仪器分析教学课件：15-红外吸收光谱法

第十五章红外吸收光谱法

InfraredAbsorptionSpectrometry

本章要求⒈掌握分子的振动频率、振动类型；⒉了解红外光谱与分子结构的关系及影响因素；⒊掌握重要官能团及有机化合物的特征吸收频率；⒋了解红外吸收光谱仪的基本部件及其作用。红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。利用物质分子对红外辐射的吸收，由其振动或转动引起偶极矩的变化产生振动-转动能级从基态跃迁到激发态，获得振动-转动光谱，即为红外光谱。主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。15.1概述一、红外波段的划分

红外波段可分为远红外、中红外、近红外。

波段波长（μm）波数（cm-1）跃迁类型近红外0.75~2.513300~4000倍频

中红外2.5~254000~400分子振动转动远红外25~1000400~10分子转动二、红外光谱产生的条件⑴

红外辐射的能量必须与分子的振动能级差相等；⑵

分子振动过程中其偶极矩必须发生变化。只有红外活性振动才能产生吸收峰，是否有红外活性与分子的对称性有关。对称性分子没有偶极矩的变化（同核双原子分子），非对称性分子有偶极矩的变化。

He、Ar、O2、N2等非红外活性，偶极矩变化为0。

CO2分子虽为对称分子，但振动O=C=O，偶极矩变化，故有红外吸收。三、红外光谱的表示方法⒈谱带强度分子对称度高，振动偶极矩小，产生的谱带就弱；反之则强。如C=C，C-C因对称度高，其振动峰强度小；而C=X，C-X，因对称性低，其振动峰强度就大。⒉红外光谱的表示方法：

红外光谱图多以波长λ(μm)或波数σ(cm-1)为横坐标，表示吸收峰的位置，多以透光率T%为纵坐标，T~λ或T~σ表示吸收强度，此时图谱中的吸收“峰”，其实是向下的“谷”。一般吸收峰的强弱均以很强(vs)；强(s)；中(m)；弱(w)；很弱(vw)等来表示。纵坐标为透过率(%)，横坐标为波长λ(μm)和波数1/λ(cm-1)。也可以用峰数、峰位、峰形和峰强来描述。四、红外光谱特点⒈

红外吸收只有振-转跃迁，能量低；⒉

应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；⒊

分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；⒋

定量分析；⒌

固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；⒍

分析速度快；⒎

与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。五、常见术语

基频峰、倍频峰、合频峰、差频峰⒈基频峰：分子吸收光子后，振动能级基态跃迁到第一激发态所产生的吸收峰。0－1基频峰⒉倍频峰：由基态跃迁到第二、第三激发态所产生的吸收峰称二倍、三倍频峰。三倍频峰以上的跃迁几率很小，不被测量。0－2倍频峰；0－3倍频峰⒊合频峰：吸收能量之后，有可能同时激发两种基频振动至激发态而产生两个频率之和的吸收峰。v1+v2⒋差频峰：一种振动方式由基态至激发态，同时另一振动方式由激发态至基态。

一、分子振动方程式⒈双原子分子的简谐振动及其频率

分子的振动可近似地看成一些用弹簧连接着的小球的运动。以双原子分子为例，若把两原子间的化学键看成质量可以忽略不计的弹簧，把两个原子看成两个小球，两个原子质量为m1、m2，则它们之间的伸缩振动可以近似的看成沿轴线方向的简谐振动，如图:15.2基本原理⒉

分子振动方程式

任意两个相邻的能级间的能量差为：

K--化学键的力常数，N/cm为单位，与键能和键长有关。

--双原子的折合质量

=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。k越大，

越小，则化学键的振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区；反之，出现在低波数区。⒊影响k的因素：⑴受键数目影响：k大，化学键的振动波数高。键类型:—CC—>—C=C—>—C—C—力常数:16.59.66.8

峰位:4.5m6.0m7.0m

(2101cm-1)(1648cm-1)(1128cm-1)⑵两个原子不一样H-FH-ClH-BrH-Ik

9.74.84.13.2峰位：4185cm-12894cm-12654cm-12340cm-1

⑶环境不一样由于各个有机化合物的结构不同，它们的相对原子质量和化学键的力常数各不相同，就会出现不同的频率，因此各有其特征的红外吸收光谱。k=5.9σC-H=3300k=5.1σC-H=3070亚甲基的两类振动方式伸缩振动

弯曲振动二、分子中基团的基本振动形式⒈

两类基本振动形式⒉基本振动数目（峰数）

多原子分子在红外光谱上，可以出现一个以上的基频吸收带。基频吸收带的数目等于分子的振动自由能，而分子的总自由能等于确定分子中各原子在空间的位置

所需的坐标的总数。很明显，在空间确定一个原子的位置，需要3个坐标（x、y和z)。对于N个原子构成的分子整体，其分子自由度的总数等于：直线型分子=3N–5；非线型分子=3N–6苯在红外光谱上应出现3×12-6=30个峰

在红外光谱中，某些化学基团虽然处于不同分子中，但它们的吸收频率总是出现在一个较窄的范围内。如羰基总是出现在1870~1650cm-1间出吸收峰酮、酰、酯R—C—OR—C—OR—C—R

O特征峰

1715cm-11735cm-11660cm-115.3特征吸收峰特征峰

1715cm-1戊酮-3

一、红外区分为四个区：⒈

X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S）频率范围4000~2500cm-1（伸缩振动），如O-H，3650~3200cm-1，N-H，3500~3100cm-12.三键和累积双键（25002000cm-1

）3.双键伸缩振动区（20001300cm-1

）C=O的特征峰，1600cm-1，强度最大，峰尖锐，往往是谱带中第一强峰，判断羰基存在的主要依据。4.指纹区：

1300

600cm-1，X-Y伸缩振动及X-H变形振动区二、影响基团频率的因素

化学键的振动频率与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基团的特征吸收不总在一个固定频率上。⒈电子效应：引起化学键电子分布不均匀的效应。⑴诱导效应

由于静电诱导作用，使键力常数改变。(2)共轭效应

π-π电子共轭使双键频率向低频移动，单键频率向高频移动⒉

氢键

氢键的形成使k减小，σ减小。目前有两类红外光谱仪：色散型和傅立叶变换型15.4红外光谱仪⒈光源⒉吸收池

⒊单色器

由色散元件、准直镜和狭缝构成。可用光栅来增加波数范围，狭缝宽度应可调。⒋检测器

固体⑴

糊状法样品研碎悬浮体(液体石蜡油)

压在两盐片之间⑵

压片法取300mgKBr+1~3mg样品压片⑶薄膜法样品高温下压成膜样品