红外吸收光谱

红外吸收光谱

1． 目的和要求

1. 通过红外吸收光谱实验 ，了解红外光谱的基本原理，初步掌

握红外定性分析法。

2. 了解红外分光光度计的工作原理，掌握红外吸收光谱的测量

技术。

二 . 基本原理

当一束连续变化的各种波长的红外光照射样品时，其中一部分被吸

收，吸收的这部分光能就转变为分子的振动能量和转动能量；另一部

分光透过，若将其透过的光用单色器进行色散，就可以得到一带暗条

的谱带。若以波长或波数为横坐标，以百分吸收率为纵坐标，把这谱

带记录下来，就得到了该样品的红外吸收光谱图。

根据量子力学的观点，分子的每一个运动状态都属于一定的能级，

处于某特定的运动状态的分子之能量E可以近似地分三部分：分子中

的电子运动能，组成分子的振动能和分子的整体转动能，于是

式中n，v, J分别为电子量子数，振动量子数和转动量子数。如果这些

分子在光照射下发生能级迁跃，就会产生分子对光的吸收或发射。分

子由低能级跃迁到高能级时，吸收光的频率（以波数表示）

式中为光速，为普朗克常数。由于

电子能级跃迁引起的电子光谱，出现在紫外和可见区，称之为紫外

和可见光谱。振动能级跃迁引起的振动光谱区出现在红外光谱区，称

之为红外光谱。纯转动能级的跃迁引起的转动光谱，出现在极远红外

及微波区。实际上，电子能级的跃迁，常常伴随振动，转动能级的跃迁，得到所谓电子—振动—转动光谱。同样振动能级的跃迁伴随转动

能级的跃迁，这时得到振动—转动光谱。

我们知道，谐振子模型是双原子的极好模型，在解薛定谔方程后可

得双原子分子的振动能级为

式中为分子的振动频率（以波数表示）。在室温下一般分子处在势

能较低的= 0 振动状态，因此我们只须考虑从= 0 跃迁到所吸收的红

外频率，于是有

从量子力学的观点来看，在一般地考虑红外光谱的强度时，我们必

须考虑不同能级之间跃迁偶极矩M的变化，它们之间有关系

由此可以证明：

（1）只有偶极矩会随q而变化的那些振动才会在红外光谱中出

现。例如极性双原子分子HBr会得到红外光谱，而偶极矩为零的H2

, O2 ,Cl2 等非极性分子则不会产生红外光谱。

（2）在谐振子模型近似下，红外吸收只允许发生在振动量子数

改变为的状态间。实际上由于振动的非谐性等原因，使得等几率较

小的跃迁也成为可能。这也定性的说明了（称为基频）强度很大，

（称为第一倍频）较弱，（称为第二频）则更弱的事实。在多原子

分子中还会出现合频吸收带（即）。

对于多原子分子，分子振动复杂的。但是这些复杂的。但是这些复

杂振动3N—6个简正振动，线性分子为3N—5个）（N为分子中的原

子数）。这些简正振动是作为分子整体的振动，但是每种振动只是分

子中某个功能基或化学键在不同化合物中的振动频率在一定的范围

内，这样的振动频率叫该功能基的特征振动频率，通常把这种能代表

某个基团存在并有较高强度的吸收峰称为特征吸收峰，一个功能基可以出现不止一个吸收带，总的可分为伸缩振动和变形振动两大类，伸

缩振动主要改变键长,分为对称性收缩振动和不对称性收缩振动。变

形振动引起的键角的变化，分为对沉面内及面外变形振动等形式（见

图2，图3）。如果功能

由谐振子模型，某化学键的特征吸收带，主要取决于成键原子的质量

和键力常数：

式中为键力常数，

为折合质量，即

和分别为两个成键原子的质量，根据各种化学键的与值的大小，红外

光谱可划分为如下几个区域：

3700~2500cm –1为含H化学键的伸缩振动区域。由于H原子质量最

小，这种键具有高的振动频率。OH，NH,CH等伸缩振动吸收代均出

现在此区域，2500~2000cm-1为终态和乘积双键的伸缩振动区域。由

于这种键具有最高的权值，所以其震振动频率也较大。等伸缩振动吸

收带出现在此区域。

2000~1600cm-1为双键的伸缩振动区域，苯环等伸缩振动出现在

此区域。

1600~6500cm-1　为单键区，在此区域所有的化合物均有互异的

谱，犹如人的指纹，可以用来鉴定各种化合物，因此又称为指纹区。重原子（除Ｈ外其它原子）之间单键的伸缩振动，由于小

大具有较低的振动频率，如Ｃ－Ｃ，Ｃ－Ｏ，Ｃ－Ｎ等伸缩振动

熙绶带均出现在此区域。另外，由于变形振动的远远小于伸缩振动的

值，所以含氢化学键或功能基的变形振动吸收出现在该区域。我们常

借助有关特征吸收谱带的知识，对化合物的红外光谱进行功能基的定性，以确定有关化合物的类别，再与已知结构的化合物的光谱进行比

较，肯定或鉴定所提出可能结构的化合物。本实验要对几种树脂薄膜

样品进行定性分析。

三、红外光谱的应用

纯的转动光谱发生在微波区，其能量较低，对生物大分子的研究价值

不大。一个生物大分子中有数目巨大的振动模式，完全的红外光谱非常

复杂。但是人们在总结大量红外光谱实验资料的基础上，发现在不同的

化合物中，同一种化学键或基团，往往表现出大致相同的吸收峰位置，

这些就是我们常利用的特征振动频率，它可以帮助我们判断有无某种化

学键或基团，从而帮助判断分子结构。

例如在研究血液中存在的胆固醇时，有时需区分自由胆固醇和被脂肪

化的胆固醇，此时可利用两分子的红外光谱加以区别：

自由胆固醇的红外光谱应有OH基吸收峰而无羰基吸收峰。它的脂化

产物恰相反。我们在课堂上了解到 OH吸收峰在3500cm-1附近而羰基吸

收峰在1700cm-1附近。这样我们可以根据这两者的谱图，发现其中一谱

图在1730cm-1附近有强吸收，因而可判断为被脂肪化了的胆固醇（原图

为胆固醇醋酸脂与自由胆固醇，此处未标出）。

以上只是红外光谱在鉴别上的部分应用，其对于化合物的性质测定也

有一定的价值。以下是一个近期在报刊上发表的例子。

近年来，有关天蚕的饲育、基础理论和开发利用等研究备受关注。几

位科学工作者用红外光谱法测定了桑蚕茧、柞蚕茧、龙蚝天蚕茧、东北

天蚕茧和河南天蚕茧丝蛋白结构，其谱图及研究结论如下：

由谱图1-5和谱图6可见，被测定蚕茧样品均为丝蛋白结构。根据蛋白

质特征吸收峰的归属可知，3300cm-1谱峰为酰胺 A NH伸缩振动和OH伸

缩振动，1650-1660cm-1谱峰为酰胺Ⅰ CO伸缩振动，1530cm-1谱峰为

ⅡCN伸缩振动和NH面内变形振动，1230-1240cm-1谱峰为酰胺Ⅲ CN伸

缩振动和NH面内变形振动，600-700cm-1谱峰为酰胺 Ⅴ NH面外变形振

动。由谱图1—5可见：(1)960cm-1谱峰，独有桑蚕茧不出现；(2)1320cm-1和770cm-1两谱峰，只有东北和河南天蚕茧出现，且河南天蚕茧相对强度明显强于东北天蚕茧；(3)1650cm-1和1530cm-1这对谱峰

其相对强度桑蚕茧、柞蚕茧和龙蚝天蚕茧均相差不大，而东北和河南天

蚕茧都相差较大，特别是河南天蚕茧相差更大，即1530cm-1谱峰强度特

低；(4)龙蚝天蚕茧和柞蚕茧虽然红外光谱相似，但它们的谱峰之间相对

强度却不尽相同；(5)600-700cm-1谱峰也有明显差别。 为了验证两种蚕茧1530cm-1谱峰强度降低的原因，1320cm-1和770cm-

1两谱峰的来源，以及前面归属的正确性。本文测定了氧化后的柞蚕茧

层红外光谱(图6)，由图6可见，1530cm-1谱峰相对强度降低，同时出现

了1320cm-1和770cm-1两个新谱峰，并且随着1530cm-1谱峰的降低，

1320cm-1和770cm-1两谱峰相对强度在增加，呈现出与东北及河南天蚕

茧红外光谱相似这一现象。该实验表明，这种对东北及河南天蚕茧红外

光谱1530cm-1、1320cm-1和770cm-1谱峰的归属和解释是合理的。

通过上述红外光谱研究，我们可以发现东北及河南天蚕茧层均被某种

程度氧化，酰胺中亚氨基部分被氧

化成硝基化合物，且河南天蚕茧比东北天蚕茧氧化的更严重些。同时也

证明了东北及河南天蚕茧1530cm-1谱峰低的原因和1320cm-1、770cm-1

两谱峰的由来，为不同种类的蚕丝及它们的织品的物证检验及鉴定提供

了较好的方法。

但红外光谱对水溶液的研究遇到了重大障碍，因为溶剂水对红外光有

强的吸收，使光谱完全被水的吸收所遮蔽。但红外光谱可研究从生物体

系萃取的物质。例如微生物和病毒的溶剂萃取物具有其特征的红外光

谱，可用于检测它们。毒物学家用红外光谱检测已死器官中所存在的毒物。病理学家常用红外光谱研究尿与血液。对溶液的红外光谱研究可用

有机溶剂。对固体样品常与KBr粉末混合和压成薄片，或分散在石油中

进行测定。