材料微观分析技术讲义-第十章-红外吸收光谱
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红外吸收光谱
物质吸收红外光发生振动和转动能级的跃迁须满足两个 条件：
（1）红外辐射光量子具有的能量等于分子振动能级的 能量差；
（2）分子振动时，偶极距的大小和方向必须有一定的 变化。
（一）振动能级
hc
E分子 E振动 E转动 h(v振动 v转动 ) 振动 转动
ΔE振动 0.05~ 1ev,
λ振动 25 ~ 1.25m
特征峰：在特征区中凡能鉴定官能团是否存在的吸收峰
官能团区 4000~1300cm-1
x-H伸缩振动区 4000~2500cm-1 三键和积累双键区 2500~2000cm-1 双键伸缩振动区 2000~1300cm -1
指纹区 红外光谱图中的波数区在1333cm－1称为指纹区，其间出
现的谱带主要是C－C，C－N，C－O等单键伸缩振动及各种 弯曲振动。
CH2的反对称伸缩和对称伸缩振动分别出现在2926cm－1和 2853cm－1处。脂肪族以及无扭曲的脂环族化合物的这两个吸收带的 位置变化在10cm－1以内。一部分扭曲的脂环族化合物其CH2吸收频率 增大。
中红外区（4000～400cm－1）分成两部分： 官能团区（3700～1333 cm－1）； 指纹区（1333～650 cm－1） 官能团的特征吸收大多出现在官能团区。 而有关的分子精细结构特征，如取代类型、几何异构、 同分异构在指纹区可以观察到。
2. 红外吸收峰强度的影响因素 振动能级的跃迁几率
称性越差，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 > 变形振 动
vC=O> vC=C
红外吸收光谱仪
一、色散型红外吸收光谱仪的基本组成 1．组成结构框图
硅碳棒 光源
吸收池参 比 样品单源自器切光器（斩波器） 检 测 器
（1）红外辐射光量子具有的能量等于分子振动能级的 能量差；
（2）分子振动时，偶极距的大小和方向必须有一定的 变化。
（一）振动能级
hc
E分子 E振动 E转动 h(v振动 v转动 ) 振动 转动
ΔE振动 0.05~ 1ev,
λ振动 25 ~ 1.25m
特征峰：在特征区中凡能鉴定官能团是否存在的吸收峰
官能团区 4000~1300cm-1
x-H伸缩振动区 4000~2500cm-1 三键和积累双键区 2500~2000cm-1 双键伸缩振动区 2000~1300cm -1
指纹区 红外光谱图中的波数区在1333cm－1称为指纹区，其间出
现的谱带主要是C－C，C－N，C－O等单键伸缩振动及各种 弯曲振动。
CH2的反对称伸缩和对称伸缩振动分别出现在2926cm－1和 2853cm－1处。脂肪族以及无扭曲的脂环族化合物的这两个吸收带的 位置变化在10cm－1以内。一部分扭曲的脂环族化合物其CH2吸收频率 增大。
中红外区（4000～400cm－1）分成两部分： 官能团区（3700～1333 cm－1）； 指纹区（1333～650 cm－1） 官能团的特征吸收大多出现在官能团区。 而有关的分子精细结构特征，如取代类型、几何异构、 同分异构在指纹区可以观察到。
2. 红外吸收峰强度的影响因素 振动能级的跃迁几率
称性越差，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 > 变形振 动
vC=O> vC=C
红外吸收光谱仪
一、色散型红外吸收光谱仪的基本组成 1．组成结构框图
硅碳棒 光源
吸收池参 比 样品单源自器切光器（斩波器） 检 测 器
第十章 红外光谱分析
第十章 红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectrometry ，IR
2020/3/23
• 第一节 红外吸收光谱基本原理
一、红外光谱概述 二、红外吸收光谱产生条件 三、分子振动形式 四、红外光谱吸收强度
2020/3/23
一、红外光谱概述
红外吸收光谱（Infrared absorption spectroscopy, IR）又称为分子振动—转动光谱。
2020/3/23
1、红外光谱区域划分
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），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。 （2）中红外区：2.5～25μm（4 000～400cm-1），主要用 于研究大部分有机化合物的振动基频。 （3）远红外区：25～300μm（400～33cm-1），主要用于 研究分子的转动光谱及晶格的振动。
包含各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动 特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认 注：特征峰常出现在特征区 2. 指纹区： 指纹区： 1250~400cm-1的低频区，包含C—X（X：O，H， N）单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动 特点：吸收峰密集、难辨认→指纹 注：相关峰常出现在指纹区
2020/3/23
2020/3/23
红外光谱的吸收带强度可用于定量分析，也是化合物定 性分析的重要依据。
2020/3/23
峰位、峰数、峰强 （1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波区）； 反之，出现在低波数区（长波区）。 （2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化 时，无红外吸收。
Infrared Absorption Spectrometry ，IR
2020/3/23
• 第一节 红外吸收光谱基本原理
一、红外光谱概述 二、红外吸收光谱产生条件 三、分子振动形式 四、红外光谱吸收强度
2020/3/23
一、红外光谱概述
红外吸收光谱（Infrared absorption spectroscopy, IR）又称为分子振动—转动光谱。
2020/3/23
1、红外光谱区域划分
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），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。 （2）中红外区：2.5～25μm（4 000～400cm-1），主要用 于研究大部分有机化合物的振动基频。 （3）远红外区：25～300μm（400～33cm-1），主要用于 研究分子的转动光谱及晶格的振动。
包含各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动 特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认 注：特征峰常出现在特征区 2. 指纹区： 指纹区： 1250~400cm-1的低频区，包含C—X（X：O，H， N）单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动 特点：吸收峰密集、难辨认→指纹 注：相关峰常出现在指纹区
2020/3/23
2020/3/23
红外光谱的吸收带强度可用于定量分析，也是化合物定 性分析的重要依据。
2020/3/23
峰位、峰数、峰强 （1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波区）； 反之，出现在低波数区（长波区）。 （2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化 时，无红外吸收。
红外吸收光谱原理
红外吸收光谱原理
红外吸收光谱原理是一种分析技术，用于研究物质的结构、组成和化学性质。
它基于物质分子对红外光的吸收特性进行分析。
红外光谱是由红外辐射区域的电磁波组成的。
红外光的频率范围通常从1×10^12 Hz到3×10^14 Hz，对应的波长范围从0.8
微米到1000微米。
物质分子在这个频率范围内对特定波长的
红外光有吸收的能力，这与分子结构和化学键的特性有关。
原理上，红外吸收光谱是通过测量红外光通过待测物质后的强度变化来进行的。
当红外光通过物质时，分子会吸收与其振动和转动相对应的能量。
物质中的不同化学键和功能团会产生不同的吸收峰，这样就能通过红外光谱图谱来确定物质的结构和组成。
红外光谱仪通常由光源、样品室、光谱仪和检测器组成。
光源产生红外光束，经过样品室后，光束中的红外光被样品吸收或透射，然后进入光谱仪。
光谱仪将红外光根据其波长分解成不同的频率，并将其转换为电信号。
最后，检测器测量电信号的强度，形成红外光谱图。
红外吸收光谱原理的优势在于其非破坏性和高分辨率的特点。
它可以应用于各种领域，如化学、材料科学、生物科学等。
通过对物质的红外吸收光谱进行分析，可以快速得到物质的结构信息和组成成分，为研究和实际应用提供有价值的信息。
红外吸收光谱PPT课件
02
红外吸收光谱仪器
红外光谱仪的构造
01
02
03
04
光源
发射一定波长的红外光，常用 光源有碘、溴钨灯等。
单色器
将光源发出的红外光分成单色 光，常用单色器有棱镜和光栅
。
样品室
放置待测样品，样品可以是气 体、液体或固体。
检测器
检测透过样品的红外光，常用 检测器有热电偶、光电导和光
电二极管等。
红外光谱仪的工作原理
红外吸收光谱的应用
确定物质成分
结构分析
通过比较标准物质的红外吸收光谱，可以 确定未知物质的成分。
红外吸收光谱的峰位置和峰强度可以提供 物质分子的振动和转动信息，有助于分析 分子结构和化学键的类型。
定量分析
反应动力学研究
通过测量样品在不同波长下的透射率或反 射率，可以计算样品中目标成分的浓度。
红外吸收光谱可用于研究化学反应过程中 分子振动和转动能级的跃迁。
特点
具有高灵敏度、高分辨率和高选 择性，能够提供物质分子的振动 和转动信息，广泛应用于化学、 物理、环境和生物等领域。
红外吸收光谱的原理
原理
当红外光与物质分子相互作用时，分 子吸收特定波长的红外光，导致分子 振动和转动能级跃迁，产生红外吸收 光谱。
影响因素
分子结构和化学键的性质决定红外吸 收光谱的特征，不同物质具有独特的 红外吸收光谱。
敏度，适用于复杂样品分析。
微型化红外光谱仪
02
通过集成光学、微电子机械系统等技术，将红外光谱仪小型化，
方便携带和移动检测。
多光谱和超光谱红外光谱仪
03
结合多光谱技术和超光谱技术，可同时获取样品多个波段的红
外光谱信息，提高分析效率。
第10章_红外吸收光谱分析
21:58:16
ｂ．共轭效应
共轭效应使共轭体系中电子云密度平均化，使原来的双键强 度减弱，键力常数减小，双键的基团频率向低波数方向移动
O H3C C CH3
O C CH3
1715 cm -1 1685 cm -1
O
O
C CH3
C
1685 cm -1 1660 cm -1
21:58:16
2.氢键效应
苯环上C-H的面外弯曲振动在900-650cm-1
21:58:16
21:58:16
(4) 碳骨架类型确定后, 再依据其他官能团, 如 C=O, O-H, C-N 等特征吸收来判定 化合物的官能团
(5) 解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起 来，以准确判定官能团的存在
• 如 2820，2720 和 1750~1700 cm1的三个 峰 说明醛基的存在
理论振动个数（振动自由度）——反应出峰的可能个数
21:58:16
例1 CO2分子 （有一种振动无红外 活性）
例2 水分子 （非对称分子）
21:58:16
§10-5 红外光谱吸收强度
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 红外吸收光谱用符号表示：s(强)；m(中)；w(弱)
3000 cm-1 以下
—C—H
2890 cm-1 弱吸收
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ）
苯环上的C—H 3030 cm-1 =C—H 3040 3010 cm-1
3000 cm-1 以上
C—H 3300 cm-1
21:58:16
2.叁键、累积双键伸缩振动区（2500 2000 cm-1 ）
ｂ．共轭效应
共轭效应使共轭体系中电子云密度平均化，使原来的双键强 度减弱，键力常数减小，双键的基团频率向低波数方向移动
O H3C C CH3
O C CH3
1715 cm -1 1685 cm -1
O
O
C CH3
C
1685 cm -1 1660 cm -1
21:58:16
2.氢键效应
苯环上C-H的面外弯曲振动在900-650cm-1
21:58:16
21:58:16
(4) 碳骨架类型确定后, 再依据其他官能团, 如 C=O, O-H, C-N 等特征吸收来判定 化合物的官能团
(5) 解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起 来，以准确判定官能团的存在
• 如 2820，2720 和 1750~1700 cm1的三个 峰 说明醛基的存在
理论振动个数（振动自由度）——反应出峰的可能个数
21:58:16
例1 CO2分子 （有一种振动无红外 活性）
例2 水分子 （非对称分子）
21:58:16
§10-5 红外光谱吸收强度
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 红外吸收光谱用符号表示：s(强)；m(中)；w(弱)
3000 cm-1 以下
—C—H
2890 cm-1 弱吸收
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ）
苯环上的C—H 3030 cm-1 =C—H 3040 3010 cm-1
3000 cm-1 以上
C—H 3300 cm-1
21:58:16
2.叁键、累积双键伸缩振动区（2500 2000 cm-1 ）
精品现代材料分析-红外吸收光谱介绍PPT课件
H
R1 C
H
H 3040~3010
C R2
R2 3040~3010
C H
1420~1410 1420~1410
895~885
990 910 840~800
965
730~675
1658~1698 1645~1640 1675~1665 1675~1665 1665~1650
（3）炔烃
末端炔烃的C-H伸缩振动一般在3300 cm-1处 出现强的尖吸收带。
对于伸缩振动来说，氢键越强，谱带越宽，吸收强度越 大，而且向低波数方向位移也越大。
对于弯曲振动来说，氢键则引起谱带变窄，同时向高波 数方向位移。
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500
1620-1590
1650
3400
1650-1620
HO O
苯环取代类型在2000~1667cm-1和 900~650cm-1的图形
邻、间及对位二甲苯的红外光谱
（5）醇和酚
在稀溶液中，O-H键的特征吸收带位于3650～3600 cm-1；在纯液体或固体中，由于分子间氢键的关系， 使这个吸收带变宽，并向低波数方向移动，在 3500～3200 cm-1处出现吸收带。
~17ห้องสมุดไป่ตู้0
~1760（游离态）
（5）芳环、C=C、C=N伸缩振动区 1675~1500cm-1
① RC=CR′ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R′（对称）时，无红外活性。
② 芳环骨架振动在1600～1450 cm-1有二到四 个中等强度的峰，是判断芳环存在的重要标 志之一。
R1 C
H
H 3040~3010
C R2
R2 3040~3010
C H
1420~1410 1420~1410
895~885
990 910 840~800
965
730~675
1658~1698 1645~1640 1675~1665 1675~1665 1665~1650
（3）炔烃
末端炔烃的C-H伸缩振动一般在3300 cm-1处 出现强的尖吸收带。
对于伸缩振动来说，氢键越强，谱带越宽，吸收强度越 大，而且向低波数方向位移也越大。
对于弯曲振动来说，氢键则引起谱带变窄，同时向高波 数方向位移。
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500
1620-1590
1650
3400
1650-1620
HO O
苯环取代类型在2000~1667cm-1和 900~650cm-1的图形
邻、间及对位二甲苯的红外光谱
（5）醇和酚
在稀溶液中，O-H键的特征吸收带位于3650～3600 cm-1；在纯液体或固体中，由于分子间氢键的关系， 使这个吸收带变宽，并向低波数方向移动，在 3500～3200 cm-1处出现吸收带。
~17ห้องสมุดไป่ตู้0
~1760（游离态）
（5）芳环、C=C、C=N伸缩振动区 1675~1500cm-1
① RC=CR′ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R′（对称）时，无红外活性。
② 芳环骨架振动在1600～1450 cm-1有二到四 个中等强度的峰，是判断芳环存在的重要标 志之一。
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。
仪器分析课件 第10章 红外吸收光谱分析
双原子分子振动模拟图
2. 振动能级（量子化）： 按量子力学的观点，当分子吸收红外光谱发生跃迁时，要满足一定的 要求，即振动能级是量子化的，可能存在的能级满足下式： E 振 =（ V+ 1/2 ）h n n：化学键的振动频率； V：振动量子数。 任意两个相邻的能级间的能量差为：
（用波数表示）
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。
第二节 红外光谱与有机化合物结构
一、基团频率与红外光谱的分区
常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000 ~ 670 cm -1, 依据基团的振动形式，分为四个区：
二、 影响基团频率位移的因素
化学键的振动频率不仅与其性质有关，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并不总在一 个固定频率上。 1. 内部因素 • 电子效应 （1）诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（ 蓝移）
一、红外吸收与振动-转动光谱
1. 光谱的产生：
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振-转光谱，红外光谱。2. 所需能量：
3. 研究对象：
具有红外活性的化合物，即含有共价键、并 在振动过程中伴随有偶极矩变化的化合物。
4. 用途:
结构鉴定、定量分析和化学动力学研究等。
二、分子振动方程式
1. 振动频率 对于双原子分子，可认为分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振 幅作周期性的振动即化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧（下图）， 可按简谐振动模式处理，由经典力学导出振动频率：
2. C-H键的伸缩振动可分为饱和的和不饱和的 饱和的C-H键：一般在3000cm-1以下 —CH3 2960 cm-1 2870 cm-1 —CH2— 2930 cm-1 2850 cm-1 —C—H 2890 cm-1
红外吸收光谱简介
分子间氢键 分子间氢键是否能够形成以及缔合程度有多大与该化合物
的浓度有密切关系
例如: 环己醇
浓度<0.01mol/L的CCl4稀溶液中------不形成分子间氢键 浓 度<0.1mol/L的CCl4溶液中------ 形成二聚体和多聚体的吸收 浓 度<1.0mol/L的CCl4溶液中------几乎都是多聚体
强, 宽而散
νN-H /cm-1 :3500~33001
强, 尖峰(单或双峰)
分子内氢键
H OO
O1 νC=O(游离) 1675cm-1 νO--H(缔合) 2843cm-1
形成分子内氢键
O
νC=O(游离) 1676cm-1 νC=O(游离) 1673cm-1 νO--H(游离) 3615~3606cm-1
未形成分子内氢键
氢键对氢键给体的影响较大, 对氢键受体的影响相对较小.
强度
很强 强 中等 弱 很弱
符号
VS S M W VW
红外吸收峰形状
宽峰 尖峰
肩峰 双峰
二.红外光谱的应用
1.通过红外光谱图的比较,可以判断是否是同一种化合物. 2.可以获取分子中各种结构信息, 特别是官能团信息.
例如: 3000±150cm-1区域的任何吸收, 都可以归结为C-H伸缩振动. 1715±100cm-1区域的任何强吸收, 基本上都可以归结为C=O 伸缩振动.
Y=Z伸缩振动区 (C=O, C=N, C=C)
红外吸收光谱中各种主要基团的大致分布图
不仅要注意特征官能团的位置. 而且还要注意观察峰的形状和强度.
例如 例如
νC=O /cm-1 ----1850~1630
强
νC=C /cm-1 ---- 1680~1620
红外吸收光谱法课件PPT
02 红外吸收光谱仪的组成与 操作
红外吸收光谱仪的组成
01
02
03
04
光源
发射特定波长的红外光，为样 品提供能量。
干涉仪
将红外光分成两束，分别经过 样品和参比，再合并形成干涉
。
检测器
检测干涉后的红外光，转换为 电信号。
数据处理系统
处理检测器输出的电信号，生 成红外吸收光谱。
红外吸收光谱仪的操作流程
多光谱融合
将红外光谱与其他光谱技 术进行融合，实现多维度、 多角度的物质成分和结构 分析。
云平台与大数据
利用云平台和大数据技术， 实现红外光谱数据的共享、 挖掘和分析，推动科研合 作与成果转化。
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THANKS
检查部件
定期检查仪器各部件是否正常 工作，如光源、干涉仪、检测 器等。
定期校准
为保证测试结果的准确性，应 定期对仪器进行校准。
数据备份
对测试结果进行备份，以防数 据丢失。
03 红外吸收光谱法的实验技 术
样品的制备与处理
样品制备
将待测物质研磨成粉末，以便更 好地分散在测试介质中。
样品处理
根据实验需求，对样品进行纯化 、干燥等预处理，以消除干扰因 素。
用于检测大气和水体中 的污染物，如挥发性有 机化合物、重金属等。
用于研究生物大分子的 结构和功能，如蛋白质、
核酸等。
红外吸收光谱法的历史与发展
历史
红外吸收光谱法自19世纪中叶被发现以来，经历了多个发展阶段，不断完善和 改进。
发展
随着仪器的改进和计算机技术的发展，红外吸收光谱法的应用范围不断扩大， 分析精度和灵敏度也不断提高。未来，红外吸收光谱法将继续在各个领域发挥 重要作用。
红外吸收光谱法原理
红外吸收光谱法原理
红外吸收光谱法是一种常见的分析技术，其原理是通过测量样品吸收红外辐射的能力来获得关于样品分子结构和化学性质的信息。
红外辐射是电磁波的一种，具有较长的波长，处于可见光和微波之间的频率范围。
红外吸收光谱法基于分子在红外辐射下的振动和旋转转换而产生的谱带。
分子的振动可以分为两种类型：拉伸振动和弯曲振动。
拉伸振动是指分子中化学键的伸缩运动，而弯曲振动是指分子中非线性结构的原子发生弯曲运动。
不同类型的振动将具有特定的频率和能量。
当红外辐射通过样品时，其中的特定波长将与样品中分子的振动频率相匹配，导致分子吸收光能量。
测量仪器将记录样品吸收的红外辐射强度，并以谱图的形式表现出来。
在谱图上，吸收强度以峰值的形式呈现，每个峰代表特定类型的化学键或功能基团。
通过与已知化合物的红外光谱进行比较，可以确定未知样品中存在的功能基团和化学键类型。
因此，红外吸收光谱法被广泛应用于有机化学、材料科学、环境分析等领域，用于物质的鉴定、定量分析以及结构表征。
总之，红外吸收光谱法利用分子对特定波长的红外辐射的吸收能力，探测样品中的振动和旋转转换过程，从而揭示样品分子结构和化学性质的信息。
红外吸收光谱法
中红外光区吸收带（2.5 ~ 25µm ）是绝大多数 有机化合物和无机离子的基频吸收带（由基态振动 能级（=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所 产生的吸收峰称为基频峰）。
2024/7/18
3
由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动， 所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。 同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目 前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极 为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红 外光谱法。
例１ 水分子
2、峰数 ：理论值为 3n-6(3n-5)
2024/7/18 实际峰数不等于此值。(原因？）
18
在红外吸收光谱上除基频峰外，振动能级由基态
（ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3），所产生的吸收峰称为倍频峰
由=0跃迁至=2时， △=2，则L=2，产生的 吸收峰称为二倍频峰。
2024/7/18
26
表 几种红外检测器
红外检测器 原理
构成
特点
热电偶
温 差 热 电 涂黑金箔（接受面）连接金属（热接 光谱响应宽且一致性
效应
点）与导线（冷接端）形成温差。 好、灵敏度高、受热噪 音影响大
涂黑金箔（接受面）作为惠斯顿电桥 稳定、中等灵敏度、较
测热辐射计 电桥平衡 的一臂，当接受面温度改变，电阻改 宽线性范围、受热噪音
由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。设分子 由n个原子组成，每个原子在空间都有3个自由度， 原子在空间的位置可以用直角坐标中的3个坐标x、y 、z表示，因此，n个原子组成的分子总共应有3n个 自由度，即3n种运动状态。
但在这3n种运动状态中，包括3个整个分子的质
心沿x、y、z方向平移运动和3个整个分子绕x、y、z
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由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动， 所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。 同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目 前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极 为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红 外光谱法。
例１ 水分子
2、峰数 ：理论值为 3n-6(3n-5)
2024/7/18 实际峰数不等于此值。(原因？）
18
在红外吸收光谱上除基频峰外，振动能级由基态
（ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3），所产生的吸收峰称为倍频峰
由=0跃迁至=2时， △=2，则L=2，产生的 吸收峰称为二倍频峰。
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表 几种红外检测器
红外检测器 原理
构成
特点
热电偶
温 差 热 电 涂黑金箔（接受面）连接金属（热接 光谱响应宽且一致性
效应
点）与导线（冷接端）形成温差。 好、灵敏度高、受热噪 音影响大
涂黑金箔（接受面）作为惠斯顿电桥 稳定、中等灵敏度、较
测热辐射计 电桥平衡 的一臂，当接受面温度改变，电阻改 宽线性范围、受热噪音
由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。设分子 由n个原子组成，每个原子在空间都有3个自由度， 原子在空间的位置可以用直角坐标中的3个坐标x、y 、z表示，因此，n个原子组成的分子总共应有3n个 自由度，即3n种运动状态。
但在这3n种运动状态中，包括3个整个分子的质
心沿x、y、z方向平移运动和3个整个分子绕x、y、z
第十章 红外吸收光谱分析
五、红外光谱法的应用
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机 物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红 外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化 的化合物。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。
红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收谱 带的强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴 定未知物的结构组成或确定其化学基团；
基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动， 用符号表示。 变形振动又分为面内变形和面外变形振动。 面内变形振动又分为剪式（以表示）和平面摇摆振 动（以表示）。 面外变形振动又分为非平面摇摆（以表示）和扭 曲振动（以表示）。
⒊基本振动的理论数
简正振动的数目称为振动自由度，每个振动自由度 相当于红外光谱图上一个基频吸收带。
四、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，而偶极矩与分子结构的对称性有关。 振动的对称性越高，振动中分子偶极矩变化 越小，谱带强度也就越弱。一般地，极性较强的 基团（如C=0，C-X等）振动，吸收强度较大； 极性较弱的基团（如C=C、C-C、N=N等）振动， 吸收较弱。
红外光谱的吸收强度一般定性地用很强（vs）、
在1800 cm-1 （1300 cm-1 ）~600 cm-1 区域内，
除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的 谱带。这种振动与整个分子的结构有关。
指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，
而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。
基团频率区可分为三个区域：
（1）4000 ~2500 cm-1 X-H伸缩振动区 X可以是O、N、C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在3650 ~3200 cm-1 范 围内，它可以作为判断有无醇类、酚类和有机 酸类的重要依据。
红外吸收光谱分析2
R-C=O-C
诱导>共轭
1735
1715
R-C=O-SR 诱导<共轭
1690
（4）氢键：形成氢键后，X－H的振动频率降低，吸收 向低波数移动，吸收强度增大，谱带变宽。 分子间氢键：
特点：与浓度和溶剂的性质有关。
分子内氢键：
HO O
C H3C
OH - 伸缩
OC3H 2835
HO 3705-3125
基频峰的峰位等于分子的振动频率 基频峰强度大——红外主要吸收峰 （2）倍频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激 发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰（即 V=0→V=2，3- - -产生的峰）
（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;泛频峰强度较弱，难辨认 →却增加了光谱特征性
关于力常数k:
化学键的强度可以用k来形象描述，同类原子组成的化学
键，折合质量相同，频率取决于k.
如：－C－C－，k=5 N/cm,频率＝1190 cm-1
－C＝C－, 10
1685
－C≡C－ , 15
2062
如果化学键相同，原子质量决定频率。 如：C－H， 2920
C－C， 1190 对于双原子分子（谐振子）的振动能量：要用量子力学 来处理
红外吸收的产生是由于分子电场和红外光电场的相互耦合 作用！
重点讨论 分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件： （1）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。 （2）只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红 外辐射（辐射与物质间有相互偶合作用）。 A、对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红 外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 B、非对称分子：有偶极矩，红外活性。
红外吸收光谱的基本原理
红外吸收光谱的基本原理
红外吸收光谱，听起来挺高端的吧？其实就是一种用来分析物质的方法。
你可以把它想象成是化学界的“侦探技术”，通过观察不同物质在红外光下的反应，来推断它们的结构。
咱们知道，所有的物质都是由分子组成的，而这些分子会根据它们的结构和化学键的类型而有不同的振动方式。
当我们用红外光照射这些分子时，分子就好像在“跳舞”一样，根据它们的振动方式会吸收特定波长的红外光。
然后，这些吸收的光会被一个仪器记录下来，形成一个“红外吸收光谱图”。
通过分析这个图，化学家们就可以像看指纹一样，确定物质的结构了。
就好比人的指纹是独一无二的一样，每种物质的红外吸收光谱也是独特的。
举个例子，有一次实验室里的小明拿着一个被盖上玻璃罩子的小盒子对我说：“老铁，你看这里，这个是某种药物，我现在就用红外光谱仪来分析一下它。
”然后他就把这个小盒子放到了仪器里面。
接着，仪器发出了一束红外光，照射在小盒子里的药物上。
我看着屏幕上那个起伏不平的波峰图，小明一边盯着屏幕一边说：“哦，这个药物里有一个酮基，还有一个羧基，结构应该是这样的！”听他解释的时候，我感觉就好像在看一场科学版的“破案现场”，真是有趣极了！
所以，红外吸收光谱虽然听起来挺高级的，但原理其实就是比较简单的，就是利用不同化学物质吸收红外光的特性来进行分析。
就像化学界的“侦探技术”一样，让我们能够更深入地了解物质的内部结构，是不是挺神奇呢？。
红外吸收光谱
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当一定频率的红外光照射物质时，如果分子中某一基团的振动频率正好与其相同，物质就能吸收这一频率的红外光从低能跃迁到较高的能级，产生红外光吸收光谱，即V光＝V分。
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第三节
第四节
红外光谱仪器
红外光谱定性分析
infrared absorption spectrophotometer qualitative analysis of Infrared spectra
07:28:39
一、概述 introduction 二、红外吸收光谱产生的 条件 第一节 condition of Infrared 红外光谱分析基本原理 absorption spectroscopy 三、分子中基团的基本振 动形式 principle of Infrared basic vibration of the group spectroscopy in molecular 四、红外光谱谱图特征 characteristics of infrared absorption spectra
3000 cm-1 以下
—CH2—
—C—H
2930 cm-1 反对称伸缩振动
2850 cm-1 2890 cm-1 对称伸缩振动 弱吸收
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ）
苯环上的C—H 3030 cm-1
=C—H
C—H
3010 2260 cm-1
3300 cm-1
3000 cm-1 以上
07:28:39
（3）峰数 红外吸收的峰数与分子正则振动的数目[3n-5(6)]
有关，同时考虑偶极距变化和振动简并及倍频的影响。
例2 CO2分子（有一种振动无红外活性）
(动画)
基频与倍频：由基态跃迁到第一激发态，产生一个强 的吸收峰，基频峰。由基态直接跃迁到第二激发态，产生 一个强度很弱的吸收峰，倍频峰。
07:28:39
一、概述
introduction
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱 近红外区－中红外区－远红外区
07:28:39
07:28:39
红外光谱图
纵坐标为吸收系数，或透过率。 横坐标为波长λ（ m ）或波数1/λ ，单位：cm-1 谱图特征：峰数，峰位，峰形，峰强。
07:28:39
例１ 水分子 （非对称分子）
(动画)
07:28:39
（2）峰强 取决于该正则振动的偶极距的变化大小、相应 能级跃迁的几率和试样的浓度——定量分析基础。
吸收峰强度 偶极矩的平方 偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 符号：s(强)；m(中)；w(弱)；vs；vw 红外吸收峰强度比紫外吸收峰小2～3个数量级。
07:28:39
二、红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
满足两个条件： (1)辐射具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量（共振）； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。 对称分子：没有偶极矩，辐 射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩，红 外活性。 偶极子在交变电场中的作用示 意图——
今日授课内容
第十章 红外吸收光谱分析法
07:28:39
上周学习内容回顾 第八章 紫外－可见吸收光谱分析法
第九章
分子荧光与磷光光谱分析法
第十章 红外吸收光谱分析法
07:28:39
07:28:39
内转换 S2
振动弛豫 内转换 系间跨越
S1
能 量 吸 收
T1 T2 发 射 荧 光
外转换 发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
07:28:39
l2
l 2
l3
07:28:39
07:28:39
第十章 红外吸收光谱分析法
第一节 第二节 红外吸收光谱的基本基本原理 红外光谱与分子结构
basic principle of Infrared absorption spectroscopy
infrared spectroscopy and molecular structure
07:28:39
酸酐的C=O
双吸收峰：1820～1750 cm-1 ，两个羰基振动偶合裂分； 线性酸酐：两吸收峰高度接近，高波数峰稍强； 环形结构：低波数峰强。
羧酸的C=O
1820～1750 cm-1 ，
氢键，二分子缔合体。
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4. X—Y，X—H 变形振动区 < 1650 cm-1
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2． 叁键（C C）伸缩振动区
（2500 1900 cm-1 ）
在该区域出现的峰较少； （1）RC CH （2100 2140 cm-1 ） RC CR’ （2190 2260 cm-1 ） R=R’ 时，无红外活性 （2）RC N （2100 2140 cm-1 ） 非共轭 2240 2260 cm-1
一、红外光谱的基团频率 group frequency in IR 二、分子结构与吸收峰 molecular structure and absorption peaks 三、影响峰位移的因素 factors influenced peak shift
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一、红外吸收光谱的基团频率
group frequency in IR
07:28:39
不对称 υ as(CH3) 2960㎝-1
不对称δ
as(CH3)1460㎝
-1
四、红外吸收光谱谱图特征
intensity of Infrared absorption bend
峰位、峰强与峰数
（1）峰位 化合物分子（或基团）的化学键力常数K越大， 原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高 波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区。
含 氢 化 学 键
伸 缩 振 动 变 形 振 动
活 泼 氢 不 饱 和 氢 饱 和 氢 三 键 双 键
Ｏ－Ｈ Ｎ－Ｈ Ｐ－Ｈ Ｓ－Ｈ Ｃ－Ｈ Ａr－Ｈ ＝Ｃ－Ｈ －ＣＨ３ ＣＨ２ －ＣＨ Ｃ Ｃ Ｃ Ｎ Ｒ２Ｃ＝Ｏ ＲＨＣ＝Ｏ Ｃ＝Ｃ Ｃ－Ｏ Ｃ－Ｎ Ｃ－Ｃ Ｃ－Ｃ－Ｃ Ｃ－Ｎ－Ｏ Ｈ－Ｃ＝Ｃ－Ｈ Ｒ－Ａr－Ｈ Ｈ－Ｃ－Ｈ
（1）—O—H 3650 3200 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 3100 cm-1
07:28:39
（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
指纹区(1350 650 cm-1 ) ,较复杂。
C-H，N-H的变形振动；
C-O，C-X的伸缩振动； C-C骨架振动等。 可用于进行精细结构的区分与顺、反结构区分。
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基团吸收带数据
伸 缩 振 动
基团吸收 带数据
特 征 吸 收 带 （ 伸 缩 振 动 ） 指 纹 吸 收 带
—CH2—CO—NH—
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1680 cm-1
酰胺
红外光谱信息区
常见的有机化合物基团频率出现的范围：4000 670 cm-1 依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000 2500 cm-1 X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S） (2)2500 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区
1
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
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三、分子中基团的基本振动形式
basic vibration of the group in molecular
两类基本振动形式：
（1）伸缩振动
（2）变形振动
亚甲基
(动画)
07:28:39
甲基的振动形式
伸缩振动 甲基： 对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1 变形振动 甲基 对称δ s(CH3)1380㎝-1
共轭 2220 2230 cm-1 仅含C、H、N时：峰较强、尖锐； 有O原子存在时；O越靠近C N，峰越弱。
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3． 双键伸缩振动区（ 1900 1200 cm-1 ）
（1） RC=CR’ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R’（对称）时，无红外活性。 （2）单核芳烃 的C=C键伸缩振动（1626 1650 cm-1 ）
(3)1900 1200 cm-1 双键伸缩振动区 (4)1200 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区
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二、分子结构与吸收峰
molecular structure and absorption peaks
1． X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ）
O-H（氢键） S-H P-H CN
N-O N-N C-F C=N
N-H
C-H，N-H，O-H 3500
07:28:39
07:28:39
苯衍生物的C=C
苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内 变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。
2000 1600
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（3）C=O （1850 1600 cm-1 ） 碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。
饱和醛(酮)1740-1720 cm-1 ；强、尖；不饱和向低波移动。
３６３０ ３３５０ ２４００ ２５７０ ３３３０ ３０６０ ３０２０ ２９６０，２８７０ ２９２６，２８５３ ２８９０ ２０５０ ２２４０ １７１５ １７２５ １６５０ １１００ １０００ ９００ ＜５００ ５００ ９６０（反） ６５０－９００ １４５０
07:28:39常见基团的红 Nhomakorabea吸收带=C-H O-H C-H CC C=C C=O C-C，C-N，C-O C-X
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