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1、 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析讲述人讲述人:万佳祺万佳祺 主要内容主要内容一一 概述概述二二 红外吸收基本理论红外吸收基本理论 三三 红外吸收光谱分析方法和应用红外吸收光谱分析方法和应用 红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法。一、红外光区的划分及主要应用一、红外光区的划分及主要应用 一、概述一、概述 红红外外光光谱谱在在可可见见光光和和微微波波光光区区之之间间，其其波波长长范范围围约约0.781000m。习习惯惯上上按按红红外外光光波波长长，将将红红外外光光谱谱分分成成三三个个区域：区域：近红外（泛频区）近红外（泛频区）0.782.5m 120004000cm-1
2、 中红外（基本振动区）中红外（基本振动区）2.550m 4000200cm-1远红外（转动区）远红外（转动区）501000m 20010cm-1二、红外光谱法特点二、红外光谱法特点 红红外外光光谱谱不不涉涉及及分分子子的的电电子子能能级级，主主要要是是振振动动能能级跃迁和转动能级的跃迁。级跃迁和转动能级的跃迁。2.2.涉及绝大多数有机物。涉及绝大多数有机物。3 3、红外光谱的结构信息丰富。、红外光谱的结构信息丰富。4 4、物物质质对对红红外外辐辐射射的的吸吸收收强强度度与与物物质质含含量量的的关关系系符符合合朗朗伯比尔定律，可以定量分析，但一般只做结构分析。伯比尔定律，可以定量分析，但一般只做
3、结构分析。5 5、非破坏性分析。、非破坏性分析。三、红外光谱图表示方法三、红外光谱图表示方法以透射比以透射比T为纵坐标，以波长为纵坐标，以波长（m）或波数）或波数1/（，cm-1）为横坐标作图得到红外吸收光谱图。）为横坐标作图得到红外吸收光谱图。从红外光谱图上得到的信息：从红外光谱图上得到的信息：峰的数目峰的数目峰的形状峰的形状峰的位置峰的位置峰的强度峰的强度二、红外吸收基本理论二、红外吸收基本理论 一、一、分子的振动与振动能级分子的振动与振动能级1、对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟、对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。
4、双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。这里弹簧的这里弹簧的k值就相当于化学键的强度（值就相当于化学键的强度（N/cm）。）。二、分子的振动方式二、分子的振动方式 构构成成分分子子的的原原子子不不是是静静止止不不动动的的，原原子子在在其其平平衡衡位位置置做做相相对对运运动动，从从而而产产生生振振动动！原原子子与与原原子子之之间间的的相相对对运运动动无无非非有有两两种种情情况况，即即：键键长长发发生生变变化化（伸伸缩缩振振动动），键角发生变化（弯曲振动）键角发生变化（弯曲振动）对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动伸缩振动有对称和不
5、对称伸缩以亚甲基伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基CH2为例为例对于多原子分子来说，对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。包括伸缩振动和弯曲振动。n ns Vas弯曲振动：键角发生变化而键长不变弯曲振动：键角发生变化而键长不变弯曲振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。弯曲振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。r rd d面外弯曲振动面外弯曲振动w wt t三、分子的振动自由度三、分子的振动自由度分分子子振振动动形形式式的的多多少少称称为为振振动动的的自自由由度度。如如果果一一个个分分子子有有N N个原子，在三维空间里个原子，在三维空间里N N个原子的总运动自由度为个原子的总运动自由度为3N3
6、N。（1 1）平动：分子作为一个整体在空间平移。）平动：分子作为一个整体在空间平移。分子在空间的运动形式有三种：平动，转动，振动。分子在空间的运动形式有三种：平动，转动，振动。（2 2）转动：分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。）转动：分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。对于线形分子：对于线形分子：有两种转动方式，转动自由度为有两种转动方式，转动自由度为2 2对于非线形分子：对于非线形分子：有三种转动方式，转动自由度为有三种转动方式，转动自由度为3 3（3 3）振动）振动对对于于有有N N个个原原子子的的分分子子来来说说，振振动动自自由由度度=运运动动自自由由度度平平动自由度转动自由度动自
7、由度转动自由度对于线性分子：振动自由度对于线性分子：振动自由度3N5对于非线性分子：振动自由度对于非线性分子：振动自由度3N6苯苯，3N3N6 63030种种，实实际际上上苯苯的的红红外外谱谱图图上上只只有有几几个个吸吸收收峰峰！说说明明：不不单单苯苯，许许多多化化合合物物在在红红外外谱谱图图上上的的吸吸收收峰峰数数目要远小于其振动自由度（理论计算值）。目要远小于其振动自由度（理论计算值）。原原因因:(1):(1)相相同同频频率率的的峰峰重重叠叠（2 2）频频率率接接近近或或峰峰弱弱，仪仪器器检检测测不不出出（3 3）有有些些吸吸收收峰峰落落在在仪仪器器的的检检测测范范围围之之外外（4 4）并
8、并不不是是所所有有的的振振动动都都产产生生红红外外吸吸收收。那那什什么么情情况况下下的振动产生红外吸收？的振动产生红外吸收？光光是是电电磁磁波波，分分子子也也有有电电场场（偶偶极极矩矩），分分子子中中的的原原子子在在振振动动时时，偶偶极极矩矩会会发发生生变变化化。红红外外吸吸收收的的产产生生是是由由于于分子电场和红外光电场的相互耦合作用。分子电场和红外光电场的相互耦合作用。分子吸收红外辐射必须同时满足三个条件：分子吸收红外辐射必须同时满足三个条件：（1 1）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。（2 2）只只有有能能使使偶偶极极矩矩发发生生变变化化的的振
9、振动动形形式式才才能能吸吸收收红红外外辐射。辐射。（3 3）分分子子的的振振动动频频率率与与红红外外辐辐射射的的频频率率相相同同时时才才能能发发生生红外吸收。红外吸收。a a、对对称称分分子子：没没有有偶偶极极矩矩，辐辐射射不不能能引引起起共共振振，无无红红外外活性，如：活性，如：N N2 2、O O2 2、C Cl l2 2 等。等。b b、非对称分子：有偶极矩，红外活性。、非对称分子：有偶极矩，红外活性。跃迁几率和偶极矩的变化值跃迁几率和偶极矩的变化值（1 1）从从基基态态向向第第一一激激发发态态跃跃迁迁几几率率大大，基基频频峰峰一一般般较较强强，而倍频峰一般较弱而倍频峰一般较弱（2 2）
10、对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强原原子子的的电电负负性性相相差差越越大大，即即键键的的极极性性越越大大，偶偶极极矩矩变变化化越大：越大：C-ClC-Cl比比C CH H强强偶极矩比较：不对称伸缩偶极矩比较：不对称伸缩对称伸缩，伸缩对称伸缩，伸缩弯曲弯曲分子的对称性越差，偶极矩变化越大分子的对称性越差，偶极矩变化越大五、基团振动与红外吸收光谱五、基团振动与红外吸收光谱（1 1）各各种种基基团团的的振振动动频频率率不不一一样样，因因此此其其对对红红外外光光的的吸吸收收频频率率也也不不一一样样。每每种种基基团团都都有有特特征征的的红红外外吸吸
11、收收光光谱谱，无论该基团是在什么样的分子结构中。无论该基团是在什么样的分子结构中。（2 2）同同一一基基团团在在不不同同的的化化学学环环境境中中其其吸吸收收峰峰会会发发生生变变化。如羰基化。如羰基C CO O，红外吸收峰在，红外吸收峰在1700cm-11700cm-1附近附近R RC COH 1730 OH 1730 ；R RC CO OOH 1760OH 1760R RC CO OOR 1740 OR 1740 ；R RC CO ONH2 1690NH2 1690几个名词术语几个名词术语（1 1）基基频频峰峰：分分子子吸吸收收一一定定频频率率红红外外线线，振振动动能能级级从从基基态态跃跃迁迁
12、至至第第一一振振动动激激发发态态产产生生的的吸吸收收峰峰；基基频频峰峰是是红红外外主要吸收峰主要吸收峰（2 2）倍倍频频峰峰：分分子子的的振振动动能能级级从从基基态态跃跃迁迁至至第第二二振振动动激激发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰。发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰。（3 3）组频峰：组频峰：振动之间相互作用产生的吸收峰振动之间相互作用产生的吸收峰（4 4）泛频峰：泛频峰：倍频峰组频峰倍频峰组频峰（5 5）特征峰：特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。可用于鉴别官能团存在的吸收峰。（6 6）相关峰：相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关由一个官能团引起的一组具有相互
13、依存关系的特征峰系的特征峰红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域（1）基基频频区区(40001350cm-1)又又称称为为特特征征区区或或官官能能团团区，其特征吸收峰可作为鉴定基团的依据。区，其特征吸收峰可作为鉴定基团的依据。特点：吸收峰稀疏，易辨认，一般为伸缩振动产生。特点：吸收峰稀疏，易辨认，一般为伸缩振动产生。XH伸缩振动区伸缩振动区 (4000 2500cm-1)三键及累积双键区三键及累积双键区(25001900cm-1)双键伸缩振动区双键伸缩振动区 (19001200cm-1)（2）指纹区）指纹区(1350600 cm-1）指指纹纹区区的的吸吸收收峰
14、峰是是由由于于CN，CO，CS等等单单键键和和C=S，S=O等等双双键键的的伸伸缩缩振振动动以以及及分分子子骨骨架架中中多多数数基基团团的变形振动所引起。的变形振动所引起。特特点点：各各种种单单键键的的强强度度接接近近，相相邻邻单单键键之之间间相相互互作作用用，吸吸收收光光谱谱复复杂杂；弯弯曲曲振振动动的的能能级级差差小小，谱谱带带结结构构细细微微差差别，在指纹区有反映。别，在指纹区有反映。三、三、红外吸收光谱分析方法红外吸收光谱分析方法红红外外光光谱谱仪仪由由光光源源（硅硅碳碳棒棒）、吸吸收收池池、干干涉涉仪仪、计算机、检测器和记录仪组成。计算机、检测器和记录仪组成。制样气体样品：一般灌注于
15、玻璃气槽内测定，样品池两端黏合能透红外光的窗片，抽成真空再灌注试样测定。液体试样：溶液法和液膜法。溶液法是将液体试样溶在适当的红外溶剂中（CS2，CCl4，CHCl3等）然后注入固定池中进行测定。液膜法是在可拆池两窗之间，滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜。固体试样：压片法、糊状法和薄膜法。压片法通常按照固体样品和KBr为1：100研磨，用高压机压成透明片后再进行测定。糊状法就是把试样研细滴入几滴悬浮剂（石蜡油），继续研磨成糊状然后进行测定。薄膜法主要用于高分子化合物的测定，通常将试样溶解在沸点低易挥发的溶剂中，然后倒在玻璃板上，待溶剂挥发成膜后再用红外灯加热干燥进一步除去残留的溶剂，制成的膜直
16、接插入光路进行测定。红外吸收光谱分析方法红外吸收光谱分析方法计算给出化学式化合物的不饱和度U=1+n4+(n3-n1)/2,n1,n3,n4分别表示含有一价、三价和四价原子的数目。将整个红外光谱划分成特征官能团区（40002500cm-1）和指纹区（1333667cm-1），从高频到低频检查吸收峰存在的情况，找到化合物可能类别和主要官能团。将官能团划分成三波段：40002500cm-1该区域的吸收峰表征有氢原子官能团，如羟基羧基，再看相应基团的吸收峰确定官能团；25002000cm-1反映了含三键的化合物以及X-H（S、Si、B、P）基团的存在；20001333cm-1反映了含有双键的化合物。将指纹区分为两个区：1333990cm-1区包括了C-O、C-N、C-P、C-Si、P-O等单键的伸缩振动吸收和C=S、S=O、P=O等键的伸缩振动吸收获变形吸收；在900667cm-1区内的吸收可以指示（CH2）4，反映双键的取代程度、构型、苯环上取代基的位置等。确定了类型和可能含有的官能团后，按类查表；最后与标准图谱对照。红外吸收光谱的应用红外吸收光谱的应用 （1）官能团定性分析（2）有机化合物结构分析（3）跟踪化学反应（4）定量分析；基本依据是朗伯-比尔定律，A=bc，式中A为吸光度,为摩尔吸光系数,b样品槽厚度,c样品浓度