FT-IRでわかる同位体効果 ― O–H と O–D の波数の違い

FT-IRで振動を見る

赤外分光法（FT-IR）は、
分子が持つ特定の赤外線吸収パターン（分子の振動）を測定する装置・手法です。

• 結合の伸び縮み（伸縮振動）
• 曲がる動き（変角振動）

などに対応する赤外吸収ピークを得ることで、化学構造などを調べます。

O–H 結合と O–D 結合の違い

水素を重水素（D）に置き換えると、O–H 結合は O–D 結合になります。

• O–H：軽い
• O–D：重い

振動数は原子の質量に依存するため、

• 伸縮振動
• 変角振動

に由来する吸収ピークは、O-HとO-Dで、波数が大きく異なります。

振動数は質量で変わる

振動数 ν は$$\nu \propto \sqrt{\frac{k}{\mu }}$$ν∝μk​​

で表されます。

• $k$：結合の硬さ（バネ定数）
• $\mu$：換算質量（結合している原子の質量から計算）

同位体で $k$ はほぼ同じなので、
違いは質量 $\mu$ だけです。

O–H と O–D の波数比

換算質量の比を簡単に考えると、O–D は O–H の 質量がほぼ2倍 になります。

その結果、振動数は$${\nu }_{\mathrm{O}\mathrm{D}}\mathrm{/}{\nu }_{\mathrm{O}\mathrm{H}}\approx \frac{1}{\sqrt{2}}\approx 0.707$$νOD​/νOH​≈2​1​≈0.707

となります。

つまり O–D の伸縮振動は O–H の約 1/√2 の波数に現れる、というわけです。

ただし、これは理論上の計算によるもので、

実測値は水素結合などの影響によって変化します。

FT-IRでの同位体効果の見え方

• 結合の形は同じでも、原子の重さが違うだけで波数が下がる
• 振動エネルギーが変わる
• 同位体効果を実験で確認できる典型例

ポイント

• 赤外吸収は、結合の振動エネルギーに依存
• 質量が大きくなると振動が遅くなる
• その結果、波数が低くなる