2红外光谱

实验编号 CA393012

实 验 指 导 书

实验项目： 红外光谱的测定

所属课程: 实验化学3-2

课程代码: CA393

面向专业: 化学

学院(系): 化学化工学院

实 验 室: 基础化学实验中心

代号: 11101

2007 年 2 月 18 日 - 2 - 一、 实验目的

1. 掌握红外光谱分析的基本原理。

2. 学习傅立叶红外光谱仪的工作原理及使用方法。

3. 对各种羰基在不同有机化合物中的红外吸收频率进行比较，说明取代效应和共轭效应所起的作用。

二、 实验内容

通过苯甲酸进行制样，然后进行红外光谱的扫描，并得到图谱。

三、 实验示意图

四、 实验用主要仪器设备、消耗品

仪器设备名称 规格 消耗品名称 规格

傅立叶红外光谱仪 苯甲酸

玛瑙研钵 - 3 - 压片机

计算机

五、 实验原理及原始计算数据、所应用的公式

分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。

红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

红外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）。因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。多原子分子的红外光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段获得。即通过比较大量已知化合物的红外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。

二维红外光谱

二维红外光谱（2D IR spectroscopy）是一种用于分析化学体系中分子间相互作用的新型光谱技术。它为研究特定分子组成的分子组合体（例如蛋白质）提供了全新的思路，能够更快、更准确地显示出蛋白质内部的结构特征和功能信息。

二维红外光谱是一种在光谱分析中应用非常广泛的技术，可以用来对大分子的结构进行精确分析。它通过测量分子频率和强度之间的关系，来揭示大分子结构的信息，从而帮助科学家们更好地理解大分子的内部结构。

二维红外光谱所涉及到的原理主要是红外振动，它是由分子中的键和受力点的振动所引起的。当分子被一个外部的电磁场所作用时，它将会产生一种称为“红外振动”的效应，即分子中的原子根据电磁场的作用，在各自的方向上产生振动。该振动有一个固定的频率，而这个频率是由分子结构所决定的，因此，通过测量红外振动的频率，就可以获得分子结构的信息。

二维红外光谱也可以称为“时域分辨红外光谱”，它可以用来实现对大分子结构的连续测量，其基本原理是：利用一个相关的激光场，在两个不同的时间点上测量红外振动的强度，从而实现对大分子的连续测量。 二维红外光谱的应用非常广泛，它可以用来研究大分子的结构特征，以及分子之间的相互作用，还可以用来研究蛋白质的结构，从而有助于更好地了解蛋白质内部的结构特征和功能信息。此外，这种技术还可以用来研究其它大分子的结构，例如核酸分子，以及大分子复合体，这有助于更好地理解这些分子的结构和功能，从而有助于研究许多生物体系。

总之，二维红外光谱是一种研究大分子结构和功能的重要工具，可以用来实现对大分子的精确测量，从而有助于更好地理解蛋白质和其他大分子的结构和功能。

3.13 红外吸收光谱

3.13.1.1 分子的振动形式

分子中原子的振动可分为两大类：伸缩振动和弯曲振动（亦称变形振动），通常用希腊字母v表示伸缩振动，8表示弯曲振动。伸缩振动是指原子沿着化学键方向往运动，在振动过程中化学键的键长发生变化。根据振动时原子间相对位置的变化，伸缩振动还可以分为反对称伸缩振动和对称伸缩振动。弯曲振动是指原子垂直于化学键方向的振动，可分面内弯曲振动和面外弯曲振动。面内弯曲振动是指振动在所涉及原子构成的平面内进行，这种振动方式还可以细分为剪式振动和面内摇摆振动。面外弯曲振动是指弯曲振动垂直于原子所在的平面，根据原子的运动方向，又可分为面外摇摆振动和扭曲振动。图3－26以亚甲基为例描述了上述各种振动形式，每一种振动形式都有稳定的振动频率。当外界提供的红外光频率正好等于基团振动频率。当外界提供的红外光频率正好等于基团振动的某种频率时，分子就可能吸收该频率的红外光产生吸收峰。

多原子组成的分子有许多种振动方式，因此它们的红外光谱很复杂且各有特殊之处。

3.13.1.2 决定振动频率的因素

分子振动的频率决定分子所能吸收的红外光频率，即红外吸收峰的位置。

分子中的原子在平衡位置附近幅作周性的振动，这种情况与经典力学中弹簧振子所作的简谐振动十分相似。因此可以借用经典力学的Hooke定律（公式3－11）导出振动频率：

式中K为双原子形成的化学键力常数；u为两个原子的折合质量；m1和m2分别为两个原子的质量。

因此双原子分子的振动频率与组成原子的质量以及化学键的强度有关。如果是多原子组成的分子，我们可以把它分解成若干个基团来研究，由于各种有机化合物的结构不同，组成其中各基团的原子质量和化学键力常数不同，出现的吸收频率也各不相同，因此各有其特征的红外光谱。但是，真实分子的振动并不是严格的简谐振动，所以光谱上看到的情况也要复杂得多。

3.13.1.3 红外吸收光谱产生的条件

第二节 红外光谱分析技术

红外光谱（Infrared Spectrometry，IR）是一种选择性吸收光谱，通常是指有机物分子在一定波长红外线的照射下，选择性地吸收其中某些频率的光能后，用红外光谱仪记录所得到的吸收谱带。红外光谱分析是研究物质分子结构与红外吸收间关系的一种重要手段，可有效地应用于分子结构的分析，它在高聚物结构测定方面得到越来越来广泛的应用，是高聚物表征和结构性能研究的基本手段之一。

红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。除了单原子和同核分子之外，几乎所有的有机化合物在红外光区均有吸收。红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分析特征性强，对气体、液体、固体试样都可测定，并具有试样量少，分析速度快，不破坏试样的特点，因此，红外光谱法常用于鉴定化合物和测定分子结构，并进行定性和定量分析。

一、红外吸收光谱基本原理

（一）基本原理

红外光谱波数范围约为12800-10cm-1，或按波长的不同，将红外线分为近红外（0.75~2.5μm），中红外（2.5~25μm）与远红外(25~1000μm)三个区域，其中，近红外线处于可见光区到中红外光区之间，该光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团伸缩振动的倍频及组合频吸收产生，近红外辐射最重要的用途是对某些物质进行定量分析，它的测量准确度及精密度与紫外、可见吸收光谱相当。中红外线与分子内部的物理过程及结构关系最为密切，绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在中红外光区，由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，对于解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广泛的部分，常用于分子结构的研究与化学组成的分析。

根据量子学说的观点，物质在入射光的照射下，分子吸收光能量时，其能量的增加是跳跃的。所以，物质只能吸收一定能量的光量子。两个能级间的能量差（ΔE）与吸收光的频率（γ）服从波尔公式：