과연 FT-IR은 모든 결합기와 작용기를 검출할까?
적외선을 이용한 FT-IR은 어떤 결합기와 작용기를 검출할 수 있는 지 알아봅시다
FT-IR을 사용하면 모든 결합기와 작용기를 검출할 수 있을까?
FT-IR은 적외선을 조사했을 때 발생하는 분자의 진동 전이를 이용해 결합기 또는 작용기를 확인할 수 있습니다. 그렇다면 실제로 모든 분자는 진동을 하니 모든 분자를 FT-IR로 검출할 수 있는 것인지 알아볼까요?
적외선(IR) 활성화와 비활성화
결론부터 말하면 IR은 일부 결합기와 작용기는 검출할 수 없습니다. 검출 여부는 적외선 활성화(IR Active) 및 비활성화(inactvie)와 관련이 있는데요. IR Active가 일어나는 상황에서만 FT-IR을 통한 검출이 가능합니다. 그렇다면 IR Active와 Inactive는 각각 어떤 상황에서 발생하는지 확인해 보겠습니다.
IR Active에 대하여
활성화 조건1: 고유 진동수와 IR 주파수의 매칭
IR active가 일어나기 위한 첫 번째 조건은 분자의 결합에서 발생하는 진동 운동의 고유 진동수와 IR 파수의 일치 여부입니다.
분자는 끊임없이 진동 운동을 하며, 이러한 진동은 크게 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 화학 결합의 길이가 주기적으로 늘어나거나 줄어드는 신축 진동(stretching vibration), 두 번째는 화학 결합의 각도가 주기적으로 변하는 굽힘 진동(bending vibration)입니다. 이 모든 진동은 고유한 진동수를 가지며, 분자의 특성을 반영합니다.
FT-IR 분석이 가능하려면 시료에 IR(적외선)이 조사될 때, 분자가 IR 에너지를 흡수할 수 있어야 합니다. 이를 위해서는 분자의 고유 진동수가 IR의 주파수와 일치해야 하며, 이 경우에 공명 현상이 발생하여 에너지가 흡수됩니다. 다시 말해, 분자가 아무리 진동하더라도 IR 주파수와 공명하지 않으면 FT-IR을 통해 분석할 수 없습니다.
신축진동(Stretching Vibration)
굽힘진동(Bending Vibrations)
활성화 조건2: 쌍극자모멘트
IR active가 일어나기 위한 두 번째 조건은 쌍극자모멘트의 변화가 발생하는지 여부입니다.
쌍극자 모멘트는 극성 분자에서 전기음성도 차이로 인해 전자 쌍이 한쪽으로 치우칠 때 생성되는 전하를 의미하는데요.
적외선은 전자기파의 일종으로 전기장 성분을 포함하고 있어서 분자의 진동이 적외선과 상호작용하려면, 반드시 쌍극자모멘트의 변화가 발생해야 합니다. 이는 IR 활성(IR active)의 두 번째 조건으로, 분자의 진동이 쌍극자 모멘트 변화를 유발해야만 IR 흡수가 가능해집니다.
쌍극자모멘트
IR active는 위에서 설명드린 2가지 조건을 모두 충족해야 일어나며 두 조건이 충족되었을 때 FT-IR을 통해 분자의 결합에 대한 정보를 확인할 수 있는 것입니다. 그렇다면 대표적으로 어떤 경우에 분석이 어려운지 한번 알아볼까요?
IR Inactive 분자는 무엇이 있을까?
대표적으로 IR 분석을 통해 확인할 수 없는 분자는 동핵 이원자 분자가 있습니다. 예를 들면 H2, O2와 같은 분자들인데요. 이 분자들은 쌍극자 모멘트가 존재하지 않기 때문에 Activce 조건 중 두 번째를 충족시키지 못합니다. 따라서 IR을 흡수할 수 없고 FT-IR을 통해 분자 결합에 대해 확인할 수 없습니다.
하지만 모든 무극성 분자가 IR inactive인 것은 아니며 진동 모드에 따라 쌍극자 모멘트가 변화될 수 있습니다. 예를 들어 이산화탄소는 진동 모드 중 비대칭 신축과 굽힘 진동을 기본 진동 모드로 가지고 있어 IR을 통해 확인할 수 있습니다.
이처럼 FT-IR을 측정하기 위해서는 먼저 분석하고자 하는 시료의 분자 구조와 특성(진동모드)에 대해 사전에 파악할 필요가 있습니다. 그 이후에 어떤 진동 모드에서 IR이 Inactive 인지 확인하면서 분석 결과를 해석해야 정확하게 분석을 수행할 수 있습니다.
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