当前位置：文档之家 › 第四章 红外吸收光谱分析法

第四章 红外吸收光谱分析法

  • 格式：ppt
  • 大小：4.56 MB
  • 文档页数：69

下载文档原格式

  / 69

合集下载

仪器分析3—红外吸收光谱法

仪器分析3—红外吸收光谱法


傅立叶变换红外光谱仪
样品池
红外光源
摆动的 凹面镜
迈克尔逊 干扰仪
参比池
摆动的 凹面镜
检测器 干涉图谱 计算机 解析 还原
M1 II
同步摆动
I M2
红外谱图
BS
D
仪器组成
第五节 红外光谱法应用
红外光谱法由于操作简单，分析速度 快，样品用量少，不破坏样品，特征性 强等优点，在有机定性分析中应用广泛。 利用红外光谱可对化合物进行鉴定或结 构测定。 但由于吸收较复杂，在定量分析方面 应用受到一定限制。
第四章 红外吸收光谱分析法（IR）
Infrared Absorption Spectrometry
第一节
红外光谱基本知识
1、红外线波长范围： 光学光谱区域：10nm ～1000μm； 其中：10nm ～400nm为紫外光区 400nm ～760nm为可见光区， 760nm ～ 1000μm为红外光区。 为表示方便，红外光不用nm（纳米） 而用微米（ μm）表示其波长。
由原理图可见，红外分光光度计也主要 由光源、样品吸收池、单色器、检测器、 记录仪等部件构成。 1、光源:能斯特灯或硅碳棒
红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用 电加热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是Nernst灯或硅碳棒。 Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的 中空棒和实心棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导 电并发射红外线。但在室温下是非导体，因此，在工作 之前要预热。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳 定性较好。 硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200-1500℃ 左右。
ε>100 非常强峰(vs) 20<ε<100 强 峰(s) 10<ε<20 中强峰(m) 1<ε<10 弱 峰(w)
红外光谱使用原理

红外光谱使用原理



P40图4-6苯环取代类型的吸收峰
图4-6
3300cm-1 苯环
C-H 伸缩振动
-1 1600cm-1 1380cm 1500cm-1 异丙基两重峰
§4-3 红外吸收光谱与分子结构
一、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，常用 于鉴定某官能团是否存在。基团不同，基团频率不 同。
红外 κ﹥100 20~100 10~20 1~10 ﹤1 紫外 104~105 103~104 102~103 ﹤102



非常强 较强 中强 弱 非常弱
影响因素
（1）振动能级的跃迁概率 由 0 1跃迁概率大，峰较强 由 0 2 3 跃迁概率小，峰较弱 （2）偶极矩的变化 偶极矩变化越大，对应的峰越强 一般极性基团如：O-H，C=O，N-H 峰较强 非极性基团如：C-C，C=C 峰较弱


常见化合物的特征基团频率分区
4000 2500 2000 1400 400cm-1 X-H X-H伸缩振动 区 O-H 3700~3100 N-H 3500~3300 C-H 3300~2700 C-H： 3000为界，3000以 上为不饱和化合物 的C-H—CH =CH C H ; 3000以下为 饱和化合物 C-H 三键和累积 双键伸缩振 单键的伸缩 动区 振动和弯曲 双键的伸缩 振动区 C=C 振动区 1680~1620 X-Y ： CC C=O C-O C-N CN 1850~1600 N-O C-X C=C=C 羰基吸收峰 C-C 强度大 C=C=N X-H ： 芳环 C=C C=C=O C-H O-H 1600,1580, 1500, 1450
第四章 红外光谱

第四章 红外光谱

一、波长和波数
电磁波的波长（ ）、频率（ v）、能量（E）之间的关系：
2020/3/20
3
二、红外光谱的表示方法
红外光谱是研究波数在4000-400cm-1范围内不同
波长的红外光通过化合物后被吸收的谱图。谱图以波 长或波数为横坐标，以透过率为纵坐标而形成。
横坐标：波长/λ或波数/cm-1。 纵坐标：吸光度A或透过率T，
N为分子中成键原子的个数。
例1： H O H 为非线状分子，应有3N－6＝9－6＝3个峰。
2020/3/20
15
例2：O＝C＝O为线状分子，便有3N－5＝9－5＝ 4个峰。
Why? ①νs O＝C＝O 不改变分子的偶极矩； ②δs O＝C＝O 与δw + O＝C＝O + 简并。
2020/3/20
16
1900～2500 cm-1，主要是：C≡C、C≡N 三键和 C＝C＝C、C＝N＝O 等累积双键的伸缩振动吸收峰。
(3) Y＝Z双键伸缩振动区（第三峰区） ：
1500～1900 cm-1，主要是：C＝O、C＝N、C＝C等双 键存在。
2020/3/20
13
2）指纹区：
＜1500 cm-1的低频区，主要是：C－C、C－N、 C－O等单键和各种弯曲振动的吸收峰，其特点是谱带 密集、难以辨认。
2020/3/20
1
4.1 基本原理
红外光谱就是当红外光照射有机物时，用仪器记录 下来的吸收情况（被吸收光的波长及强度等），用来进行 分析的方法。红外线可分为三个区域：
红外光谱法主要讨论有机物对中红区的吸收（振动能 级跃迁）。
2020/3/20
2
红外光谱的基本原理:
用不断改变波长的红外光照射样品，当某一波长的频 率刚好与分子中某一化学键的振动频率相同时，分子就会 吸收红外光，产生吸收峰。用波长（λ）或波长的倒数波 数（cm-1）为横坐标，百分透光率（T％）或吸收度（A） 为纵坐标做图，得到红外吸收光谱图（IR）。分子振动所 需能量对应波数范围在400 cm-1～4000 cm-1。
红外吸收光谱分析 - 红外吸收光谱分析

红外吸收光谱分析 - 红外吸收光谱分析


归属
CH 3 | CH3 — C — | CH 3
吸收峰 3360 1195
振动形式
OH
COHale Waihona Puke 归属 —OH可能结构为
CH 3 | CH 3 — C — OH |
CH 3
例2 C10H10O4
U 2 210 10 6 (可能有苯环） 2
峰位 1727cm-1 1288 1126
第四节 红外吸收光谱分 析
一、试样的制备（样品纯度＞98%）
1.固体试样：KBr压片法
2.液体试样：夹片法（液体试样滴在一片KBr
窗片上，用另一片KBr窗片夹住后测定）
知识点12：红外光谱解析方法
二、IR光谱解析方法
1．计算不饱和度
U 2 2n4 n3 n1 2
意义：
U 0 无双键或环状结构 U 1 可能含一个双键或一个环 U 2 含两个双键，或一个双键 环，或一个叁键 U 4 苯环 U 5 苯环 一个双键
• 3．某未知物的沸点202℃，分子式为 C8H8O，试判断其结构。
4．某化合物的分子式为C8H10O2， 试推断其结构式。
• 5．已知未知物的分子式为C7H9N， 推出其结构。
6．已知某化合物的分子式为 C9H10O2，试推断结构式。
O
CH2OCCH3
CH3 NH2
O C CH3
答案!
OH OH CH CH2
2.确定官能团或结构碎片
3.推出可能的结构 4.核对分子式和不饱和度 5.和Saltler标准光谱对照
例1 C4H10O
U 2 8 10 （0饱和脂肪族化合物） 2
吸收峰 2970cm-1 2874 1476 1395 1363
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。
第四章-NIR分析技术概况

第四章-NIR分析技术概况

第四章 近红外吸收光谱分析
§4-1 NIR分析技术概况 §4-2 NIR分析技术的基本原理 §4-3 NIR分析技术特点 §4-4
近红外光谱分析技术 (Near infrared reflectance spectroscopy， 简写NIR)是２０世纪７ ０年代兴起的一种有机 物分析技术。
该法事先需要建立模型 模型的建立需要费力、花费资金和时间 分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的
合理使用有很大的关系。
§4-4 NIR技术在饲料行业的应用
一 、常规成分的检测
近红外光谱分析技术用于测定谷实类、 油料作物籽实的水分、蛋白质，可获得 较满意的结果。
Law（1979）、Williams（1985）、 Hartwig（1990）等用NIRS测定了谷实 类、油料作物籽实的蛋白质。
六、近红外技术与养分生物效价的关系
近红外测定饲料中的化学成分 饲料化学成分预测有效能及可利用养分 饲料化学成分直接进入预测模型 样品进入→ →饲料有效能及可利用养分值
七、存在问题 近红外测定饲料化学成分的准确性
→如何建立理想的定标模型 预测模型有待进一步改进 近红外测定的化学成分与预测模型
可以分析测定饲料原料 中的水分、蛋白质、脂 肪、氨基酸、淀粉、纤 维素.
• NIR分析方法已逐渐得到大众的普遍接受和官 方的认可。
1978年美国和加拿大将近红外法作为分析小麦蛋白 质的标准方法，
1998年美国材料试验学会制订了ASTM D6342标准方 法：用近红外光谱测定多元醇中羟基含量。
二 、氨基酸的检测
Williams（1984）测定了大麦中的氨基酸含量， 结果相关性很好（r=0.93-0.99，CV〈6.5%〉。
第四章 红外吸收习题

第四章 红外吸收习题

习题
红外吸收光谱分析法：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。
1. 下列气体中，不能吸收红外光的是 （ D） A．H2O B． B．CO2 C．HCI D． D．N2 1． 红外光谱法制作液池常用的透光材料是 ( C ) A. 普通玻璃片； B. 石英玻璃片； C. 晶体盐片； D. 聚苯乙烯薄膜。
3、红外光谱按波数大小分为两个区域，即 官能团区 和 指纹区 。 4、产生红外光谱的必要条件是 ①红外辐射 频率等于振动量子数的差值与分子振动频 率的乘积；②分子在振动，转动过程中必 须有偶极矩的净变化。
Байду номын сангаас
2． 苯分子的振动自由度是 ( C ) A．6 B．12 C．30 D．31 5.乙烯分子的振动自由度为 ( A )｡ A. 12 B. 13 C. 18 D. 15
一般分子: 3n-6个自由度
3． 红外光谱特征官能团区的区间是指 （ D ） A．4000~200cm-1； B．10000~10cm-1； C．1300~600cm-1； D．4000~1300cm D 4000~1300cm-1
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4章 红外吸收光谱法(无机)

第4章 红外吸收光谱法(无机)


3．振动的非谐性 振动的基频： 振动的基频： 0→1振动能级的跃迁 v 0→1 振动的倍频： 振动的倍频： 0 → 2、3、4….振动能级的跃迁 v 0→2、 v 0→3 、 v 0→4 振动的组频： 振动的组频： 基频的和 振动的差频： 振动的差频： 基频的差 v 10 → 1 + v 20 → 1 v 10 → 1 - v 20 → 1

κ µ
振动能级的跃迁， 基本振动频率或 当△V =1时，0→ 1振动能级的跃迁，称为基本振动频率或基频吸收带。 时 振动能级的跃迁 称为基本振动频率 基频吸收带。 例1: 由表中查知 C=C 键的 k= 9.5 ～9.9 (N/cm) ,令其为9.6, 计算正己 令其为9.6, 烯中C=C键伸缩振动频率，实测值为1652 C=C键伸缩振动频率 烯中C=C键伸缩振动频率，实测值为1652 cm-1
五、影响红外吸收峰强度的因素
1．红外吸收峰强度的分类 ． ε >100 20<ε<100 10<ε< 20 1<ε<10 非常强吸收峰 强吸收峰 中强吸收峰 弱吸收峰 vs s m w
2. 红外吸收峰强度的影响因素 振动能级的跃迁几率 振动的基频(v0→1) 的跃迁几率大于振动的倍频(v0→2、v 振动的基频 的跃迁几率大于振动的倍频 的吸收峰强度比倍频(v ，因此基频( 0→3、v 0→4)，因此基频 v 0→1) 的吸收峰强度比倍频 0→2、 v0→3、v0→4 )强。 强 振动能级跃迁时， 振动能级跃迁时，偶极矩的变化 同样的基频振动(v 偶极矩的变化越大 同样的基频振动 0→1)，偶极矩的变化越大，吸收峰也 越强。 越强。 化学键两端连接原子的电负性相差越大， 化学键两端连接原子的电负性相差越大，或分子的对称 性越差，伸缩振动时偶极矩的变化越 偶极矩的变化越大 吸收峰也越强。 性越差，伸缩振动时偶极矩的变化越大，吸收峰也越强。 吸收峰强度： 反对称伸缩振动>对称伸缩振动 对称伸缩振动>变形振动 吸收峰强度： 反对称伸缩振动 对称伸缩振动 变形振动 vC=O> vC=C
分析化学(仪器分析)第四章-仪器分析(IR)

分析化学(仪器分析)第四章-仪器分析(IR)


30
第二节 红外吸收基本理论
振动过程中偶极矩发生变化（△≠0） 的分子振动能引起可观测的红外吸收光谱， 称之为红外活性的。 振动过程中偶极矩不发生变化（△=0） 的分子振动不能产生红外吸收光谱，称为非 红外活性的。
31
第二节 红外吸收基本理论
绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远 小于理论上计算的振动数，这是由如下原因引起的： （1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠，即简并； （3）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带 很弱，仪器无法检测； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。
33
第二节 红外吸收基本理论
(二）吸收谱带的强度
红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩 的变化，红外光谱的强度与分子振动时偶极矩变 化的平方成正比。 偶极矩的变化与分子的极性以及分子结构的对 称性，也就是固有偶极矩有关。极性较强的基团 （如C=O，C-X等）吸收强度较大，极性较弱的 基团（如C=C、C-C、N=N等）吸收较弱。分子 的对称性越高，振动中分子偶极矩变化越小，谱 带强度也就越弱。
28
第二节 红外吸收基本理论
在倍频峰中，二倍频峰还比较强。三倍频峰以 上，因跃迁几率很小，一般都很弱，常常不能测到。 除此之外，还有合频峰（1+2，21+2， ），差频峰（ 1-2，21-2， ）等，这些 峰多数很弱，一般不容易辨认。倍频峰、合频峰和 差频峰统称为泛频峰，泛频峰一般都很弱。
11
第二节 红外吸收基本理论
根据Hooke定律，分子 简谐振动的频率的计算 公式为
12
第二节 红外吸收基本理论
式中k为化学键的力常数，定义为将两原子由 平衡位置伸长单位长度时的恢复力（单位为Ncm -1）单键、双键和三键的力常数分别近似为 5、 1 0和15 Ncm-1；c为光速（2.9981010cm s-1）， 为折合质量，单位为g，且 影响分子振动频率的直接原因是原子质量和 化学键的力常数。

第四章 红外光谱分析法

第四章红外光谱分析法§4—1红外光谱简介红外辐射泛指位于可见光和微波段之间的那一部分电磁波谱．对有机化学家最有实际用处的是只限于4000—666厘米-1(2．5-15.0微米)之间的范围．最近，对近红外区14290—4000(0.7一2.5微米)和远红外区700—200厘米-1(14.3—50微米)的兴趣正在增加．在红外光谱分析中,一个十分简单的分子也可以给出一个非常复杂的红外光谱图．有机化学家就是利用这种光谱图的复杂性，将一个未知化合物的光谱图与一个可靠的标准品的光谱图相互比较，两张光谱图中峰对峰的完全一致对于鉴定就是最好的证据．除了光学对映体外的任何两个化合物均不可能给出相同的红外光谱图．虽然，红外光谱图是整个分子的特性，但是不管分子其余部分的结构如何，结果是某一特定的原子基团总是在相同的或者几乎是相同的频率处产生吸收谱带．正是这种特征谱带的不变性使化学家可以，通过简单的观察并参考有关特征基团频率的综合图嵌来获得有用的结构信息．我们将主要依靠这些特征基团频率．由于我们并不单纯依靠红外光谱图进行鉴定，因此，并不需要对红外光谱图进行详细的分析．根据我们的总的计划，在这里将提出为达到下列目的，所必需的理论：即把红外光谱图与其它的光谱数据一起用来确定分子结构．因为大多数大学的和工业的实验室都把红外分光光度计作为有机化学家的一种常备的基本工具，在这一章中将比其它各章较详细地叙述仪器和样品制备．红外光谱法作为实用有机化学家的一种工具，从已经出版书籍的数目可以明显地看到．在这些书中，有的是全部地、有的是部分地讨论了红外光谱法的应用。

.一、红外光的表征近红外（泛频区）0.75-2.5微米；13334-4000波数中红外（基频区） 2.5 -25 微米4000-400 波数远红外（转动区）25-1000微米400-10 波数由于中红外区能最深刻地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的各种特性，对于解决分子结构和化学组成各种问题最为有效。

红外吸收光谱分析法 红外谱图解析


n≥ 722 cm-1 （中强 ）
d) CH2和CH3的相对含量也可以由1460 cm-1和1380 cm-1的峰 强度估算强度
正庚烷
正十二 烷
正二十八 烷
1500 1400 1300cm-1 1500 1400 1300 cm-1 1500
08:12:21
1400 1300cm-1
08:12:21
α 支化：-15 cm-1 α 不饱和：-30 cm-1
08:12:21
—OH基团特性
分子间氢键： 双分子缔合（二聚体）3550-3450 cm-1 多分子缔合（多聚体）3400-3200 cm-1 分子内氢键：
多元醇（如1，2-二醇 ）
3600-3500 cm-1
螯合键（和C=O，NO2等）3200-3500 cm-1 多分子缔合（多聚体）3400-3200 cm-1 水（溶液）3710 cm-1 水（固体）3300cm-1 结晶水 3600-3450 cm-1
08:12:21
脂族和环的C-O-C 芳族和乙烯基的=C-O-C 脂族 R-OCH3 υ 芳族 Ar-OCH3 υ
s
υ
1150-1070cm-1 as
υ as 1275-1200cm-1 （1250cm-1 ） υ s 1075-1020cm-1
2830-2815cm-1 ~2850cm-1
(CH3)
s (CH3)
610-700 cm-1（强） 2：1375-1225 cm-1 （弱）
H C C R2 C C R3
（=C-H）
970 cm-1（强）
R1 H R1 H R1 R2 C C C C C C
R2 H
（=C-H）
800-650 cm-1 （690 cm-1）

红外光谱基本原理

特征峰可用以鉴定官能团的存在，但必须用一 组相关峰来作为旁证。
22
二、红外光谱的分区
常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000 600 cm-1 可分为：4000-1300cm-1的高波数段官能团区，以及1300cm-1 以下的低波数段指纹区。
官能团区的峰是由伸缩振动产生的，基团的特征吸收峰一般位于该区， 分布较稀疏，容易分辨。
6
红外光谱的表示方法
红外光谱图：
纵坐标为透光率T％，横坐标为波长λ(m )或波数1/λ(cm-1) 可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。 应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
7
第一节 红外光谱法的基本原理 一、产生红外吸收的条件
满足两个条件： (1)红外辐射光子的能量与分子振动能级跃迁所需能量相同。 (2)辐射与物质间有相互耦合作用（偶极距有变化）。
5
红外光谱与紫外可见光谱的区别
1.光谱产生的机制不同
分子振动和转动能级的跃迁；价电子和分子轨道上的电子在电子能级
上的跃迁。
2. 研究对象不同
在振动中伴随有偶极矩变化的化合物；不饱合有机化合物特别是具有 共轭体系的有机化合物。
3.可分析的试样形式不同，使用范围不同
气、液、固均可，既可定性又可定量，非破坏性分析；既可定性又可 定量，有时是试样破坏性的。
12
/ cm1 1 1 k 1307 k'
2c
Ar
k单位：dyn·cm-1；k’单位：N·cm-1，与键能和键长有关，
为双原子的原子质量折合质量： ＝m1·m2 /（m1＋m2），
Ar为双原子的原子量的折合质量：Ar ＝M1·M2/ M1＋M2 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的

4.1 红外吸收法测定硅单晶中氧和碳1


4、分子振动的形式：伸缩振动和弯曲振动 （1）伸缩振动：键长发生周期性变化，键角不变。 原子沿着键的方向往复运动，伸缩振动有对称和反对 称两种：
（2）弯曲振动：也称变形、变角或剪式振动。弯曲 振动在平面上运动，不改变键长而改变角的大小。
除此之外还有：横振动 、非平面摇摆振动 、非平 面卷曲摇摆振动
3、红外吸收光谱产的条件 （1）分子吸收红外辐射的条件 分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件： a）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。
E 振 =（ n + 1/2 ）h V V ： 化学键的 振动频率； n ： 振动量子数。 任意两个相邻的能级间的能量差为：
其中： K 为 化学键的力常数，与键能和键长有关； m 为双原子的折 合质量。
b）只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射。
(2）特征峰、基频峰和倍峰 1）特征峰:把能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称 为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰（n=0） 2)基频峰:分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（n=0）跃 迁至第一振动激发态（n=1）时，所产生的吸收峰称为基频 峰。 3）倍峰：在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由 基态（ n=0）跃迁至第二激发态（ n=2）、第三激发态 （ n=3…），所产生的吸收峰称为倍频峰。 除此之外，还有合频峰（n1+n2，2n1+n2…），差频峰 （ n1-n2，2n1-n2，… ）等，这些峰多数很弱，一般不容易 辨认。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。
5、吸收谱带的强度与偶极矩 a)谱带强度与偶极矩变化的大小有关，偶极矩变化 的愈大，谱带强度愈大； b)极性较强的基团，振动中偶极矩变化较大，对应 的吸收谱带较强； c)结构对称性愈强，振动时偶极矩变化愈小，对应 的吸收谱带愈弱。

第四章红外吸收


二是用于化学组成的分析
红外光谱最广泛的应用在于对物质的化学 组成进行分析，用红外光谱法可以根据光 谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结 构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物 中各组分的含量，它已成为现代结构化学、 分析化学最常用和不可缺少的工具。
2 红外光区的划分
习惯上按红外线波长，将红外光谱分成三个区域： （1）近红外区：0.78～2.5μm（12 820～4 000cm-1），
电磁辐射范围：射线～无线电波所有范围； 相互作用方式：发射、吸收、反射、折射、散射、干 涉、衍射等； 光分析法在研究物质组成、结构表征、表面分析等方 面具有其他方法不可区代的地位；
三个基本过程：
（1）能源提供能量； （2）能量与被测物之间的相互作用； （3）产生信号。
基本特点：
（1）所有光分析法均包含三个基本过程； （2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）； （3）涉及大量光学元器件。
电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和 转动能级间的跃迁（图10-1所示）. 即电子光 谱中总包含有 振动能级和转动能级间跃迁 ， 因而产生的谱线呈现宽谱带。所以分子光谱 是一种带状光谱，它包含若干谱带系，一个 谱带系含有若干谱带，同一谱带内又含有若 干光谱线.
4.1 红外吸收光谱分析概述
红外吸收光谱法：
第四章
红外吸收光谱
（Infrared absorption spectroscopy, IR）
一、光分析法及其特点
optical analysis and its characteristics
光分析法：基于电磁辐射能量与待测物质相互作用后 所产生的辐射信号与物质组成及结构关系所建立起来的分析 方法；
主要用于研究分子中的O—H、N—H、C—H键的振动 倍频与组频。

红外吸收光谱分析(共27张PPT)

这里弹簧的k值就的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置做相 对运动，从而产生振动！原子与原子之间的相对运动无非有 两种情况，即：键长发生变化（伸缩振动），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
对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基－CH2为例
苯，3N－6＝30种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰！ 说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远 小于其振动自由度（理论计算值）。
原因:(1)相同频率的峰重叠（2）频率接近或峰弱，仪器检测
不出（3）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（4）并不是
（2）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强
②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。
③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，制成的膜直接插入光路进行测定。
（3）组频峰：振动之间相互作用产生的吸收峰
（4）泛频峰：倍频峰＋组频峰
（5）特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。 （6）相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系 的特征峰
红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域
（1）基频区(4000～1350cm-1)又称为特征区或官能团区，其
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

五、影响红外吸收峰位置的因素
影响因子 振动频率 诱导效应 改变基团上的电子云 峰位置 改变键力常数K

内部因素
共轭效应 氢键

外部因素
试样的状态 气态 液态 固态
偶合效应
溶剂效应
影响吸收峰位置的因素

一.内部因素：分子结构因素
1、诱导效应→吸收峰向高频移动
吸电性↑→-I→C=O双键性↑→K↑→C=O ↑
名称 波长（µm） 波数（cm－1） 能级跃迁类型
近红外区
中红外区 远红外区
0.78～2.5
2.5～50 50～1 000
12 820～4000
4 000～200 200～10
O－H、N－H和C－H的倍频吸收
分子振动、转动能级 分子转动、骨架振动能级
2.分子跃迁能级不同。红外光谱是分子振动、转动
能级跃迁，所以应用范围广，除了少数分子外（单
1700cm-1
(3)互变异构
5、杂化影响(hybridization affect)
C的杂化轨道中s成分↑→键能↑→键长↓→CH↑
CH是判断饱和氢与不饱和氢的重要依据：不饱和氢 CH>3000cm-1；饱和氢CH<3000cm-1。
二、外部因素

•气体：分子间影响小→孤立分子转动精细结构 1.物态： •液体：分子间作用→转动困难→吸收峰变宽 •固体：吸收峰尖锐且数目多→结构鉴定
（
3.双键伸缩振动区(1900~1200cm-1) 4.X-H弯曲振动区(1650~1350cm-1)
包括：各种单键的伸缩振动，以及多数基团的弯曲振动
特点：谱带一般较密集且复杂多变，吸收峰较弱且不易辨认，但体现化合 物的光谱特征性；相关峰常出现在指纹区。
作用：查找相关吸收峰，以进一步确定官能团的存在；其次，依据这些大 量密集多变的吸收峰的整体状态，可反映有机化合物分子的具体特征的相关 性，用来与标准谱图或已知物谱图进行比较解析。
h E h 2 1 2c 1 k
k

1307
1
k

K化学键的力常数，与键能和键长有关，
为双原子的折合质量 =m1m2/(m1+m2) 1 =M1M2/(M1+M2)
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的 折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。
醚：不具有O-H峰，是醚与醇类的主要区别
特征吸收：C-O-C1150~1060cm-1(s) •烷基芳香醚as=C-O-C1275~1200cm-1(vs)
s=C-O-C1075~1110cm-1(s)
•乙烯基醚as=C-O-C1225~1200cm-1(vs)
s=C-O-C1075~1020cm-1(s)
as(CH3)1460㎝ -1
三.振动自由度
定义：指多原子分子的振动形式数目。（其中：n为原子个数）
非线性分子：3n－6
例子：H2O H
O
H H
O
H H
O
H
线性分子：3n－5
例子：CO2 0=C=0 0=C=0 0=C=0 + - + 0=C=0
H2O的红外光谱
σ
3756cm-1
3652cm-1
cm
＊
） 图2 红外吸收光谱
1
三.红外吸收光谱法的发展
1800年，人们发现红外线，并发现物质会对该辐射产生吸收。
1900－1910年，人们发现其在物质定性上的价值，但当时人们 对红外的检测能力有限。 1940年以后，人们发明了高灵敏度、稳定的红外检测器后，极大 推动了红外吸收光谱法的发展。
目前，红外光谱发展十分迅速，在生物化学高聚物、环境、染料、
4000 650cm-1)
红 ＊外 光 谱
指纹区 （1350－650cm-1）
特点：吸收峰较疏，振动频率较高， 受干扰小，容易辨认；且各官能团的 特征峰常出现在特征区，所以该区是 进行官能团定性的主要依据。
红外谱图解析
1.X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ）
C-H伸缩振动：C-H3000~2850cm-1(s) （饱和）
通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。如丙酮
在液态时， C=O=1718cm-1; 气态时 C=O=1742cm-1 ，因此在查
阅标准红外图谱时，应注意试样状态和制样方法。
三取代
四取代
1，21，31，41，2，31，2，41，3，51，2，3，41，2，3，51，2，4，5-
五取代
图
各类取代苯的倍频吸收和面外弯曲振动吸收
3.三键及累积双键区(2500~1900cm-1)
腈类化合物(R-C≡N)
C≡N2260~ 2215cm-1(w~m)
炔烃
C-H伸缩振动：≡C-H3333~3267cm-1(s，尖) C≡C伸缩振动：C≡C2260~2100cm-1(w) •单取代RC≡CH：C≡C2140~2100cm-1(w) •双取代R1C≡CR2 ：C≡C2260~2190cm-1(w)
第四章 红外吸收光谱分析法
infrared absorption spectroscopy ，IR
应 操 仪 原 用 作 器 理




目
第一节 概
录
述
第二节 红外吸收基本理论
第三节 红外吸收光谱仪 第四节 红外吸收光谱分析
第一节
概
述
一.红外吸收光谱法的定义
定义：依据物质对红外辐射（光）的吸收建立起来的 光谱分析方法称为红外吸收光谱法，简称红外
食品、医药等方面得到广泛应用。 红外、紫外、核磁共振和质谱是人们分析物质结 构的四大方法，并称为四大谱学！
第二节
红外吸收基本理论
一.分子的振动
（一）谐振子振动
两小球的简谐振动及其频率
其中，k为弹簧的力常数（N/cm），µ为折合质 量（g），m1和m2分别为两原子质量（g）
双原子间化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧 任意两个相邻的能级间的能量差为：
苯的衍生物：2000~1667cm-1(vw)，
出现C-H面外
弯曲振动泛频峰，也是芳环取代位置的高度特征峰，常
此峰联用来鉴别芳环的取代情况。
取代苯的泛频峰图示
3． 双键伸缩振动区（ 1900 1200 cm-1 ）
芳烃C=C骨架振动：单核芳烃C=C~1600cm-1(w)及 ~1500cm-1(s)，这是鉴定有无芳核存在的重要标志之一。
化学键键强越强（即键的力常数K越大）,原子折合质量 越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
例题: 由表中查知C=C键的K=9.5 9.9 ,令其为
9.6, 计算波数值。
1 k k 9.6 1307 1307 1650cm 1 2c 12 / 2
虎克定律：
1 2 c
k

Kg. m/S2
其中，K为力常数，单位N. cm－1 所以K的单位105 g.S-2 折合质量
m1m2 m1 m2
（m1、m2为原子质量，单位g）
根据原子量的定义
M2 M1 而 m2 m1 23 6.02 10 6.02 1023 M 1M 2 M1 M 2 6.02 1023
原子分子、同核双原子分子），几乎所有化合物都 可用红外分析法研究。 3.分子振动能级的大小取决于分子组成、化学键、官 能团等性质和分子的空间结构等特征，所以红外可提
供丰富的信息。
4.紫外可见多用于定量，红外多用于定性。
5.吸收光谱图不同。
纵横 坐坐 标标 ：： 吸波 光长 度（ ）
nm A
图1 紫外可见吸收光谱 纵横 坐坐 标标 ：： 透波 射数 比（
光谱法。
用途：主要鉴别有机分子的结构。已知某物质的分子式 （可以通过元素分析仪得到），再通过红外分析 法确定该物质的结构，从而确定该物质是什么。
一.红外吸收光谱法的特点
红外光谱法与紫外可见光谱法的异同点 相同点：同为吸收光谱法。 不同点：
1.电磁辐射（光）波长不同。红外是指0.78～1 000µm的电磁辐射。
1~10
<1
弱峰
极弱峰
w
vw
三、吸收峰（吸收普带）的强度
吸收峰的强弱取决于该振动引起偶极矩的变化大小.
C=C C=O
P39
影响吸收峰强度的因素
振动能级的跃迁几率：跃迁几率↑→吸收峰↑ 跃迁几率：跃迁过程中激发态分子占总分子的百分数。
振动过程中键的偶极矩变化： ↑→跃迁几率↑→吸收峰↑ 化学键极性：极性↑→↑→吸收峰↑
振动形式：
as>s
分子结构的对称性：对称性↑→↓ 完全对称→=0
C=C1650cm-1
C=O1745cm-1
乙酸丙烯酯的红外光谱
四、基团振动和红外光谱分区
1.X-H伸缩振动区(4000~2500cm-1)
基频区
（4000－1350cm－1）
2.三键及累积双键区(2500~1900cm-1
•分子间氢键：受浓度影响大
C<0.01M
C=0.1M
C=1M
4、空间效应(steric effect)
•
（1）.环张力效应(键角效应)
环内双键↓→↓-吸收峰向低频移动
环外双键↑→↑，峰强↑-吸收峰向高频移动
(2).位阻效应：影响或破坏共轭体系→吸收峰向高频移动
C=O1663 cm-1
1686cm-1
1595cm-1σ 1源自88cm-1 2349cm-1667cm-1
667cm-1
CO2的红外光谱
四.红外吸收光谱产生的条件
红外辐射的能量必须与分子的振动能级差相等
L=V