红外光谱(材料分析与测试技术)作业

1、Add Your Company Slogan红外吸收光谱汇报人：郑晓旭小组成员：郑晓旭 李佳莲 丁申影 刘璐2015.06.232015.06.23LogoLogo 红外吸收光谱的基本原理Contents1红外光谱(IR)分析基本原理2 3红外吸收光谱解析4红外吸收光谱仪及实验技术简介红外光的波长范围：0.781000m近红外区： 0.78 2.5 m（128204000cm-1）主要用于研究OH、NH、CH 键振动的倍频、合频吸收。中红外区： 2.525 m（4000400cm-1）主要为分子的振动、转动能级跃迁产生的吸收。远红外区：251000 m（ 40010cm-1 ）主要为分子的转

2、动能级跃迁、晶体的晶格振动、某些重原子化学键的伸缩振动和某些基团的弯曲振动所引起的吸收。一、红外吸收光谱原理一、红外吸收光谱原理分子的红外吸收光谱通常是由分子中各个基团和化学键的振动能级及转动能级跃迁所引起的，故又叫做振转光谱。红外辐射产生分子的振动和转动能级跃迁红外光谱，即振转光谱。反之，可由分子的红外光谱确定官能团、化学键分子结构。红外光谱法主要研究分子结构与其吸收曲线的关系，而红外吸收曲线通常由吸收峰的位置、数目、强度、形状等来描述。二、红外光谱(IR)分析基本原理2.1 2.1 红外吸收峰的位置红外吸收峰的位置2.2 2.2 红外吸收峰的数目红外吸收峰的数目2.3 2.3 红外吸收峰的

3、强度红外吸收峰的强度2.4 2.4 影响峰位的因素影响峰位的因素2.12.1红外吸收峰位置红外吸收峰位置分子振动模拟“小球弹簧模型”：分子中的原子具有一定质量的小球化学键具有一定强度的弹簧分子的振动近似为谐振动该体系处于不断的运动之中（一）谐振子及其振动频率谐振动：无阻尼的周期性的线性振动。双原子分子谐振子模型： 化学键 无质量的弹簧， 键连原子 刚性小球，其质量分别等于二原子的质量。式中，v 为振动频率，K为化学键的力常数（Ncm1），m1、m2 为二原子的质量， 为二原子的折合质量。化学键的力常数K，与键能和键长有关；双原子的折合质量 = m1m2 /（m1+m2）根据普朗克方程，发生振动

4、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。结论：（1）化学键越强，K 越大，振动频率越高；（2）二原子越大，振动频率越低。二、分子的振动能级与吸收峰位置分子的振动能级是量子化的，相应能级的能量为： E振=（V+1/2）hV ：振动量子数，其值可取0，1，2，3 等整数 ：化学键的振动频率E1 = 1/2 h E2 = 3/2 h E=E2-E1= hu分子振动能级是量子化的，振动能级差的大小与分子的结构密切相关。分子振动吸收能量等于其振动能级差的频率的光。u当分子吸收一定频率的红外线后，从振动能级基态跃迁至第一激发态时，产生的吸收峰叫做基频峰，它所对

5、应的振动频率等于他所吸收的红外线的频率。u从振动能级基态跃迁至第二激发态，第三激发态等，所产生的吸收峰，分别称为二倍频率、三倍频率等，也可将他们统称为倍频峰。不是基频峰的整倍数，要略小一些。如HCl，基频峰2885.9cm-1，二倍频峰5668cm-1。u两个或多个基频之和所对应的吸收峰叫合频峰，两个或多个基频之差所对应的吸收峰叫差频峰。它们都称为组频峰。u倍频峰、合频峰、差频峰统称为泛频峰。uV0 V1跃迁几率最高，故基频峰的强度最大，二倍频峰、三倍频峰 等的强度逐渐减弱。红外吸收光谱的表示方法红外吸收光谱的表示方法横坐标：波数() 4004000 cm-1；表示吸收峰的位置。纵坐标：透过率

6、(T %)，表示吸收强度。T越小，表明吸收越好。 I ：表示透过光的光强 I0：表示入射光的光强吸收峰位置由振动能级差的大小决定，取决于基频峰的吸收频率。每一个较大的吸收峰都代表了分子的一种基本振动的形式。2.2 2.2 红外吸收峰的数目红外吸收峰的数目u 多原子分子中，基本振动的数目叫振动自由度。u 每一个基本振动都代表了一种振动的形式，都有它固有的特征频率，都可能产生相应的红外吸收峰。1、伸缩振动（Stretching Vibration）用v 表示。特点：成键原子沿键轴方向伸缩，键长发生周期性的变化，其键角不变。当分子中原子数3 时，可产生对称伸缩振动（vs）和反对称伸缩振动（vas）。

7、 对称伸缩振动（vs） 不对称伸缩振动（vas） （2853cm-1） (2926cm-1) 沿轴振动，只改变键长，不改变键角2、弯曲振动（Bending Vibration）又称为变形振动或变角振动。用表示。特点：基团的键角发生周期性的变化，而其键长保持不变。分子中原子数3时，可产生面内弯曲振动和面外弯曲振动。弯曲振动只改变键角,不改变键长3.振动自由度与峰数u多原子分子中每个原子的空间位置可由X、Y、Z 三个坐标来确定。故其在空间的运动有三个子自由度。u当原子结合成分子时，自由度不损失，故n原子分子的自由度数等于3n。u分子的每一种基本振动的形式，从理论上讲都对应了一个振动自由度。分子的运

8、动状态分为：平动、振动和转动。故分子自由度数：3n 平动自由度数转动自由度数振动自由度数其中，平均自由度=3 线性分子的转动自由度 2 非线性分子的转动自由度 3故 线性分子的振动自由度 3n-5 非线性分子的振动自由度 3n-6例：水分子（非线性分子）振动自由度数3 3 6 3红外谱图上的峰数往往少于基本振动的数目。原因：（1）红外非活性振动：分子偶极距不发生变化（2）峰的简并：振动频率完全相同，吸收带重合（3）峰的掩盖：宽而强的吸收峰掩盖频率相近的窄 而弱的吸收峰（4）仪器的频率范围（5）仪器的灵敏度2.3 2.3 红外吸收峰的强度红外吸收峰的强度红外吸收峰强度近似分为五个等级（相对强度）

9、：很强峰（vs） 200强峰 （s） 75200中强峰（m） 2575弱峰 （w） 525很弱峰（v w） I ，频率（波数）下降；若C 98%)，通常在分析前，样品需要纯化；比如色谱法、萃取法、沉淀法、精密蒸馏法、重结晶法等。2)试样应尽量干燥，不能含游离水。水份的存在会在整个波段内产生强烈的水吸收带，掩盖试样的吸收峰，即使是微量水分，也会对红外吸收光谱产生明显的影响；水分也会溶蚀洗手池的卤化物窗片。 3)试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围；大多数吸收峰的透光率为15%70%。制样方法 气体试样 可直接将气体试样导入一抽成真空的气体吸收池内测定。液体试样 沸点较高的液体试样，可直接滴在两

10、块KBr窗片之间形成液膜后测定（液膜法） 沸点较低、挥发性较强的液体试样，可注入粉笔的吸收池内进行测定。固体试样1)压片法：1-2mg样+200mg KBr干燥处理研细：粒度小于2m(散射小)混合压成透明薄片直接测定； 2)石蜡糊法：试样磨细与液体石蜡混合夹于盐片间；(石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃)。3)薄膜法： 高分子试样加热熔融涂制或压制成膜； 高分子试样溶于低沸点溶剂涂渍于盐片挥发除溶剂样品 量少时，采用光束聚光器并配微量池。应用应用定性分析 1. 已知物的签定 将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。 2. 未知物结构分析 如果化合物不是新物质，可将其红外

11、谱图与标准谱图对照(查对) 如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为： 1 )该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等； 2 )不饱和度的计算： =22231345nnnn不饱和度表示有机分子中碳原子的不饱和程度。与相应的饱和分子相比，没缺2个H，就相当于1个不饱和度。因此一个环就相当于1个不饱和度，一个双键就相当于1个不饱和度，而一个三键则相当于2个不饱和度。式中，n5为分子中五价原子的数目， n4为分子中四价原子的数目，n3为分子中三价原子的数目，n1为分子中一价原子的数目。 =0 时，分子是饱和的，分子为链状烷烃或其不含双键的衍生物； =1 时，分子可能有一个双键

12、或脂环； =3 时，分子可能有两个双键或脂环； =4 时，分子可能有一个苯环。 3 )查找基团频率，推测分子可能的基团； 4 )查找红外指纹区，进一步验证基团的相关峰； 5 )能过其它定性方法进一步确证：UV-Vis、MS、NMR、Raman 等 由化学分子式计算=（27-8+2）/2=4，估计有苯环或其他不饱和结构查找谱图中是否有苯环的特征吸收，在1500cm-1有一中强吸收6,1600cm1、1500cm-1左右有弱吸收峰5,1450cm-1处有吸收峰7，这几组峰正好与苯环骨架振动相符，在31003000cm-1处有一组中强多重峰2，应为芳氢Ar-H吸收带；而20001650cm-1范围内

13、的一系列小峰4位芳氢面外弯曲振动的倍频与合频吸收带。因此可以确定该化合物具有苯环结构。进一步查找放缓面外弯曲振动区，发现735cm-1和697cm-1处有两个强峰10、11，这正是单取代苯的五个邻氢的面外弯曲振动吸收峰。因此，生育结构应为具有CH30的基团，能组成结构单元OCH3或CH2OH。在谱图中，34503200cm-1处有一宽吸收带1，应为缔合羟基的O-H特征吸收，3为CH2的C-H的吸收峰，故结构单元应为后者，将各结构单元组合成分子LogoLogo四、四、红外吸收光谱解析在768.36和863.77cm-1处，可见淀粉中葡萄糖单元环状结构特征吸收峰，在2921.16cm-1有C-H伸缩振动峰，在1158.27、1025.54、925.99cm-1则归因于C-O-C的伸缩振动。接枝共聚物在3464.55cm-1、3410.63cm-1处出现了非常明显的丙烯酰胺中-NH伸缩振动峰，在3232.26 cm-1和3128.56 cm-1处出现的吸收峰为C-H的伸缩振动峰，在354