violet) વર્ણપટની સરખામણીમાં ઇન્ફ્રારેડ વર્ણપટ વધુ સંકીર્ણ હોય છે અને તેનું સંપૂર્ણ અર્થઘટન મુશ્કેલ હોય છે. લાક્ષણિક ક્રિયાશીલ સમૂહો અંગે માહિતી આપી શકે તેવાં કંપનોનો ખાસ કરીને અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. આ સંબંધ એટલો ચોક્કસ હોય છે કે અવશોષણપટમાં અમુક આવૃત્તિ ગેરહાજર હોય તો અમુક ક્રિયાશીલ સમૂહ પણ ગેરહાજર હશે તેમ અનુમાન કરી શકાય છે.

બે પરમાણુઓ વચ્ચેના બંધ માટે નીચે દર્શાવેલ ઇન્ફ્રારેડ વિસ્તારમાં તનીય, નમનીય (bending) તથા ઘૂર્ણન પ્રકારનાં આંદોલનો જોવા મળે છે.

તરંગલંબાઈ માઇક્રૉન μ(1μ = 10^–4 સેમી. અથવા 10⁴ Å)માં અને આવૃત્તિ 1 સેમી.માં તરંગસંખ્યાથી દર્શાવાય છે.

આમાં તનીય કંપનો ઉત્કટ ટોચબિંદુઓ (intense peaks) દર્શાવે છે તે વધુ અગત્યનાં છે. આ કંપનો ચાર વિસ્તારમાં વહેંચાયેલાં છે. તેમાં ત્રણ શુદ્ધ ઇન્ફ્રારેડ અવશોષણપટ (absorption bands) આપે છે, જ્યારે ચોથામાં અન્ય પ્રકારનાં અવશોષણો પણ જોવા મળે છે.

2.5થી 6.5 μ વચ્ચેના શુદ્ધ IR વર્ણપટમાંના અવશોષણપટનું અર્થઘટન વધુ સરળ છે; કારણ કે આ વિભાગમાં ઓછા અવશોષણપટ જોવા મળે છે, જ્યારે 6.5થી 15 μ વચ્ચેના વિભાગમાં ઘણા અવશોષણપટ જોવા મળે છે એટલે તેમનું અર્થઘટન કરવું ઘણું મુશ્કેલ છે. આ પટમાં એક પટનું બીજા પટ પર અતિવ્યાપન (over-lapping) થવાને કારણે તેમને એકબીજાથી અલગ પારખવામાં મુશ્કેલી ઊભી થાય છે. મુખ્ય પટ(fundamental band)ની બમણી આવૃત્તિએ અધિસ્વરક (overtone, harmonic) પટ જોવા મળે છે. સંયુગ્મન (conjugation), નજીકના સમૂહને લીધે ઇલેક્ટ્રૉન અપનયન (electron withdrawal), કોણીયવિકૃતિ (angle strain), વાન ડર વાલ વિકૃતિ (van der Waals’ strain), હાઇડ્રોજનબંધ વગેરેની અસરથી અવશોષણપટના સ્થાનમાં ફેરફાર થાય છે તેને કારણે તેને બીજા કોઈ સમૂહની હાજરી તરીકે માની લેવાય છે. આ વિભાગમાં સંકીર્ણ બહુપરમાણુક આંદોલનો, એકબંધ તણાવ અને નમન આંદોલનો એકસાથે જોવા મળે છે. આ વિભાગનું એક આગવું લક્ષણ એ છે કે દરેક વ્યક્તિના આંગળાની છાપ વિશિષ્ટ હોય તેવી જ રીતે દરેક સંયોજન માટે આ વિભાગના અવશોષણપટ પણ વિશિષ્ટ હોય છે તેથી આ વિભાગને અંગુલિ-મુદ્રા (આંગળાની છાપરૂપ) વિભાગ (finger-print region) કહેવામાં આવે છે.

સાથેની આકૃતિમાં ઇન્ફ્રારેડ વર્ણપટ-આવૃત્તિ, સમૂહ, એકબંધ, દ્વિબંધ તથા ત્રિબંધ સહિત દર્શાવેલ છે.

કેટલીક અગત્યની લાક્ષણિક IR આવૃત્તિઓ નીચેના કોઠામાં આપી છે :

બંધ	સંયોજનપ્રકાર	આવૃત્તિવિસ્તાર, સેમી.–1
C-H	આલ્કેન્સ	2850-2960 1350-1470
C-H	આલ્કીન્સ	3020-3080 675-1000	(m)
C-H	એરોમેટિક વલય	3000-3100 675-870	(m)
C-H	આલ્કાઇન્સ	3300
C=C	આલ્કીન્સ	1640-1680	(v)
C≡C	આલ્કાઇન્સ	2100-2260	(v)
C=C	એરોમેટિક વલય	1500-1600	(v)
C-O	આલ્કોહૉલ, કીટોન, કાર્બૉક્સિલ, એસ્ટર	1080-1300
C=O	આલ્ડિહાઇડ, કીટોન, કાબૉર્ક્સિલ, ઍસ્ટર	1690-1760
O-H	એકલ આલ્કોહૉલ ફિનોલ; હાઇડ્રોજનબંધ યુક્ત કાબૉર્ક્સિલ ઍસિડ	3200-3600 2500-3000	(b) (b)
N-H	એમાઇન્સ	3300-3500	(b)
C-N	એમાઇન્સ	1180-1360
C-N	નાઇટ્રાઇલ	2210-2260	(v)
-NO2	નાઇટ્રો	1515-1560 1345-1385

આના અનુસંધાનમાં ચાર્ટ તપાસવો. [m = મધ્યમ (moderate), w = નિર્બળ (weak), v = પરિવર્તનક્ષમ (variable), b = પહોળો (broad); આ સિવાયના પ્રબળ (strong) ગણવા.]

ઇન્ફ્રારેડ વિકિરણ મેળવવા માટે નર્ન્સ્ટ ગ્લોઅર (ઝિરકોનિયમ, ઇટ્રિયમ અને અર્બિયમ ઑક્સાઇડના મિશ્રણમાંથી બનાવેલ અને વિદ્યુતથી 1500^o સે. ગરમ કરેલ સળી) વપરાય છે. પ્રિઝમ અથવા ગ્રેટિંગ વડે લગભગ એકવર્ણી (monochromatic) વિકિરણ મેળવાય છે. કાચને બદલે સોડિયમ ક્લોરાઇડના પ્રિઝમ, કોષ વગેરે વાપરવા જરૂરી છે. અભિલેખન (recording) સ્પેક્ટ્રૉમીટર વડે સંપૂર્ણ IR વર્ણપટ (2.5થી 25 μ) થોડીક મિનિટોમાં જ મેળવી શકાય છે. પૉલિસ્ટાયરીનનાં શિખરોમાંના એકની આવૃત્તિ માનક તરીકે વપરાય છે. પદાર્થનો નમૂનો તદ્દન શુષ્ક હોવો જરૂરી છે, કારણ કે પાણી (2.7 અને 6.15 μ વિસ્તારમાં) અવશોષણ કરે છે અને સોડિયમ ક્લોરાઇડના કોષને ઓગાળી નાખે છે. વાયુ, ઘન, પ્રવાહી કે દ્રાવણરૂપ પદાર્થને તપાસી શકાય છે. ઘન પદાર્થને પોટૅશિયમ બ્રોમાઇડના ભૂકા સાથે મિશ્ર કરી દબાણથી ટીકડી (pellet) પાડીને તપાસી શકાય છે. ઘન પદાર્થને વિશિષ્ટ પ્રકારના પૅરેફિન તેલ(nujol)માં ઘૂંટીને મળતા લચકા(mull)ના રૂપમાં પણ તપાસી શકાય છે; જોકે આ રીતમાં પૅરેફિનના C-Hને કારણે 3.3-3.5 μ, 6.85 μ અને 7.28 μ વિસ્તારમાં અવશોષણપટા મળે છે. લચકો બનાવવા હેકઝાક્લોરોબ્યુટાડાઇન વાપરવાથી C-Hના અવશોષણપટા આવતા નથી. બંનેના ઉપયોગથી સંપૂર્ણ વર્ણપટ મેળવી શકાય છે. દ્રાવક તરીકે કાર્બન ટેટ્રાક્લોરાઇડ, ક્લૉરોફૉર્મ અને કાર્બન-બાયસલ્ફાઇડ વાપરી શકાય છે. દ્રાવક તરીકે વપરાતા પદાર્થ બને તેટલું ઓછું અવશોષણ કરે તેવા હોવા જોઈએ.

ઇન્ફ્રારેડ વર્ણપટ-પદ્ધતિ પદાર્થોની પરખ, બંધારણમાં રહેલ સમૂહોનું પૃથક્કરણ, ભારમાપક પૃથક્કરણ, આંતરઅણુક (intermolecular) અને અંતર્-અણુક (intramolecular) પ્રકારની પારસ્પરિક ક્રિયા, અણુવિન્યાસની પરખ તથા રાસાયણિક ગતિકી વગેરેમાં ઉપયોગી છે.

જ. પો. ત્રિવેદી