Pourquoi une molécule diatomique homonucléaire comme N₂ n'a-t-elle pas de spectre infrarouge ou micro-onde ?

N₂ n'a pas de moment dipolaire permanent, et son élongation symétrique n'en crée pas, de sorte que ni sa rotation ni sa vibration ne peuvent interagir avec la lumière par le mécanisme dipolaire. Elle est cependant détectable par diffusion Raman.

Que nous apprend l'espacement des raies de rotation ?

Les raies sont espacées de deux fois la constante de rotation, qui est inversement proportionnelle au moment d'inertie. La mesure de cet espacement permet donc d'obtenir le moment d'inertie et, pour une molécule diatomique, directement la longueur de liaison.

Spectres de rotation et de vibration

Les spectres de rotation dans le domaine des micro-ondes et les spectres de vibration-rotation dans l'infrarouge résultent de transitions entre les niveaux de mouvement nucléaire d'une molécule et révèlent ses longueurs de liaison et ses constantes de force.

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Definition

Les spectres de rotation et de vibration sont les spectres d'absorption ou d'émission produits par des transitions entre les niveaux de rotation d'une molécule (région des micro-ondes) ou entre les niveaux de vibration-rotation (région infrarouge), autorisées lorsque la transition modifie le moment dipolaire électrique de la molécule.

Scope

Ce sujet couvre la spectroscopie de rotation pure dans la région des micro-ondes et la spectroscopie de rotation-vibration dans l'infrarouge : les règles de sélection nécessitant un changement de moment dipolaire, les raies de rotation régulièrement espacées, les branches P, Q et R d'une bande de vibration-rotation, et l'extraction des constantes de rotation, des longueurs de liaison et des fréquences de vibration à partir des positions des raies. Il traite à la fois des molécules diatomiques et des molécules polyatomiques simples.

Core questions

Quelles règles de sélection régissent les transitions de rotation pure et de vibration-rotation ?
Pourquoi les raies de rotation apparaissent-elles presque régulièrement espacées dans la région des micro-ondes ?
Que sont les branches P, Q et R d'une bande infrarouge ?
Comment les longueurs de liaison et les constantes de force sont-elles obtenues à partir de ces spectres ?

Key concepts

Dipôle permanent et activité infrarouge
Règle de sélection rotationnelle ΔJ = ±1
Constante de rotation et moment d'inertie
Branches P, Q et R
Fondamentale et harmoniques de vibration
Détermination de la longueur de liaison et de la constante de force

Key theories

Spectres de rotation pure: Une molécule possédant un moment dipolaire permanent absorbe les micro-ondes lors de transitions avec ΔJ = ±1, produisant une série de raies presque régulièrement espacées dont l'espacement donne la constante de rotation et, par conséquent, le moment d'inertie et la longueur de liaison.
Bandes de vibration-rotation: Une vibration active en infrarouge, combinée à des changements rotationnels simultanés, produit une bande avec des branches P (ΔJ = −1) et R (ΔJ = +1), et parfois une branche Q (ΔJ = 0), à partir desquelles la fréquence de vibration et les constantes de rotation sont déterminées.

Clinical relevance

La spectroscopie infrarouge est un outil standard pour l'identification des groupes fonctionnels et le suivi des réactions en chimie, la spectroscopie micro-onde fournit les structures moléculaires en phase gazeuse les plus précises, et les deux sont essentielles pour la détection et la quantification des gaz à effet de serre et des gaz traces dans la télédétection atmosphérique et astrochimique.

History

Les spectres de bande infrarouge ont été mesurés au XIXe siècle mais n'ont été compris qu'après que la mécanique quantique a fourni le schéma des niveaux de rotation et de vibration à la fin des années 1920. Le développement des techniques micro-ondes pendant et après la Seconde Guerre mondiale a fait de la spectroscopie de rotation pure la méthode la plus précise pour déterminer les géométries moléculaires.

Key figures

Gerhard Herzberg
Harald Bethe
David Dennison

Seminal works

herzberg1950
hollas2004

Frequently asked questions

Pourquoi une molécule diatomique homonucléaire comme N₂ n'a-t-elle pas de spectre infrarouge ou micro-onde ?: N₂ n'a pas de moment dipolaire permanent, et son élongation symétrique n'en crée pas, de sorte que ni sa rotation ni sa vibration ne peuvent interagir avec la lumière par le mécanisme dipolaire. Elle est cependant détectable par diffusion Raman.
Que nous apprend l'espacement des raies de rotation ?: Les raies sont espacées de deux fois la constante de rotation, qui est inversement proportionnelle au moment d'inertie. La mesure de cet espacement permet donc d'obtenir le moment d'inertie et, pour une molécule diatomique, directement la longueur de liaison.