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红外吸收光谱法

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红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法
红外吸收光谱法简称红外光谱法。

当一定频率（能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射频率一致时，光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。

将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图，利用光谱图中吸收峰的波长、强度和形状来判断分子中的基团，对分子进行结构分析。

常用于中药化学成分的结构分析。

红外光谱法，又称“红外分光光度分析法”，是分子吸收光谱的一种。

根据不同物质会有选择性的吸收红外光区的电磁辐射来进行结构分析；对各种吸收红外光的化合物的定量和定性分析的一种方法。

物质是由不断振动的状态的原子构成，这些原子振动频率与红外光的振动频率相当。

用红外光照射有机物时，分子吸收红外光会发生振动能级跃迁，不同的化学键或官能团吸收频率不同，每个有机物分子只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱，所得到的吸收光谱通常称为红外吸收光谱，简称红外光谱“IR”，对红外光谱进行分析，可对物质进行定性分析。

各个物质的含量也将反映在红外吸收光谱上，可根据峰位置、吸收强度进行定量分析。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

）．未知物结构的测定 （ 2 ）．未知物结构的测定
基本方法： 基本方法：图谱解析 测绘样品的红外谱图 分析吸收峰的位置、形状、强度等要素 分析吸收峰的位置、形状、 确定分子中所含的基团或化学键 推断分子的结构
步骤1 步骤1： 准备工作 了解样品的来源、制备过程、外观、 了解样品的来源、制备过程、外观、 纯度、 纯度、经元素分析后确定的化学式以及熔 沸点、溶解性质等物理性质， 点、沸点、溶解性质等物理性质，取得对 样品有个初步的认识或判断
特点 光谱来源：分子振动和转动； 光谱来源：分子振动和转动； 样品：气态、液态、固态样品； 样品：气态、液态、固态样品； 应用：结构分析。 应用：结构分析。
一、
红外吸收光谱法的基本原理
1、红外光谱(IR)的产生 、红外光谱 的产生 样品受到的红外光照 射时， 射时，分子吸收其中 一些频率的辐射， 一些频率的辐射，发 生振-转能级的跃迁, 生振-转能级的跃迁, 分子的偶极矩发生变 即得红外光谱。 化，即得红外光谱。
3. 单色器
组成：色散元件、准直镜和狭缝。 组成：色散元件、准直镜和狭缝。 棱镜： 单晶。 棱镜：LiF、CaF2、NaF、KBr单晶。 、 、 单晶 光栅：可用几个光栅组合。 光栅：可用几个光栅组合。
三、
红外光谱法的应用
1
）．已知物的鉴定 （ 1 ）．已知物的鉴定 ）．未知物结构的测定 （ 2 ）．未知物结构的测定
二、色散型红外光谱仪
与紫外可见分光光度计对比 基本组成部件相似： 均有光源、吸收池、 基本组成部件相似： 均有光源、吸收池、单 相似 色器、检测器等。 色器、检测器等。 每个部件的结构、材料和性能不同： 每个部件的结构、材料和性能不同： 不同 如光源、吸收池等。 如光源、吸收池等。

第三章 红外吸收光谱法

第三章 红外吸收光谱法
第三章
红外吸收光谱法
01 基础知识
02 光栅型红外分光光度计
目录
CONTENTS
03 傅里叶变换红外光谱仪 04 样品的制备
05 实训五 乙酰苯胺的红外光谱测定
06 实训六 苯乙酮的红外光谱测定
案例 导入
药检中经常会遇到硫酸小诺霉素注射液与硫酸庆 大霉素注射液，虽然两者临床药理作用和毒副反应 相差甚多，但从它们的显色反应、薄层斑点位置等 化学鉴定方法来看，两者是难以进行区分的，由于 硫酸小诺霉素注射液在市场上的出售价格要比硫酸 庆大霉素注射液高出许多倍，这样就导致一些不法 分子利用这可乘之机，来进行假药的制作与销售。 因此，必须严把药品质量关，解决这一问题。用什 么方法可以高度准确地将问题彻底解决呢？
04 典型光谱
1 . 芳烃类 取代苯的主要特征峰有： νΦ—Ｈ3100～3030cm-1（ｍ）；νＣ＝Ｃ（骨架振动）～1600cm-1（ｍ或s）及～ 1500cm-1（ｍ或s）；γΦ—Ｈ910～665cm-1（s）；泛频峰2000～1667cm-1（w,vw）。现 以甲苯为例说明取代苯的红外吸收特征，如图3－1所示。
04 典型光谱
2 . 醇、酚、羧酸类 （３）νＣ＝Ｏ
νＣ＝Ｏ是此三类化合物中羧酸独有的重要特征吸收峰，峰位为1740～1650cm-1的高 强吸收峰，干扰较少。可据此区别羧酸与醇和酚。
04 典型光谱
3 . 醛、酮类 （１）醛类
主要特征峰：νＣ＝Ｏ1725cm-1（s）及醛基氢νＯ＝Ｃ—Ｈ～2820与2720cm-1两个吸收 峰。若羰基与双键或芳环共轭，将使νＣ＝Ｏ峰向低波数方向移动至1710～1685cm-1。
2 . 醇、酚、羧酸类
图 3-4 正辛醇、丙酸、苯酚的红外吸收光谱图

红外吸收光谱分析法

红外吸收光谱分析法

红外吸收光谱分析法
一、红外吸收光谱分析法概述
红外吸收光谱分析法是一种利用物质的红外光吸收能力来探测它们的物质组成的技术。

它特别适用于有机化合物和无机化合物的光谱分析。

通过分析红外吸收光谱，可以检测物质中的有机键、C-H键、C-O键或N-H 键的存在和位置，从而鉴定出物质的化学结构和性质。

红外光吸收法的原理是，物质中的分子、晶体或其他结构会在不同的波长处吸收光，产生光谱，这些吸收光谱是物质的独特特征，反映出物质的特性。

根据这种特性，分析用不同波长的光照射样品，并从所得到的光谱中提取出电子激发、分子振动等信息，从而得到物质的结构和性质。

二、红外吸收光谱分析法基本原理
红外吸收光谱分析法的原理是，当物质受到红外幅射的照射时，它的分子会产生振动和旋转，这些振动和旋转的能量会转化为更高能量的电子跃迁。

这些电子跃迁会引起物质材料吸收一些具有特定波长的红外光，从而产生在不同波长的吸收光谱，通过分析这些吸收光谱，就可以求取物质分子的结构和性质。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

16:12:58
k为化学键的力常数（单位：N·cm-1 ）,为双 原子折合质量（单位为g）
m1m2
m1 m2
若原子的质量用原子质量单位(u，1u=1.66×10-24g) 表示，则成键两原子的折合质量应为：
(m1
m1m2 m2 ) 6.02
10 23
16:12:58
❖ 从分子简谐振动方程可知，分子振动频率与化 学键的键力常数、原子质量有关系.
四、紫外吸收光谱与红外吸收光谱的区别
1. 光谱产生的机制不同 紫外：电子光谱； 红外：振－转光谱
2. 研究对象和使用范围不同 紫外：研究不饱和化合物，具有共轭体系； 红外：凡是在振动中伴随有偶极矩变化的化合
物都是红外光谱研究的对象。可研究几乎所有的有 机物。
16:12:58
五、红外光谱法的特点和应用
分子的振动总能量：
Ev
(v
1 )h
2
（v = 0, 1, 2, ···）
式中， v 为振动量子数，ν为分子 振动频率。
16:12:58
在室温时，分子处于基态（v = 0），此时伸 缩振动振幅很小。当有红外辐射照射分子时，若 辐射光子所具有的能量恰好等于分子振动能级差 时，则分子吸收光子能量跃迁至振动激发态，导 致振幅增大。
16:12:58
(二) 吸收谱带的强度
➢ 分子振动时偶极矩是否变化决定了该分子能
否产生红外吸收，而偶极矩变化的大小又决定了 吸收谱带的强弱。
➢ 根据量子理论，红外光谱的强度与分子振动
时偶极矩变化的平方成正比。
➢ 偶极矩的变化与固有偶极矩有关。一般极性
比较强的分子或基团吸收强度都比较大，极性比 较弱的分子或基团吸收强度都比较弱。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

H 3C
C
H BrH 2 C
C
Cl C l 2 H C
C
C
F
C
F
C
F
4.47 1752
5.41 1794
5.59 1803
5.73 1820
6.92 1868
7.90 1928
诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（兰移） 诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（兰移）
(2) 中介效应(M效应) 中介效应(M效应 效应)
二、红外吸收过程
UV——分子外层价电子能级的跃迁（电子光谱） UV——分子外层价电子能级的跃迁（电子光谱） IR——分子振动和转动能级的跃迁 IR——分子振动和转动能级的跃迁 （振转光谱） 振转光谱）
二、红外光谱的表示方法
T~λ曲线 T~λ曲线
104 σ (cm−1 ) = λ(µm)
T ~σ曲线 ~σ曲线
续前
2）泛频峰 倍频峰： 倍频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激 发态、 发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰 （即V=1→V=2，3- - -产生的峰） V=1→V=2 产生的峰）
即 ν L = ∆V ⋅ν
泛 频 峰
倍频峰
ν 二倍频峰（V=0→V=2 ∆V 二倍频峰（V=0→V=2） ∆V = 2 ⇒ν L = 2 三倍频峰（V=0→V=3） ∆V = 3 ⇒ν L = 3 三倍频峰（V=0→V=3 ν 合频峰 ν L =ν1 +ν2 差频峰（ V=1→V=2 差频峰（即V=1→V=2，3- - -产生的峰）ν L =ν1 −ν2 产生的峰）
1 ⇒分子振动总能量 EV = V + ）hν （ ⋅ 2 ν →分子振动频率

仪器分析第十五章红外吸收光谱法

仪器分析第十五章红外吸收光谱法
单 核 芳 烃 的 C ＝ C 伸 缩 振 动 出 现 在 1600 － 1500cm-1附近，有2－4个峰，这是芳环的骨架振动， 用于确定有无芳核的存在。
苯的衍生物在2000－1650cm-1区域出现C－H面外弯曲变 形振动的倍频或者组合频吸收，但因为强度较弱，只有在加 大样品浓度时才呈现出来。可以根据该区的吸收情况，判断 苯环的取代情况。
影响基团频率位移的因素－外部因素和内部因素
（1）电子效应－包括诱导效应、共轭效应和中介 效应，是由于化学键的电子分布不均匀引起的。
诱导效应（I效应）－由于取代基的不同的电负性， 通过静电诱导作用，引起分子中的电子分布的变化， 改变了键的力常数，使特征频率发生位移。例如有 电负性较强的元素如Cl与羰基相连时，由于诱导效 应，发生氧上电子转移，使C=O的力常数变大，吸 收向高波数移动。元素电负性越强，移动越厉害。
组频——如果分子吸收一个红外光子，同时激 发了基频分别为v1和v2的两种跃迁，此时所产 生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频 率之和，故称组频。
对谐振子，倍频、组频均为禁阻跃迁。
但由于真实分子的非谐性，倍频、组频跃迁几 率并不为零。但强度都很弱。
分子的振动自由度
每个原子在空间的位置必须有三个坐标来确定， 则由N个原子组成的分子就有了3N个坐标，或称为 有3N个运动自由度。分子本身作为一个整体，有三 个平动自由度和三个转动自由度。
线性分子只有两个转动自由度，因为总有一个 轴心于双原子分子的键轴重合，原子在空间的 坐标并不改变。线性分子的振动自由度为3N-5， 非线性为3N－6。
例如苯分子的振动自由度为3×12-6＝30，即30 种简正振动。任何一个分子的振动，都可看成 3N－6或者3N－5个简正振动的叠加而成。

仪器分析 第四章--红外吸收光谱法

仪器分析 第四章--红外吸收光谱法

章节重点：
分子振动基本形式及自由度计算；
红外吸收的产生2个条件；
各类基团特征红外振动频率；
影响红外吸收峰位变化的因素。
第八章 红外吸收光谱分 析法
第三节 红外分光光度计
1. 仪器类型与结构
2. 制样方法
3. 联用技术
1. 仪器类型与结构
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
弯曲振动：
1.4 振动自由度
多原子分子振动形式的多少用振动自由度标示。

三维空间中，每个原子都能沿x、y、z三个坐标方向独 立运动，n个原子组成的分子则有3n个独立运动，再除 掉三个坐标轴方向的分子平移及整体分子转动。

非线性分子振动自由度为3n-6，如H2O有3个自由度。 线性分子振动自由度为3n-5，如CO2有4个自由度。
某些键的伸缩力常数：
键类型: 力常数: 峰位:源自-CC15 2062 cm-1
-C=C10 1683 cm-1
-C-C5 1190 cm-1
-C-H5.1 2920 cm-1
化学键键强越强（即键的力常数K越大），原子折合 质量越小，化学键振动频率越大，吸收峰在高波数区。
1.2 非谐振子
实际上双原子分子并非理想的谐振子！随着振动量子 数的增加，上下振动能级间的间隔逐渐减小！
（1）-O-H，37003100 cm-1，确定醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐 ，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。
注意区分： -NH伸缩振动：3500 3300 cm-1 峰型尖锐
（2）饱和碳原子上的-C-H -CH3 2960 cm-1 2870 cm-1 反对称伸缩振动 对称伸缩振动

第十四章 红外吸收光谱法

第十四章 红外吸收光谱法

§14－1 红外吸收光谱基本原理
红外吸收光谱图
吸收带在光谱图中的位置可用波长（μ m）或波数（cm－1） 表示（横坐标）。光谱图的纵坐标，即吸收强度，可用百 分透光度或吸光度表示。
吸收峰出现的频率位置：由分子的振动能级差决定； 吸收峰的个数：由分子振动自由度的数目决定；
吸收峰的强度：取决于振动过程中偶极矩的变化以及 能级的跃迁几率。
它们主要包括X－H、C≡X和C＝X的伸缩振动。
2、指纹区
1300 cm－1以下的区域
主要属C－X的伸缩振动和H－C的弯曲振动频
率区。由于这些化学键的振动容易受附近化学键的
振动的影响，因此结构的微小改变可使这部分光谱
面貌发生差异。就如同每人指纹有差别一样，故 1300－700cm－1区间称指纹区。利用指纹区光谱 可识别一些特定分子。
3N=平动自由度+转动自由度+振动自由度
分子的平动和转动自由度
线型分子
非线型分子
平动自由度：3个 转动自由度：3个
平动自由度：3个 转动自由度：2个
分子的振动自由度
线型分子振动自由度的数目： 振动自由度=3N－平动自由度－转动自由度 =3N－5； 非线型分子振动自由度的数目： 振动自由度=3N－6 任何一个复杂分子的振动，都可视作由3N－6或 3N－5个简正振动叠加而成。
二、 影响基团频率位移的因素
影响频率位移的因素有内部因素和外部因素：
（一）外部因素 样品的状态、测定温度及溶剂极性等外部因素均会影响振 动频率: 1、状态：气态时因分子间作用力小，可观察到振动及转 动光谱的精细结构，且频率高。液态、固态分子间作用力大， 且当有极性基团存在时可能发生分子间缔合或氢键而使频率、 形状、强度都有变化，一般频率较低; 温度：在低温下，吸收带尖锐，随温度升高，带宽增加， 带数减小; 溶剂：由于溶质和溶剂间相互作用，频率有所变化。极性 溶剂使吸收带向低频方向移动；溶液浓度不同，分子间作用 力不同，频率也有变化。

红外吸收光谱法概述、条件、原理与应用

红外吸收光谱法概述、条件、原理与应用

振动自由度与红外吸收峰
大多情况实际吸收峰与理论计算不一致，也即并非 每一种振动方式在红外光谱图上都能产生一个吸收带， 一般要少得多。
H2O 振动自由度为 3×3-6=3 红外吸收就有3个峰： 3750cm–1，
3650cm-1，1595cm-1
图：水的红外光谱图
实际上红外谱图上的峰比理论值少得多，这 是由以下原因造成的：
线型
平动
非线型
转动
平动自由度：3个 转动自由度：2个
平动自由度：3个 转动自由度：3个
分子的振动自由度
线型分子振动自由度的数目： 振动自由度=3N－平动自由度－转动自由度 =3N－5；
非线型分子振动自由度的数目： 振动自由度=3N－6
任何一个复杂分子的振动，都可视作由3N－6或 3N－5个简正振动叠加而成。
解：
1 13Hale Waihona Puke 7k 2170cm1 1216
1216
力常数k=19N/CM
2 1307
19 1416
2080cm1
1416
分子振动的形式
（1）分子的振动类型
绝大多数的分子是多原子分子，其振动方式显然很复 杂。但可以把它的振动分解为许多简单的基本振动，并依据 振动形式的不同归为二类：
伸缩振动：
原子沿着化学键的方向作来回周期运动。只涉及化学键键
3、应用广泛：红外光谱不仅用于物质化学组成分析， 还可用于分子结构的基础研究，如研究测定分子键 长、键角。
4、本方法试样用量少，分析速度快，不破坏样品， 且气、液、固样品均可测定。
光谱表示形式
紫外
A
A吸光度
λ（nm）
红外
T透过率
红外光谱法与紫外吸收光谱的区别：

红外吸收光谱法(IR)

红外吸收光谱法(IR)

• 3、红外吸收光谱与分子结构的关系 一、基团的特征峰与相关峰 1、特征峰与相关峰 特征峰——具有能代表某基团存在并有较高强 度的特征频率的吸收峰。可用以鉴定官能团。 相关峰——某基团的一组特征峰构成该基团的 相关峰。 2、红外光谱的分区 常见有机物基团在4000~670cm-1有特征基团频 率。红外光谱划分为6个区域：
有些因素使红外吸收峰增多 （1）倍频和组合频的出现 （2）振动耦合 （3）费米（Fermi）共振 振动耦合——当两个基团位置相邻，且振动频率相近，有一个 公用原子连接，相应的特征峰发生分裂形成两个峰。 费米共振——泛频峰与基频峰的耦合 影响吸收峰强弱的因素：分子在振动能级之间的跃迁概率和振 动过程中的偶极矩的变化。 A、分子由基态振动能级（0=0）向第一激发态（1=0）跃迁的 概率较大，因此基频峰较强，倍频峰较弱或很弱。 B、极性基团（O－H、C=O、N－H 等）振动时，偶极矩变化 较大，有较强的吸收峰； 非极性基团（C－C、C=C等）的吸收峰较弱；分子越对称， 吸收峰越弱。
偶极矩（） =分子所带电量（q）正负电荷中心距离（d） 非极性双原子分子（N2、O2、H2）： 分子完全对称（d=0），无红外吸收。 极性分子（ 0）： 由于分子中的振动使d的瞬时值不断变化，从而不 断变化，有一个固定的变化频率。当照射的红外光 的频率与分子的偶极矩的变化频率相匹配时，分子 的振动（红外活性振动）与红外光发生振动偶合而 增加振动能，振幅加大，即分子由振动基态跃迁到 激发态。——吸收红外光
• (2).傅里叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）简介 原理：检测器得到一个干涉强度对光程差和红外光频率的函 数图，经过电子计算机进行复杂的傅立叶变换，得到普通的 吸光度或透光率随波数变化的红外光谱图。
（2）傅里叶变换红外光谱仪 （FTIR）

仪器分析 第4章 红外吸收光谱法

仪器分析 第4章 红外吸收光谱法

4.2 基本原理
4.2.3 多原子分子的振动类型(P56)
伸缩振动 (υ)：键长发生变化 1.简正振动基本形式 变形振动 (δ)：键角发生变化
伸缩振动（υ）
对称伸缩振动（υs）
不对称伸缩振动（υas）
变形振动（δ）
面内变形振动（β）
面外变形振动（γ）
亚甲基的各种振动形式
2. 基本振动的理论数（分子振动自由度）
4.4 试样的处理和制备
4.4 试样的处理和制备
4.4.1 红外光谱法对试样的要求 （1）单一组分纯物质，纯度 > 98%； （2）样品中不含游离水； （3）要选择合适的浓度和测试厚度， 使大多数吸收峰透射比处于10%～80%。
4.4 试样的处理和制备
4.4.2 制样方法 1.气体样品的制备 2.液体和溶液样品的制备 3.固体样品的制备
分子振动自由度：多原子分子的基本振动
数目，也就是基频吸收峰的数目。
基频吸收峰：分子吸收一定频率的红外光后，
其振动能级由基态跃迁到第一
激发态时所产生的吸收峰。
2. 基本振动的理论数
线型分子振动自由度 = 3N – 5(如CO2)
非线型分子振动自由度 = 3N – 6(如H2O)
图5.12 CO2分子的简正振 动形式
来指导谱图解析。
基本概念
基团频率区： 在4000～1300cm-1 范围内的吸收峰，有一 共同特点：既每一吸收峰都和一定的官能 团相对应，因此称为基团频率区。
在基团频率区，原则上每个吸收峰都可以找到归属。
基本概念
指纹区： 在1300～400cm-1范围内，虽然有些吸收也对应 着某些官能团，但大量吸收峰仅显示了化合物 的红外特征，犹如人的指纹，故称为指纹区。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

光区。

由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行定性分析。

在20世纪80年代以后，随着红外光谱仪由光栅色散转变成干涉分光以来，明显地改善了红外光谱仪的信噪比和检测限，使中红外光谱的测定由基于吸收对有机物及生物质的定性分析及结构分析，逐渐开始通过吸收和发射中红外光谱对复杂试样进行定量分析。

随着傅里叶变换技术的出现，该光谱区的应用也开始用于表面的显微分析，通过衰减全发射、漫反射以及光声测定法等对固体试样进行分析。

由于中红外吸收光谱（mid-infrared absorption spectrum，IR），特别是在4000~670cm-1（2.5~15μm）范围内，最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是红外光区应用最为广泛的光谱方法，通常简称为红外吸收光谱法。

它是本章介绍的主要内容。

远红外光区金属-有机键的吸收频率主要取决于金属原子和有机基团的类型。

由于参与金属-配位体振动的原子质量比较大或由于振动力常数比较低，使金属原子与无机及有机配体之间的伸缩振动和弯曲振动的吸收出现在<200 cm-1的波长范围，故该区特别适合研究无机化合物。

对无机固体物质可提供晶格能及半导体材料的跃迁能量。

对仅由轻原子组成的分子，如果它们的骨架弯曲模式除氢原子外还包含有两个以上的其它原子，其振动吸收也出现在该区，如苯的衍生物，通常在该光区出现几个特征吸收峰。

由于气体的纯转动吸收也出现在该光区，故能提供如H2O、O3、HCl和AsH3等气体分子的永久偶极矩。

过去，由于该光区能量弱，而在使用上受到限制。

因此除非在其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。

然而随着傅里叶变换仪器的出现，具有高的输出，在很大程度上缓解了这个问题，使得化学家们又较多的注意这个区域的研究。

二、红外吸收光谱法的特点紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外吸收光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。

红外吸收光谱法课件PPT

红外吸收光谱法课件PPT

02 红外吸收光谱仪的组成与 操作
红外吸收光谱仪的组成
01
02
03
04
光源
发射特定波长的红外光，为样 品提供能量。
干涉仪
将红外光分成两束，分别经过 样品和参比，再合并形成干涉
。
检测器
检测干涉后的红外光，转换为 电信号。
数据处理系统
处理检测器输出的电信号，生 成红外吸收光谱。
红外吸收光谱仪的操作流程
多光谱融合
将红外光谱与其他光谱技 术进行融合，实现多维度、 多角度的物质成分和结构 分析。
云平台与大数据
利用云平台和大数据技术， 实现红外光谱数据的共享、 挖掘和分析，推动科研合 作与成果转化。
感谢您的观看
THANKS
检查部件
定期检查仪器各部件是否正常 工作，如光源、干涉仪、检测 器等。
定期校准
为保证测试结果的准确性，应 定期对仪器进行校准。
数据备份
对测试结果进行备份，以防数 据丢失。
03 红外吸收光谱法的实验技 术
样品的制备与处理
样品制备
将待测物质研磨成粉末，以便更 好地分散在测试介质中。
样品处理
根据实验需求，对样品进行纯化 、干燥等预处理，以消除干扰因 素。
用于检测大气和水体中 的污染物，如挥发性有 机化合物、重金属等。
用于研究生物大分子的 结构和功能，如蛋白质、
核酸等。
红外吸收光谱法的历史与发展
历史
红外吸收光谱法自19世纪中叶被发现以来，经历了多个发展阶段，不断完善和 改进。
发展
随着仪器的改进和计算机技术的发展，红外吸收光谱法的应用范围不断扩大， 分析精度和灵敏度也不断提高。未来，红外吸收光谱法将继续在各个领域发挥 重要作用。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法

4.1 色散型红外光谱仪的主要部件
⑴ 光源。 常用的有能斯特灯和硅碳棒。 ⑵ 吸收池。 一般用盐类的单晶制作，这些单晶很容易吸湿，吸湿 后会引起吸收池窗口模糊。因此红外分光光度要求在特定 的恒湿环境中工作。同时为了防止和减少吸收池窗片的侵 蚀，被测试样应力求干燥。
⑶ 单色器。 单色器的作用是把通过试样池和参比池的复合光色散 成单色光，再射到检测器上加以检测。 色散元件有棱镜和光栅两种类型。目前生产的红外谱 仪都用平面反射式闪耀光栅作色散元件。 优点：是分辨率高，色散率高且近似线性，不被水侵 蚀，不需要恒温、恒湿设备，而且价格低。 缺点：光栅光谱存在次级间的重叠，因此需要在光栅 前加一滤光器，将不需要的其他次级的干扰光分离掉。 ⑷ 检测器。 可分为三类：真空热电偶、热电检测器和光电导检测 器。其中，真空热电偶是色散型红外光谱仪中最常用的一 种检测器。
4.2.1 迈克尔逊干涉仪工作原理图
4.2.3 傅里叶变换红外光谱仪的优点
光学部件简单，只有一个动镜在实验中转动，不宜磨损。 测量范围宽，其波数范围可达到10000~10cm-1 精度高，光通量大，所有频率同时测量，检测灵敏度高。 扫描速度快，可作快速反应动力学研究，并可与气相色谱 GC、液相色谱LC联用。 e 杂散光不影响检测。 f 对湿度要求不高。 a b c d
2.3.3 分子的振动自由度
双原子分子只有一种振动形式（伸缩振动），组成分 子的原子的原子很多，基本振动的数目就愈多。基本振动 的数目称为振动自由度。 每个振动自由度相应于红外光谱图上一个基频吸收峰。 每个原子在空间都有三个自由度，如果分子由n 个原子组 成，其运动自由度就有3n 个，这3n个运动自由度中，包 括3个分子整体平动自由度，3个分子整体转动自由度，剩 下的是分子的振动自由度。对于非线性分子振动自由度为 3n－6， 但对于线性分子，其振动自由度是3n－5。例如 水分子是非线性分子，其振动自由度=3×3－6=3.

第六章 红外吸收光谱法

第六章 红外吸收光谱法


m1m 2
(m1 m 2 )
分子振动的能量与振动频率之间的关系 E=（ +1/2）h=（ +1/2）hc 为振动量子数=0, 1, 2, 3
E振 h 2 k 1 （ ） 2
=0 → =1跃迁, 基态 → 第一激发态 即△ =1 振动能级跃迁的能量差为:
振动自由度= 3N-平动自由度-转动自由度
= 3N-6
= 3N-5
非线性分子
线性分子（所有分子在一条直线上）
如：H2O振动自由度 3×3 – 6 = 3三种基本振动形式
实际上红外谱图上峰的数目比理论值少得多
影响吸收峰数目的因素 (1)没有偶极矩变化的振动不产生红外吸收； (2)吸收频率相同，简并为一个吸收峰； (3)有时频率十分接近，仪器分辨不出，表现为一个吸收峰 (4)有些吸收程 度太弱，仪器检测不出
一、官能团区和指纹区
红外吸收光谱为了便于解析划分为两个区：
4000~1300cm-1 区域：是由伸缩振动产生的吸收
带，为化学键和基团的特征吸收峰，吸收峰较
稀疏，鉴定基团存在的主要区域——官能团区
1300~600cm-1 区域：吸收光谱较复杂，除单键
的伸缩振动外，还有变形振动。能反映分子结
构的细微变化——指纹区
§6-3 基团频率和特征吸收峰
基团的特征吸收峰——基团频率
• 组成分子的基团如：O-H、C=C、C=O等都有自 己特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收 位置影响较小。
• 通常把能代表某基团存在，并有较高强度的吸收 峰，称为特征吸收峰，所在的频率位置称为基团频 率。 • 基团频率——主要是一些伸缩振动引起的，用于 鉴定某官能团是否存在。基团不同，基团频率不同。

红外吸收光谱法

红外吸收光谱法
中红外光区吸收带（2.5 ~ 25µm ）是绝大多数 有机化合物和无机离子的基频吸收带（由基态振动 能级（=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所 产生的吸收峰称为基频峰）。
2024/7/18
3
由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动， 所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。 同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目 前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极 为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红 外光谱法。
例１ 水分子
2、峰数 ：理论值为 3n-6(3n-5)
2024/7/18 实际峰数不等于此值。(原因？）
18
在红外吸收光谱上除基频峰外，振动能级由基态
（ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3），所产生的吸收峰称为倍频峰
由=0跃迁至=2时， △=2，则L=2，产生的 吸收峰称为二倍频峰。
2024/7/18
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表 几种红外检测器
红外检测器 原理
构成
特点
热电偶
温 差 热 电 涂黑金箔（接受面）连接金属（热接 光谱响应宽且一致性
效应
点）与导线（冷接端）形成温差。 好、灵敏度高、受热噪 音影响大
涂黑金箔（接受面）作为惠斯顿电桥 稳定、中等灵敏度、较
测热辐射计 电桥平衡 的一臂，当接受面温度改变，电阻改 宽线性范围、受热噪音
由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。设分子 由n个原子组成，每个原子在空间都有3个自由度， 原子在空间的位置可以用直角坐标中的3个坐标x、y 、z表示，因此，n个原子组成的分子总共应有3n个 自由度，即3n种运动状态。
但在这3n种运动状态中，包括3个整个分子的质
心沿x、y、z方向平移运动和3个整个分子绕x、y、z
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CH 1238
二、芳香族化合物
1．芳氢伸缩振动 H 3100 ~ 3000cm（1 弱中）
2．芳环骨架伸缩振动——确定苯环存在
C（C 芳环）~ 1600 和 ~ 1500cm（1 强） 双峰 C（C 芳环）~ 1600 ，~ 1580 和 ~ 1500cm（1 三峰） C（C 芳环）~ 1600 ，~ 1580，~ 1500 和 ~ 1450cm（1 四峰）
三、振动的自由度
指分子独立的振动数目，或基本的振动数目
➢ N个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度
分子自由度 平动自由度 转动自由度 振动自由度 3N
分子振动自由度 3N （平动自由度 转动自由度）
非线性分子：F 3N 6 线性分子：F 3N 5 ✓ 注： • 振动自由度反映吸收峰数量 • 并非每个振动都产生基频峰 • 吸收峰数常少于振动自由度数
✓ 例：
as CH
s CH
续前
2．基频峰分布图
（二）影响吸收峰位的因素
1．内部因素： （1）诱导效应（吸电效应）：
使振动频率移向高波数区
吸电性 ，双键性 ，K
续前
（2）共轭效应： 使振动频率移向低波数区
共轭效应使 电子离域，双键性 ，K
续前
（3）氢键效应：使伸缩频率降低
近红外区：0.76~2.5μm —OH和—NH倍频吸收区 中红外区：2.5~25μm 振动、伴随转动光谱 远红外区：25~500μm 纯转动光谱
二、红外吸收过程
UV——分子外层价电子能级的跃迁（电子光谱） IR——分子振动和转动能级的跃迁 （振转光谱）
三、红外光谱的作用
1．可以确定化合物的类别（芳香类） 2．确定官能团： ✓ 例：—CO—，—C＝C—，—C≡C— 3．推测分子结构（简单化合物） 4．定量分析
不同类原子：
K影响大，K L ， ，（光谱区左端）
m折影响大，m折 L ， ，（光谱区右端）
✓ 例： CC
CC
CC
K 15N / cm K 10N / cm K 5N / cm
~ 2060cm1 ~ 1650cm1 ~ 1190cm1
✓ 例： CC CH
3）同一基团的振动形式不同 峰位不同
（二）影响峰强度的因素
▪ 振动过程中偶极矩的变化 ▪ 跃迁几率：激发态分子占所有分子的百分数
✓ 注： Δμ↑，跃迁几率↑， ε ↑
图示
续前
注：影响偶极矩大小的因素
1）化学键连有原子电负性的大小 电负性差别↑， Δμ ↑，峰↑
2）分子的对称性 ➢ 完全对称的结构，Δμ=0，产生红外非活性振动 ➢ 不对称的结构，Δμ≠0，产生红外活性振动
续前
（二）烯烃 1．C-H振动 CH 3100 ~ 3000cm（1 弱中强） CH 1010 ~ 650cm（1 强）
CCH (顺式） ~ 960cm（1 中 强） CCH (反式） ~ 690cm（1 中 强） 2．C=C骨架振动 CC ~ 1650cm（1 弱 不定）
• 顺式>反式
红外吸收光谱法
(一)
第一节 概述
红外分光光度法：利用物质对红外光区电磁辐射的 选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的 分析方法，又称红外吸收光谱法
一、红外光的区划 二、红外吸收过程 三、红外光谱的作用 四、红外光谱的表示方法 五、IR与UV的区别
一、红外光的区划
红外线：波长在0.76~500μm (1000μm) 范围内的 电磁波
1）剪式振动δ：振动中键角的变化类似剪刀的开闭
AX 2型分子
CH2 ~ 1465 20cm1
2）面内摇摆ρ：基团作为一个整体在平面内摇动
AX 2型分子
CH2 ~ 720cm1
— (CH2 )n — n 4
续前
2．面外弯曲γ：弯曲振动垂直几个原子构成的平面
1）面外摇摆ω：两个X原子同时向面下或面上的振 动
~ 2850cm1
s CH 3
~
2870cm1
2．反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生
AX 2型分子
AX 3型分子
as CH 2
~ 2925cm1
as CH 3
~
2960cm1
续前
（二）弯曲振动（变形振动，变角振动）： 指键角发生周期性变化、而键长不变的振动
1．面内弯曲振动β： 弯曲振动发生在由几个原子构成的平面内
一、红外吸收光谱的产生
1．振动能级
E振 0.05 ~ 1.0EV E转 0.0001 ~ 0.05V
E E振 E转 红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生 分子的振动能级差远大于转动能级差 分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁
续前
2．振动光谱
双原子分子A-B→近似看作谐振子 两原子间的伸缩振动→近似看作简谐振动
即振动能级跃迁所吸收的红外线的波长或波数
max , max 或 max
1．基本振动频率
1 K 2 m折
1302 K
m折
其中
m折
m1 m2 m1 m2
注： 与K 和m折有关
讨论：
1）K相近，m折 ， （光谱区右端）
✓ 例： CH CC CO
2）同类原子：m折一定，K ， ，（光谱区左端）
✓ 注： • 相关峰的数目与基团的活性振动及光谱的波数范围
有关 • 用一组相关峰才可以确定确定一个官能团的存在
图示
CN 2247cm1
as CH 2
3090cm1
s CH 2
1639cm1
CH2 990cm1
CH 909cm1
back
红外吸收光谱法
(二)
续第二节
五、吸收峰位置
（一）吸收峰的位置（峰位）
频
三倍频峰（V=0→V=3） V 3 L 3
峰 合频峰 L 1 2
差频峰（即V=1→V=2，3- - -产生的峰） L 1 2
注：泛频峰强度较弱，难辨认→却增加了光谱特征性
4．红外光谱产生条件：
➢ 分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍 即 L V
➢ 分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为0， 即分子产生红外活性振动 即 0
续前
（5）分子互变结构
（6）振动偶合
费米共振
续前
2．外部因素： 受溶剂的极性和仪器色散元件性能影响
➢ 溶剂极性↑，极性基团的伸缩振动频率↓ ➢ 色散元件性能优劣影响相邻峰的分辨率
（三）特征区与指纹区
1．特征区（特征频谱区）：4000~1250cm-1的高频 区
➢ 包含H的各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内 弯曲振动
红外吸收光谱法
(三)
第四节 各种化合物的典型光谱
一、脂肪烃类化合物 二、芳香族化合物 三、醇、酚、醚 四、羰基化合物 五、含氮化合物
一、脂肪烃类化合物
（一）烷烃
1. C-H伸缩振动 CH（饱和） 3000 ~ 2850cm（1 强）
as CH 3
~ 2960cm1(很强）
s CH 3
~ 2870cm（1 很强）
)3不等强度裂分为
1395cm1和
1365cm1双峰
CH2 ~ 1465 20cm（1 中） CH2 ~ 720cm1 (n 4)
3. C-C骨架振动 CC 1250 ~ 1140cm（1 弱中）
续前 4）甲基与芳环或杂原子相连：
❖ 诱导效应：吸电子的诱导效应使吸收峰位移向高波数区 斥电子的诱导效应使吸收峰位移向低波数区
❖ 红外活性振动：分子振动产生偶极矩的变化， 从而产生红外吸收的性质
❖ 红外非活性振动：分子振动不产生偶极矩的变化， 不产生红外吸收的性质
二、振动形式（多原子分子）
（一）伸缩振动 指键长沿键轴方向发生周期性变化的振动
1．对称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动同时发生
AX 2型分子
AX 3型分子
s CH 2
➢ 分子内氢键：对峰位的影响大 不受浓度影响
续前
➢ 分子间氢键：受浓度影响较大 浓度稀释，吸收峰位发生变化
续前
（4）杂化的影响： ➢ 杂化轨道中s轨道成分↑，键能↑，键长↓，υ↑
饱和C 原子 sp3杂化 CH（饱和） 3000cm1 不饱和C 原子 sp2或sp杂化 CH（不饱和） 3000cm1
• 取代基完全对称时，峰消失
3．发生π-π共轭或n-π共轭——共轭效应将使
吸收峰位移向低波数区10~30cm-1
续前
（三）炔烃 1．C-H振动 CH ~ 3300cm（1 强） CH ~ 1300cm（1 强）
CH ~ 630cm（1 强）
2．C≡C骨架振动
CC ~ 2200cm（1 中 强）
示例
✓ 水分子——非线性分子 F 3 3 6 3
示例
✓ CO2分子 ——线性分子
F 335 4
➢ 吸收峰数少于振动自由度的原因： • 发生了简并——即振动频率相同的峰重叠 • 红外非活性振动
五、特征峰与相关峰
（一）特征峰：next 可用于鉴别官能团存在的吸收峰，称~
（二）相关峰：next 由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的 特征峰，称~
同时变大或减小
AX 3型分子
as CH 3
~ 1450cm1
图示
as CH 3
~
2960cm1
as CH 2
~
2925cm1
s CH 3
~
2870cm1
s CH 2
~
2850cm1
as
CH3 CH2
~ 1450cm1 ~ 1465 20cm1
s CH 3
~ 1375cm1
CH2 ~ 720cm1
as CH 2
~ 2925cm（1 强）