第六章 红外吸收光谱分析
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红外吸收光谱分析
基团频率区旳划分
分区根据：因为有机物数目庞大，而构成有
机物旳基团有限；基团旳振动频率取决于K 和
m，同种基团旳频率相近。
划分措施
氢键区 ❖基团特征频率区 叁键区和累积双键区
双键区
❖指纹区
单键区
区域名称 频率范围
基团及振动形式
氢键区 4000～2500cm-1 O－H、C－H、N－H
等旳伸缩振动
叁键和
溶剂效应，极性基团旳伸缩振动频率随溶剂旳极性增 大而降低，但其吸收峰强度往往增强，一般是因为极 性基团和极性溶剂之间形成氢键旳缘故，形成氢键旳 能力越强吸收带旳频率就越低。如丙酮在环己烷中νC=O 为1727cm-1 ，在四氯化碳中为1720cm-1 ，在氯仿中为 1705cm-1 。
分子振动旳自由度
• 电子效应
①诱导效应 ②共轭效应
• 空间效应
①空间位阻 ②环张力
• 氢键
• 二.外部原因
• ①物态效应 • ②溶剂效应
❖电子效应
（1）诱导效应 经过静电诱导作用使分子中 电子云分布发生变化引起K旳变化，从而影 响振动频率。 如 C＝O
吸电子诱导效应使羰基双键性增长，振动频 率增大。
（2）共轭效应 共轭效应使共轭体系中
Varian 680-IR
• 日本岛津： • 傅立叶变换红外光谱仪 IRAffinity-1 • 高信噪比：30,000:1 以上；配置自动除湿装
置，易于维护；外形小巧，占地面积小；标配 杂质分析程序；多种附件能够选择。 • 傅立叶变换红外光谱仪 IRPrestige-21 • 研究级傅立叶红外光谱仪。 • 岛津红外显微镜系统 AIM-8800 • 具有AIM VIEW先进控制系统；具有高敏捷度 旳不需维护旳MCT检测器；多种附件使应用范 围进一步扩展。
第六章红外吸收光谱分析
60
C≡C
伸缩振动
末50端炔≡C-H 4伸0 缩振动
2100cm-1
330300cm-1
20 10
-CH2面外变形 -CH3
振动 面外变形 1470cm-1 振动
1370cm-1
0 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800
饱和与不饱和 CH伸缩振动 cm-1
20
（三）红外光谱的吸收强度
分子振动时偶极矩的变化，不仅决定分子能否吸收红外 线光，而且还关系到吸收峰的强度。根据量子理论，红外光 谱的强度与分子振动时偶极矩变化的平方成正比。红外光谱 的吸收强度通常定性地用vs（很强），s（强），m（中 等），w（弱），vw（极弱）等来表示。
21
6-3 基团频率与分子结构的关系
第六章 红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectrometry, IR
6-1 红外吸收光谱分析概述
当红外光照射时，物质 的分子将吸收红外辐射，引 起分子的振动和转动能级间 的跃迁所产生的分子吸收光 谱，称为红外吸收光谱或振 动-转动光谱。
1
两方面 的应用
分子结构基础 研究
辛炔-1
CH2 n
n≥4 720cm-1
400 34
(四) 芳烃（苯及其衍生物）
ν1. -H 3010cm-1
2. ν
3. δ
～1600cm-1 ～1500cm-1
-H
～1580cm-1 ～1450cm-1
35
36
甲苯的红外光谱
770 — 730cm –1 710 — 690cm –1为一取代苯 37
化学组成分析
测定分子的键长、键角， 以此推断分子的立体构 型
材料研究方法 6 光谱分析
－吸收光谱的特征
(1）比较吸收光谱法 根据化合物吸收光谱的形状、吸收峰的数目、强度、位臵进行定性分 析 （2）计算max的经验规律
2）、定量分析
应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区，大约可测定50多种元素 有机化合物，主要在紫外区 单组分物质的定量分析
测定条件： 选择合适的分析波长（λmax）
3）、 → * 跃迁
→ * 能量差较小 所需能量较低 吸收峰紫外区 ( 200nm左右)
不饱和基团（—C＝C—，—C ＝ O ）或体系共轭，E更小，λ更 大
4）、n → * 跃迁
含有杂原子的不饱和基团，如 -C=O，-CN 等的化合物， 在杂原子上有未成键的 n 电子，能级较高。激发 n 电子跃迁 到* ，即n → * 跃迁所需能量较小，λ 200~700nm（近紫 外区）
→ *
>
n→*
→*
> n→ *
200nm以下
150～250nm
200nm
200～700nm
2.紫外光谱中常用的光谱术语
1）、发色团和助色团
（1）生色团（发色团）：具有 轨道的不饱和官能团称为发色团 有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团 具n 电子和π电子的基团 产生n→ π*跃迁和π→ π*跃迁 跃迁E较低
A 试样状态
B 溶剂极性
C. 诱导效应
羰基的伸缩振动频率
1715cm-1
<
1780cm-1
<
1827cm-1
<
1876cm-1
<
1942cm-1
吸电子基团通过诱导效应，将使基团振动向高频转移。
D. 共轭效应
碳碳双键的伸缩振动频率
第六章 红外吸收光谱
不是所有的振动都能引起红外吸收，只有偶极矩(μ)发生变化才能有红外吸收。
二、分子振动方程式
h E h 2 k
k 1307 M
M 1M 2 M M1 M 2
沿轴振动，只改变键长，不改变键角 1 1 k
2c
K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 影响振动频率的因素：键两端原子的折合质量、键的力常数，即取 决于分子的结构特征。
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
2、四分区（4000 670 cm-1）
(1)40002500 cm-1X—H伸缩振动区（X：O，N，C，S） (2)25001900 cm-1三键，累积双键伸缩振动区 (3)19001200 cm-1双键伸缩振动区 (4)1200670 cm-1X—Y伸缩，X—H变形振动区
醚：C－O－C伸缩振动位于 1250～1050 cm-1 ，确定醚类存在的唯一谱带
常见基团的红外吸收带
=C-H O-H
CC
C-H
C=C
C=O C-C，C-N，C-O C-X
O-H（氢键）
S-H
N-H
P-H CN
N-O N-N C-F C=N
C-H，N-H，O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000
§6.2 红外光谱分析基本原理
一、红外吸收光谱产生的条件
1、辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量 振= 红外光 2、分子要有偶极距
红外吸收是由于分子振动引起的偶极距和红外光束的振动相互作用产生的
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。
二、分子振动方程式
h E h 2 k
k 1307 M
M 1M 2 M M1 M 2
沿轴振动，只改变键长，不改变键角 1 1 k
2c
K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 影响振动频率的因素：键两端原子的折合质量、键的力常数，即取 决于分子的结构特征。
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
2、四分区（4000 670 cm-1）
(1)40002500 cm-1X—H伸缩振动区（X：O，N，C，S） (2)25001900 cm-1三键，累积双键伸缩振动区 (3)19001200 cm-1双键伸缩振动区 (4)1200670 cm-1X—Y伸缩，X—H变形振动区
醚：C－O－C伸缩振动位于 1250～1050 cm-1 ，确定醚类存在的唯一谱带
常见基团的红外吸收带
=C-H O-H
CC
C-H
C=C
C=O C-C，C-N，C-O C-X
O-H（氢键）
S-H
N-H
P-H CN
N-O N-N C-F C=N
C-H，N-H，O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000
§6.2 红外光谱分析基本原理
一、红外吸收光谱产生的条件
1、辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量 振= 红外光 2、分子要有偶极距
红外吸收是由于分子振动引起的偶极距和红外光束的振动相互作用产生的
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。
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。
红外吸收光谱分析
吸收，称为非红外活性的(infrared inactive)。例如CO2分子的
对称伸缩振动就是非红外活性的，外界辐射不能使它的振动加剧。
烟草化学 Tobacco Chemistry
Zhengzhou University of Light Industry
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6.2.2 分子的振动形式 分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅（与原子核
的距离相比）做周期性的振动，可近似地看作简谐振动。因此，
双原子分子的振动是最简单的，它的振动只能发生在联结在两个 原子的直线方向上，并且只有一种振动形式，即两原子的相对伸
缩振动。多原子分子由于组成原子数目增多，组成分子的键或基
原子电负性不同而表现出不同的极性，称为偶极子。分子极
性的大小常用偶极矩μ大小来衡量。设正负电中心的电荷分 别为+q和-q，正负电荷中心距离为d（如图6-2），则
μ = q· d
（式6-2）
d H +q Cl -q
图6-2 HCl的偶极矩
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1. 近红外区： 该光区产生的吸收带主要是由低能电子跃迁，含氢基团 （如C—H、O—H、N—H、S—H等）伸缩振动的倍频及组合 频吸收产生。最重要的用途是对某些物质进行定量分析。基于 O—H伸缩振动的第一泛音吸收带出现在7100cm-1，可以测定各 种样品如农产品、食品及药品等中的水分含量，可以定量测定 酚、醇、有机酸等。它的测量准确度及精密度与紫外、可见吸 收光谱相当。
因此它是研究和应用最多的光谱区，通常的红外光谱即是指中
红外区的光谱。
对称伸缩振动就是非红外活性的，外界辐射不能使它的振动加剧。
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6.2.2 分子的振动形式 分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅（与原子核
的距离相比）做周期性的振动，可近似地看作简谐振动。因此，
双原子分子的振动是最简单的，它的振动只能发生在联结在两个 原子的直线方向上，并且只有一种振动形式，即两原子的相对伸
缩振动。多原子分子由于组成原子数目增多，组成分子的键或基
原子电负性不同而表现出不同的极性，称为偶极子。分子极
性的大小常用偶极矩μ大小来衡量。设正负电中心的电荷分 别为+q和-q，正负电荷中心距离为d（如图6-2），则
μ = q· d
（式6-2）
d H +q Cl -q
图6-2 HCl的偶极矩
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1. 近红外区： 该光区产生的吸收带主要是由低能电子跃迁，含氢基团 （如C—H、O—H、N—H、S—H等）伸缩振动的倍频及组合 频吸收产生。最重要的用途是对某些物质进行定量分析。基于 O—H伸缩振动的第一泛音吸收带出现在7100cm-1，可以测定各 种样品如农产品、食品及药品等中的水分含量，可以定量测定 酚、醇、有机酸等。它的测量准确度及精密度与紫外、可见吸 收光谱相当。
因此它是研究和应用最多的光谱区，通常的红外光谱即是指中
红外区的光谱。
第六章 红外吸收光谱分析法
傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
迈克尔干涉仪工作原理图
4. 色散型红外光谱仪主要部件
(1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成 的中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm； 室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年；
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
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
（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；
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 3000 2500 2000 1500 1000 指纹区 500
特征区
三、影响峰位变化的因素
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。
—NH伸缩振动：
3500 3100 cm-1
（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
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 ）
化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量 越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
红外吸收光谱分析通用课件
光转换为电信号。
光源和样品室
提供样品所需的红外光，并保 持样品在分析过程中的稳定性 。
检测系统
用于检测电信号并转换为光谱 数据。
控制和数据处理系统
控制仪器操作，处理和显示光 谱数据。
红外吸收光谱仪器的使用与维护
仪器操作
按照操作手册正确设置和使用仪 器，确保安全性和准确性。
样品准备
根据分析需求准备样品，注意样品 的纯度和浓度。
根据样品类型选择适当的 制样方法，并按照操作步 骤进行样品制备。
将制备好的样品放入光谱 仪的样品仓中，设置合适 的扫描参数，如扫描范围 、分辨率等。
对光谱数据进行处理和分 析，提取所需的信息。
开始扫描，记录红外光谱 数据。
实验数据分析方法
峰位分析
峰形分析
通过分析红外光谱的峰位，确定特定官能 团或化学键的振动频率。
傅里叶变换红外光谱仪
基于傅里叶变换技术，具有高分辨率和灵敏度，广泛应用于化学 、物理和材料科学等领域。
差分移动红外光谱仪
通过差分技术消除背景干扰，适用于气体和液体的分析。
光声红外光谱仪
利用光声效应，适用于痕量气体和低浓度样品的分析。
红外吸收光谱仪器的结构与原理
干涉系统
是傅里叶变换红外光谱仪的核 心部分，通过干涉原理将红外
通过分析药物与生物大分子相互作用时的红外光 谱变化，可以研究药物的作用机制。
生物活性分子结构分析
分析
红外光谱可以用于检测药物代谢产物的结构和性 质。
06
红外吸收光谱分析在环境科学中的应 用
大气污染物的红外吸收光谱分析
总结词
大气污染物种类繁多，红外吸收光谱分析能够快速准确地检测出不同污染物的 成分和浓度。
光源和样品室
提供样品所需的红外光，并保 持样品在分析过程中的稳定性 。
检测系统
用于检测电信号并转换为光谱 数据。
控制和数据处理系统
控制仪器操作，处理和显示光 谱数据。
红外吸收光谱仪器的使用与维护
仪器操作
按照操作手册正确设置和使用仪 器，确保安全性和准确性。
样品准备
根据分析需求准备样品，注意样品 的纯度和浓度。
根据样品类型选择适当的 制样方法，并按照操作步 骤进行样品制备。
将制备好的样品放入光谱 仪的样品仓中，设置合适 的扫描参数，如扫描范围 、分辨率等。
对光谱数据进行处理和分 析，提取所需的信息。
开始扫描，记录红外光谱 数据。
实验数据分析方法
峰位分析
峰形分析
通过分析红外光谱的峰位，确定特定官能 团或化学键的振动频率。
傅里叶变换红外光谱仪
基于傅里叶变换技术，具有高分辨率和灵敏度，广泛应用于化学 、物理和材料科学等领域。
差分移动红外光谱仪
通过差分技术消除背景干扰，适用于气体和液体的分析。
光声红外光谱仪
利用光声效应，适用于痕量气体和低浓度样品的分析。
红外吸收光谱仪器的结构与原理
干涉系统
是傅里叶变换红外光谱仪的核 心部分，通过干涉原理将红外
通过分析药物与生物大分子相互作用时的红外光 谱变化，可以研究药物的作用机制。
生物活性分子结构分析
分析
红外光谱可以用于检测药物代谢产物的结构和性 质。
06
红外吸收光谱分析在环境科学中的应 用
大气污染物的红外吸收光谱分析
总结词
大气污染物种类繁多，红外吸收光谱分析能够快速准确地检测出不同污染物的 成分和浓度。
第六章 红外光谱法
一般特征峰都是基频吸收。
2. 倍频（又称泛频）
= 0 → = 2或 = 3，„，所产生的吸收峰。振动
的非谐性，则能级间隔非等距，故倍频不是基频波数的 整数倍，而是略小些 。
红外吸收频率类型
3. 合频
两个(或更多)不同频率(如ν1+ν2，2 ν1+ ν2)之和，这是
由于吸收光子同时激发两种频率的振动。
4. 差频
ν2- ν1，处于一个激发态的分子在吸收足够的外加辐
射而跃迁到另一激发态。 合频和差频统称为组合频。
二、红外光谱信息区
与一定结构单元相联系的、固定在一定范围内出现的 化学键振动频率称为基团特征频率（或特征吸收峰）；
例： 2800 3000 cm-1 —CH3 特征峰；
1600 1850 cm-1 —C=O 特征峰； 基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化： —CH2—CO—CH2— —CH2—CO—O— 1715 cm-1 1735 cm-1 酮 酯
(动画)
（2）峰数
峰的数目与分子自由度（指分子独立的振动数目或基 本的振动数目：一般是3N-6个，线性分子是3N-5 个）有 关。无瞬间偶极矩变化时，无红外吸收。 例2 CO2分子
四种振动类型，两 个吸收峰。
（对称振动无红外 活性，两变形振动 吸收峰简并）
(动画)
注意：⑴ 振动自由度反映吸收峰数量； ⑵ 并非每个振 动都产生基频峰；⑶ 吸收峰数常少于振动自由度数。 吸收峰数少于振动自由度的原因： ①发生了简并---即振动频率相同的峰重叠 ； ②红外非活性振动； ③仪器分辨率不高，对一些频率很近的吸收峰分不 开； ④波长超过了仪器的可测范围（一般4000～400 cm －1）。
二、红外光谱与有机化合物结构
2. 倍频（又称泛频）
= 0 → = 2或 = 3，„，所产生的吸收峰。振动
的非谐性，则能级间隔非等距，故倍频不是基频波数的 整数倍，而是略小些 。
红外吸收频率类型
3. 合频
两个(或更多)不同频率(如ν1+ν2，2 ν1+ ν2)之和，这是
由于吸收光子同时激发两种频率的振动。
4. 差频
ν2- ν1，处于一个激发态的分子在吸收足够的外加辐
射而跃迁到另一激发态。 合频和差频统称为组合频。
二、红外光谱信息区
与一定结构单元相联系的、固定在一定范围内出现的 化学键振动频率称为基团特征频率（或特征吸收峰）；
例： 2800 3000 cm-1 —CH3 特征峰；
1600 1850 cm-1 —C=O 特征峰； 基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化： —CH2—CO—CH2— —CH2—CO—O— 1715 cm-1 1735 cm-1 酮 酯
(动画)
（2）峰数
峰的数目与分子自由度（指分子独立的振动数目或基 本的振动数目：一般是3N-6个，线性分子是3N-5 个）有 关。无瞬间偶极矩变化时，无红外吸收。 例2 CO2分子
四种振动类型，两 个吸收峰。
（对称振动无红外 活性，两变形振动 吸收峰简并）
(动画)
注意：⑴ 振动自由度反映吸收峰数量； ⑵ 并非每个振 动都产生基频峰；⑶ 吸收峰数常少于振动自由度数。 吸收峰数少于振动自由度的原因： ①发生了简并---即振动频率相同的峰重叠 ； ②红外非活性振动； ③仪器分辨率不高，对一些频率很近的吸收峰分不 开； ④波长超过了仪器的可测范围（一般4000～400 cm －1）。
二、红外光谱与有机化合物结构
红外吸收光谱法-光谱分析
V：振动量子数，可取0，1，2，…… X：非谐振系数，表示非谐性大小。
二、分子的振动形式
（一）振动的基本类型 对称伸缩振动vs 伸缩振动 反对称伸缩振动vas 剪式振动δ 面内变形 变形振动 (弯曲振动) 面外变形 面外摇摆ω 伸缩振动——键长改变，出现在高频区 变形振动——键角改变，出现在低频区 面内摇摆ρ 扭曲变形τ
二、常见化合物的特征吸收峰 • • • • • • 烷烃类 烯烃类 炔烃类 芳香类 羰基化合物 羟基化合物
三、影响基团频率位移的因素
• 分子中化学键不是孤立的，受分子中相邻 基团的影响。 • 同一基团在不同的分子结构中受不同基团 的影响，其基团频率会有所改变，了解影 响基团频率的因素，对解析红外光谱和推 断分子结构非常有用。 • 影响基团频率的因素有内部结构和外部环 境的影响。
O-H,N-H及C-H键 0.78~2.5 12820~4000 的倍频吸收 2.5~25 4000~400 分子的基团振动、 分子转动 分子转动、 晶格振动
25~300
400~33
§6~2 红外吸收基本原理
红外光谱的产生
由分子振动能级跃迁产生。
定性分析—— 吸收峰的位置和形状 定量分析—— 吸收峰的强弱
1
2.非谐振子
• 双原子分子并非理想的谐振子，V较小时振动情况与谐振子 较为接近。 • V=0 → V=1 产生的吸收谱带称为基频峰，最强。 V=0 → V=2，3产生的吸收谱带倍频峰，弱的多。 倍频峰的频率并不是基频峰频率的整数倍，而是略小一 些。非谐振子的振动能量可用下式表示：
1 1 2 E v (V )h (V ) Xh 2 2
一、分子的振动方程式及振动能级
（一）分子的振动方程式
m1 m2
二、分子的振动形式
（一）振动的基本类型 对称伸缩振动vs 伸缩振动 反对称伸缩振动vas 剪式振动δ 面内变形 变形振动 (弯曲振动) 面外变形 面外摇摆ω 伸缩振动——键长改变，出现在高频区 变形振动——键角改变，出现在低频区 面内摇摆ρ 扭曲变形τ
二、常见化合物的特征吸收峰 • • • • • • 烷烃类 烯烃类 炔烃类 芳香类 羰基化合物 羟基化合物
三、影响基团频率位移的因素
• 分子中化学键不是孤立的，受分子中相邻 基团的影响。 • 同一基团在不同的分子结构中受不同基团 的影响，其基团频率会有所改变，了解影 响基团频率的因素，对解析红外光谱和推 断分子结构非常有用。 • 影响基团频率的因素有内部结构和外部环 境的影响。
O-H,N-H及C-H键 0.78~2.5 12820~4000 的倍频吸收 2.5~25 4000~400 分子的基团振动、 分子转动 分子转动、 晶格振动
25~300
400~33
§6~2 红外吸收基本原理
红外光谱的产生
由分子振动能级跃迁产生。
定性分析—— 吸收峰的位置和形状 定量分析—— 吸收峰的强弱
1
2.非谐振子
• 双原子分子并非理想的谐振子，V较小时振动情况与谐振子 较为接近。 • V=0 → V=1 产生的吸收谱带称为基频峰，最强。 V=0 → V=2，3产生的吸收谱带倍频峰，弱的多。 倍频峰的频率并不是基频峰频率的整数倍，而是略小一 些。非谐振子的振动能量可用下式表示：
1 1 2 E v (V )h (V ) Xh 2 2
一、分子的振动方程式及振动能级
（一）分子的振动方程式
m1 m2
红外吸收光谱分析
红外吸收光谱分析红外吸收光谱是一种非破坏性测试方法，可以直接测定在不同波长下，不同物质对入射光的吸收情况，从而获得样品的红外吸收光谱图。
这个光谱图展示了不同波长下物质的吸收峰，这些峰对应于样品中不同的官能团或化学键。
通过对红外光谱的解析和比对，可以确定不同官能团的存在和相对浓度。
红外光谱相对于其他光谱分析方法的优点之一是它的灵敏度和准确性。
由于不同官能团具有不同的振动频率和吸收峰位置，红外光谱对分子结构和化学键的识别能力非常强。
通过准确地测定吸收强度和峰形，可以用于定量分析和质量控制。
红外光谱的应用非常广泛。
在有机化学中，红外光谱可以用于鉴定化合物的结构和官能团，包括醛、酮、羧酸、醚、醇、胺等。
同时，红外光谱还可以用于研究溶剂效应、反应动力学和热力学等方面的研究。
除了有机化合物，红外光谱还可以用于无机化学和材料科学领域。
可以通过红外光谱来研究晶体结构、晶格震动、晶格缺陷等。
此外，红外光谱还可以用于表征薄膜的厚度和碳纳米管等纳米材料的结构。
在红外光谱分析中，需要红外光源、样品和检测器。
常用的红外光源包括热辐射、光纤和拉曼激光等。
样品可以是固体、液体或气体。
吸收光谱仪是一种特殊的光谱仪，可以通过测量入射和传出光的差异来获得样品的吸收光谱。
常见的红外吸收光谱仪有傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和分散式红外光谱仪（DI-IR）。
在进行红外光谱分析时，需要注意一些实验技巧和仪器参数。
例如，在FTIR仪器中，需要校准仪器的基线、测量样品的透射率和应用波数范围。
而对于DI-IR仪器，需要注意调整样品的几何位置和光路的聚焦调整。
总而言之，红外吸收光谱分析是一种非常有用和常见的分析手段。
它可以用于鉴定化学物质、研究分子结构和官能团，同时在有机化学、无机化学和材料科学等领域发挥着重要的作用。
在实际应用中，我们需要合理选择光谱仪器，并且熟练掌握实验技巧和仪器操作，以获得准确和可靠的红外吸收光谱数据。
红外吸收光谱分析(共27张PPT)
这里弹簧的k值就的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置做相 对运动，从而产生振动！原子与原子之间的相对运动无非有 两种情况，即：键长发生变化（伸缩振动），键角发生变化 （弯曲振动）
对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动
对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基－CH2为例
苯，3N－6＝30种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰！ 说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远 小于其振动自由度（理论计算值）。
原因:(1)相同频率的峰重叠（2）频率接近或峰弱，仪器检测
不出（3）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（4）并不是
（2）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强
②液体试样：溶液法和液膜法。溶液法是将液体试样溶在适当的红 外溶剂中（CS2，CCl4，CHCl3等）然后注入固定池中进行测定。液 膜法是在可拆池两窗之间，滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜。
③固体试样：压片法、糊状法和薄膜法。压片法通常按照固体样品和 KBr为1：100研磨，用高压机压成透明片后再进行测定。糊状法就是把 试样研细滴入几滴悬浮剂（石蜡油），继续研磨成糊状然后进行测定 。薄膜法主要用于高分子化合物的测定，通常将试样溶解在沸点低易 挥发的溶剂中，然后倒在玻璃板上，待溶剂挥发成膜后再用红外灯加 热干燥进一步除去残留的溶剂，制成的膜直接插入光路进行测定。
（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
（5）特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。 （6）相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系 的特征峰
红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域
（1）基频区(4000～1350cm-1)又称为特征区或官能团区，其
对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动
对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基－CH2为例
苯，3N－6＝30种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰！ 说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远 小于其振动自由度（理论计算值）。
原因:(1)相同频率的峰重叠（2）频率接近或峰弱，仪器检测
不出（3）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（4）并不是
（2）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强
②液体试样：溶液法和液膜法。溶液法是将液体试样溶在适当的红 外溶剂中（CS2，CCl4，CHCl3等）然后注入固定池中进行测定。液 膜法是在可拆池两窗之间，滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜。
③固体试样：压片法、糊状法和薄膜法。压片法通常按照固体样品和 KBr为1：100研磨，用高压机压成透明片后再进行测定。糊状法就是把 试样研细滴入几滴悬浮剂（石蜡油），继续研磨成糊状然后进行测定 。薄膜法主要用于高分子化合物的测定，通常将试样溶解在沸点低易 挥发的溶剂中，然后倒在玻璃板上，待溶剂挥发成膜后再用红外灯加 热干燥进一步除去残留的溶剂，制成的膜直接插入光路进行测定。
（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
（5）特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。 （6）相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系 的特征峰
红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域
（1）基频区(4000～1350cm-1)又称为特征区或官能团区，其
第六章 红外吸收光谱法
m1m 2
(m1 m 2 )
分子振动的能量与振动频率之间的关系 E=（ +1/2）h=（ +1/2）hc 为振动量子数=0, 1, 2, 3
E振 h 2 k 1 （ ） 2
=0 → =1跃迁, 基态 → 第一激发态 即△ =1 振动能级跃迁的能量差为:
振动自由度= 3N-平动自由度-转动自由度
= 3N-6
= 3N-5
非线性分子
线性分子（所有分子在一条直线上）
如：H2O振动自由度 3×3 – 6 = 3三种基本振动形式
实际上红外谱图上峰的数目比理论值少得多
影响吸收峰数目的因素 (1)没有偶极矩变化的振动不产生红外吸收； (2)吸收频率相同，简并为一个吸收峰； (3)有时频率十分接近，仪器分辨不出，表现为一个吸收峰 (4)有些吸收程 度太弱，仪器检测不出
一、官能团区和指纹区
红外吸收光谱为了便于解析划分为两个区：
4000~1300cm-1 区域：是由伸缩振动产生的吸收
带，为化学键和基团的特征吸收峰，吸收峰较
稀疏，鉴定基团存在的主要区域——官能团区
1300~600cm-1 区域：吸收光谱较复杂，除单键
的伸缩振动外，还有变形振动。能反映分子结
构的细微变化——指纹区
§6-3 基团频率和特征吸收峰
基团的特征吸收峰——基团频率
• 组成分子的基团如：O-H、C=C、C=O等都有自 己特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收 位置影响较小。
• 通常把能代表某基团存在，并有较高强度的吸收 峰，称为特征吸收峰，所在的频率位置称为基团频 率。 • 基团频率——主要是一些伸缩振动引起的，用于 鉴定某官能团是否存在。基团不同，基团频率不同。
第六章红外吸收光谱
O C CH3
O
C CH3 CH3
H3C CH3
O C CH3 CH3
C=O /cm-1
1663
1668
1693
空间位阻使分子间不易形成氢键。下例中羟基伸缩振动随 着空间位阻变大向高波数位移。
OH CH3 CH3 OH CH3 C CH3 OH CH3 C CH3 CH3 C CH3 H3 C C CH3 CH3 CH3 H3C C CH3 CH3
有机化合物分子中常见基团吸收峰
1． X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） （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。
（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 3000 cm-1 以下 对称伸缩振动 弱吸收
O
O C CH3 1685 O CH CH C CH2 1665～1685
O C CH3
O C
C=O /cm
H3C C CH3 1715 O
-1
1680
1665
O CH CH C CH CH 1660～ 1670
C=O /cm
CH2 C CH2 1705～ 1725
-1
(3) 中介效应（M效应）
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 (3) 1900 1200 cm-1 ,双键伸缩振动区； (4) 1200 670 cm-1 X—Y型分子的伸缩振动区， X—H型分子的变形振动区；
O
C CH3 CH3
H3C CH3
O C CH3 CH3
C=O /cm-1
1663
1668
1693
空间位阻使分子间不易形成氢键。下例中羟基伸缩振动随 着空间位阻变大向高波数位移。
OH CH3 CH3 OH CH3 C CH3 OH CH3 C CH3 CH3 C CH3 H3 C C CH3 CH3 CH3 H3C C CH3 CH3
有机化合物分子中常见基团吸收峰
1． X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） （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。
（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 3000 cm-1 以下 对称伸缩振动 弱吸收
O
O C CH3 1685 O CH CH C CH2 1665～1685
O C CH3
O C
C=O /cm
H3C C CH3 1715 O
-1
1680
1665
O CH CH C CH CH 1660～ 1670
C=O /cm
CH2 C CH2 1705～ 1725
-1
(3) 中介效应（M效应）
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 (3) 1900 1200 cm-1 ,双键伸缩振动区； (4) 1200 670 cm-1 X—Y型分子的伸缩振动区， X—H型分子的变形振动区；
第六章 红外吸收光谱分析
同一类型的化学键的振动频率是非常接近的， 总是出现在某一范围内。这种与一定的结构单元 相联系的振动频率称为基团频率。但它们又有差 别，因为同一类型的基团在不同的物质中所处的 环境各不相同，而这种差别又能反映出结构上的 特点。
22
一、基团频率区与指纹区
1.基团频率区（ 4000～1300cm-1） 某些化学基团的吸收频率总是出现在一
3
应用最广泛为中红外光谱。
4
红外区的光谱除了用波长表征外，更常用波数（wave number ) 表征。波数是波长的倒数，表示每厘米长光波 总波的数目。若波长以m为单位，波数的单位为cm-1，则 波长与波数的关系为：
/ cm1 1 10 4 / cm / m
所有的标准红外线光谱图中都标有波数和波长两种刻度。
1680-1620
δ 3. =C -H （面外）
990和910两个峰
890
970
29
1—辛烯的红外光谱图
4
1
2
3
1. =CH的伸缩振动 3. -C =CH的面外弯曲
2. C =C的伸缩振动 4. 915cm-1的倍频峰
HH 碳氢键的面外弯曲1000cm-1、915cm-1证明是末端烯烃 30
顺,反-2-辛烯的红外光谱
（七）酮和醛
醛类在2830和 2720 两个吸收带
利用它们可将醛类与其它羰基化 合物区别开来，但前者易与亚甲 基的C－H伸缩振动带重叠。
C＝O伸缩振动1700
吸收强度大
45
46
（八）酸
O－H伸缩振动3000 强而宽
C－O伸缩振 动1250附近
C＝O伸缩振动 1700附近
O－H弯曲振 动1440-1395
22
一、基团频率区与指纹区
1.基团频率区（ 4000～1300cm-1） 某些化学基团的吸收频率总是出现在一
3
应用最广泛为中红外光谱。
4
红外区的光谱除了用波长表征外，更常用波数（wave number ) 表征。波数是波长的倒数，表示每厘米长光波 总波的数目。若波长以m为单位，波数的单位为cm-1，则 波长与波数的关系为：
/ cm1 1 10 4 / cm / m
所有的标准红外线光谱图中都标有波数和波长两种刻度。
1680-1620
δ 3. =C -H （面外）
990和910两个峰
890
970
29
1—辛烯的红外光谱图
4
1
2
3
1. =CH的伸缩振动 3. -C =CH的面外弯曲
2. C =C的伸缩振动 4. 915cm-1的倍频峰
HH 碳氢键的面外弯曲1000cm-1、915cm-1证明是末端烯烃 30
顺,反-2-辛烯的红外光谱
（七）酮和醛
醛类在2830和 2720 两个吸收带
利用它们可将醛类与其它羰基化 合物区别开来，但前者易与亚甲 基的C－H伸缩振动带重叠。
C＝O伸缩振动1700
吸收强度大
45
46
（八）酸
O－H伸缩振动3000 强而宽
C－O伸缩振 动1250附近
C＝O伸缩振动 1700附近
O－H弯曲振 动1440-1395
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active) ；反之则为红外非活性（infrared inactive)。
9
二、 分子振动方程式
10
双原子分子可以看成是谐振子，根据经典力 学(胡克定律)，可导出如下公式：
1 v 2 k
k
m1 m2 m1 m2
1303 k
v
1 2 c
-1) ； k为力常 ν 为振动频率(Hz)， 用波数表示 (cm v 数，表示每单位位移的弹簧恢复力 (dyncm-1) ； μ 为折合质量(g)。
实验中观察到的C＝O伸缩振动频率都在1700cm－1附近。 值得注意的是：在弹簧和小球的体系中，其能量变化是 连续的，而真实分子的振动能量变化是量子化的。
13
三、 分子振动的形式
（一）分子的振动自由度
每个原子在空间的位置必须有三个坐标来确定，则由 N个原子组成的分子就有了3N个坐标，或称为有3N个运
动自由度。分子本身作为一个整体，有三个平动自由度
和三个转动自由度。
14
直线型分子的振动形式：3N - 5 非直线型分子的振动形式：3N -6
15
（二）分子的振动形式
a.直线型分子：3N-5
如CO2
16
b. 非线形分子： 3N – 6
如H2O
17
分子的振动形式：
•化学键两端的原子沿键轴方向作来回周期运动 对称伸缩振动
11
可见，影响基本振动频率 (即基频峰位置 )的直接原因是原 子质量和化学键力常数。
表15－1 某些化学键的力常数
化 学 键 键 长(A) k(N· cm－1)
C－C C＝C 1.54 4.5 1.34 9.6
C≡C C－H O－H N－H C＝O 1.20 15.6 1.09 5.1 0.96 7.7 1.00 6.4 1.22 12.1
2.
νC-O
1300 – 1100cm-1
41
O－H伸缩振动3300附 近，吸收带强而宽。
C－O伸缩振动1260－1000 强度大，伯醇1050 、仲醇 1100、叔醇1150 酚1200 ，且强而宽
O-H 弯 曲 振 动1350。
42
（六）醚
醚的特征吸收带就是 C—O—C伸缩振动 芳基烷基醚 饱和脂肪醚1125（强） 附近 1280 － 1220 及 1100 － 1050 若α 碳上带有侧链，在1170 两个强吸收带，前者强度 －1070 区出现双带。 更大。
100 90 80 70 60 50 ≡C-H 末端炔 伸缩振动 40 3300cm-1 30 20 10 0 4000
T%
C≡C 伸缩振动 2100cm-1 -CH2面外变形 -CH3 面外变形 振动 振动 1470cm-1 1370cm-1
3600 3200 2800 饱和与不饱和 CH伸缩振动 2400 2000 1600 1200 800
（十一）图谱的解析
（1）不饱和度的计算:
1 U 1 n4 (n3 n1 ) 2
式中 n1 、n3和n4分别为分子中一价、三价和四价原 子的数目，不饱和度为键数和环数之和。
（2） 识别基团频率区和指纹区——先简单后复杂，先基
团频率区后指纹区，先强峰后弱峰，先初查后细查，先否 定后肯定。
某些化学基团的吸收频率总是出现在一 个较窄的范围内。这类频率称为基团特征振 动频率，简称基团频率。( 位置、强度、峰形 ) 它们可用作鉴别官能团的依据。
例如，羰基总是在1870～1650cm－1间，出现强吸收峰.
23
2 .指纹区（1300～700cm-1以下）
弯曲振动区
如：可用来鉴别烯烃的取代程度、提供化合物的顺反构型
N－H伸缩 振动3400
胺类
C-N伸缩振动 脂肪胺类1230-1030m 芳香胺类1360-1250s 1280-1180m
50
（十）酰胺
N－H伸缩振动 酰胺3300左右
N－H面内弯曲振动 又称：酰胺II带 伯酰胺1600－1640 仲酰胺1600以下
C=O伸缩振 动：酰胺I带
N－H面外弯曲振动 伯酰胺875－750 51 仲酰胺750－650
利用以上原理，可以计算化学键的伸缩振动频率。 1dyn=10-5N
12
例1 求C＝O健的伸缩振动频率。 解：
1 1216 23 1 . 14 10 23 12 16 6 . 02 10
v 1 2 c 12.1105 1 1303 1727 cm 1.14 1023 k
伸缩振动
反对称伸缩振动
振动 形式
高频区
低频区
剪式振动 面内变 形振动 面内摇摆振动 面外摇摆振动
变形或弯 曲振动
化学键角发生周期性变 化的振动
面外变 形振动 扭曲变形振动
18
19
分子振动形式与红外吸收
实际观察到的红外吸收峰的数目，往往少于振动形 式的数目，减少的原因主要有：
(1) 不产生偶极矩变化的振动
CH2
n
n≥4 720cm-1
400
cm-1
辛炔-1
34
(四) 芳烃（苯及其衍生物）
1.
1600cm-1 ～1500cm-1
-H
～1580cm-1 ～1450cm-1
35
36
甲苯的红外光谱
770 — 730cm –1 710 — 690cm –1为一取代苯
7
偶极矩的概念：
d
对整个分子而言，是呈电中
性的；但由于构成分子的各个 原子因价电子得失的难易而表 现出不同的电负性，分子也因 此而显示不同的极性。通常用 偶极矩来表示。
+
HCl
+
H
Cl
q
-q
O
-q
H2O H
d
q
+
+
H
q
qd
8
红外活性与红外非活性：
在红外线吸收光谱中，并不是所有的振动都会产生 红外线吸收。只有发生偶极矩变化的振动才有能引起 可观测的红外线吸收带，称之为红外活性（infrared
1.
ν= C-H
3100
2. νC= C
1680-1620
3. δ =C -H （面外）
990和910两个峰
890
970
29
1—辛烯的红外光谱图
4
1
2
3
1. =CH的伸缩振动 3. -C =CH的面外弯曲
2. C =C的伸缩振动 4. 915cm-1的倍频峰
H H 碳氢键的面外弯曲1000cm-1、915cm-1证明是末端烯烃 30
方法等 • 内部因素：电子效应（诱导、共扼效应）、氢键 的影响、振动耦合等
56
样品的状态
气态下测得的谱带波数最高，并能观察到伴随振动光谱的转
动精细结构；在液态和固态下测定的谱带波数相对较低。
丙酮在气态时C=O=1742cm-1 液态时C=O=1718cm-1
返回
57
温度效应
低温下，吸收带尖锐，随温度升高，带宽增加，带数减小
第六章
红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectrometry, IR
6-1 红外吸收光谱分析概述
当红外光照射时，物质 的分子将吸收红外辐射，引 起分子的振动和转动能级间 的跃迁所产生的分子吸收光
谱，称为红外吸收光谱或振
动-转动光谱。
1
分子结构基础 研究 两方面 的应用
测定分子的键长、键角， 以此推断分子的立体构 型
43
C－O伸缩振动 伯醇1050
饱和脂肪醚 1125 （强） 附近 44
（七）酮和醛
醛类在2830和 2720 两个吸收带 利用它们可将醛类与其它羰基化 合物区别开来，但前者易与亚甲 基的C－H伸缩振动带重叠。
C＝O伸缩振动1700 吸收强度大
45
46
（八）酸
O－H伸缩振动3000 强而宽
C－O伸缩振 动1250附近
根据光谱中吸收峰的位置
化学组成分析 和形状推断未知物结构； 依照特征吸收峰的强度测 定混合物中各组分的含量
特点：快速、灵敏度高、检测试样用量少，可分
析各种状态的试样
2
红外光谱区
分子振动能级间跃迁需要的能量小，一般在 0.025-1eV间。 波长范围：0.75μm～1000μm。 红外光谱区在可见光区与微波区之间。
3
应用最广泛为中红外光谱。
4
红外区的光谱除了用波长表征外，更常用波数（wave number ) 表征。波数是波长的倒数，表示每厘米长光波
总波的数目。若波长以m为单位，波数的单位为cm-1，则
波长与波数的关系为：
1 10 / cm / cm / m
1
4
所有的标准红外线光谱图中都标有波数和波长两种刻度。
21
6-3 基团频率与分子结构的关系
同一类型的化学键的振动频率是非常接近的， 总是出现在某一范围内。这种与一定的结构单元
相联系的振动频率称为基团频率。但它们又有差
别，因为同一类型的基团在不同的物质中所处的 环境各不相同，而这种差别又能反映出结构上的 特点。
22
一、基团频率区与指纹区
1.基团频率区（ 4000～1300cm-1）
C＝O伸缩振动 1700附近
O－H弯曲振 动1440-1395
47
（九）酯
C－O－C伸缩振动1300－1000有两个吸收带，但易于与此区 间内的醇、酸、醚中的C－O伸缩振动带混淆。
C＝O伸缩振动 1700附近
酯带，强度大 于C=O伸缩振 48 动峰，较宽
49
N－H弯曲振动两个 1640－1560 ，900-650 伯胺：宽强， 中等 脂肪仲胺；弱，弱 芳香仲胺：被芳环掩盖