background image

 

47

воды – пара,  жидкости  и  льда.  В  многочисленных  работах,  упомянутых  в [6-8], 
были  приведены  интерпретации  полос  поглощения,  которые  принадлежали 
отдельным  молекулам  НОН,  молекулам  воды  в  жидком  и  твёрдом  состояниях.  В 
теоретической 

спектроскопии 

под 

влиянием 

квантовой 

механики 

были 

сформулированы  определённые  подходы  к  интерпретации  колебаний  атомов  в 
составе молекул. 

В  уравнении  Шрёдингера,  для  системы  из N-осцилляторов,  переменные 

разделяются,  если  в  качестве  переменных  пользоваться  так  называемыми 
нормальными  координатами [12]. При  введении  нормальных  координат,  движение 
ядер  описывается  нормальными  колебаниями,  при  которых  все  атомы  (ядра)  в 
молекуле
 движутся с одинаковой частотой и одинаковой фазой. 

В  общем  случае  молекула,  состоящая  из N-атомов,  имеет 3N-6 (3N-5 для 

линейных  молекул)  нормальных  колебаний.  Далее  допускается,  что  частота  и  фаза 
колебаний  всех  атомов  одинаковы,  все  атомы  достигают  положения  максимальных 
смещений  в  одно  и  то  же  время,  и  одновременно  проходят  через  равновесные 
положения. 

Поэтому, у молекулы воды должны присутствовать три нормальных колебания: 

1 – валентное симметричное, 
2 – валентное асимметричное, 
3 – деформационное симметричное. 

Действительно,  в  ИК-спектре  паров  воды  присутствуют  три  полосы 

поглощения с частотами (в см

- 1

): 

1

 = 3652 – валентное симметричное колебание связи О-Н; 

3

 = 3755 – валентное асимметричное колебание связи О-Н; 

2

 = 1595 – деформационное колебание угла Н-О-Н. 

Отметим,  что  эта  интерпретация  полос  поглощения  в  ИК-спектре  молекулы 

воды,  была  сделана  и  общепринята  при  условии  равноценности  двух  связей  Н-О-Н 
в молекуле воды. 

Однако  в  классическом  понимании  без  условий  квантовой  механики 

колебательные  движения  атомов  в  молекуле  делятся  на  два  класса: 1) валентные 
колебания – в  этом  случае  движение  атомов  происходят  вдоль  валентной  связи,  и 
2)  деформационные  колебания – колебательное  движение  атомов,  при  котором 
происходит изменение величины угла между двумя связями. 

Поэтому, у молекулы воды должны быть только два колебания – это валентные 

колебания связей О-Н и деформационные колебания угла Н-О-Н. В реальности же в 
ИК-спектрах  регистрируются  три  полосы  поглощения  с  частотами,  отмеченными 
выше. 

В  чем  же  дело?  А  смысл  этого  дела  заключается  в  том,  что  две  ОН-группы 

молекулы  Н-О-Н  имеют  разную  энергию  связи:  один  атом  Н  связан  с  валентным 
диполем  дейтерия,  а  другой  атом  Н  связан  с  валентным  диполем  трития.  При  этом 
тритий  и  дейтерий  входят  в  состав  атома  О  (см.  табл. 4)(о  величинах  энергии  в 
связях О-Н упоминалось выше). Поэтому полосу 3755 см

- 1

 мы приписываем к связи 

О-Н  с  участием  трития,  а  полосу  с  частотой 3652 см

- 1

 – связи  О-Н  с  участием 

дейтерия. 

В  работах [9, 11] отмечалось,  что  полосы 

1

  и 

3

  ведут  себя  по  разному  при 

различных  взаимодействиях  молекулы  Н-О-Н,  например  при  образовании 
водородной связи, при взаимодействии с другими молекулами, с ионами и т.д. 

В  спектре  жидкой  воды  наблюдаются  полосы 

3600, 1640 и 3450 см

- 1

;  полоса 

3755  см

- 1

  не  проявляется.  Полагаем,  что  высокочастотная  О-Н  группа,  при 

образовании  водородной  связи  с  молекулами  воды  смещается  до 3580-3600 см

- 1

,  а 

низкочастотная  О-Н  группа  до 3450 см

- 1

.  Разность  частот  между 

1

  и 

3

  в  паре 

составляет  примерно 

103  см

- 1

,  а  в  жидкой  воде  примерно 

130  см

- 1

,  что