08仪器分析(高职)黄一石主编 第三章 红外吸收光谱
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红外
波谱分析-红外
第三章 红外吸收光谱法
§3.1 红外吸收光谱法基本原理 分子中基团的振动和转动能级跃迁会吸收红外 光，产生：红外光谱，也称振-转光谱。
一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范 围约为 0.75 ~ 1000µ m，根据仪器特点和应用不同， 习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（ 0.75 ~ 2.5µ ），中红外光区（2.5 ~ 25µm ），远红 m 外光区（25 ~ 1000 µ ）。 m
波谱分析-红外
§3.3 红外光度计及实验技术 一、仪器结构
红外分光光度是由光源、吸收池、单色器、检测 器以及记录显示装置组成。
1、光源 常用的光源是能斯特灯和硅碳棒。 IR光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，通 电加热使之发射高强度的连续红外辐射。Nernst灯是 用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和实心 棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导电并发射红 外线。但在室温下是非导体，因此，在工作之前要预 热。
12
波谱分析-红外
表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
13
波谱分析-红外
§3.2 分子振动的基本形式及振动自由度 一、两类基本振动形式
(1) 伸缩振动
(2)变形振动
14
波谱分析-红外
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波谱分析-红外
二、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。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 轴的转动运动。这6种运动都不是分子振动，因此， 振动形式应有（3n-6）种。但对于直线型分子，若贯 穿所有原子的轴是在x方向，则整个分子只能绕y、z 轴转动，因此，直线性分子的振动形式为（3n-5）种 16 。
第三章 红外吸收光谱法
§3.1 红外吸收光谱法基本原理 分子中基团的振动和转动能级跃迁会吸收红外 光，产生：红外光谱，也称振-转光谱。
一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范 围约为 0.75 ~ 1000µ m，根据仪器特点和应用不同， 习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（ 0.75 ~ 2.5µ ），中红外光区（2.5 ~ 25µm ），远红 m 外光区（25 ~ 1000 µ ）。 m
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§3.3 红外光度计及实验技术 一、仪器结构
红外分光光度是由光源、吸收池、单色器、检测 器以及记录显示装置组成。
1、光源 常用的光源是能斯特灯和硅碳棒。 IR光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，通 电加热使之发射高强度的连续红外辐射。Nernst灯是 用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和实心 棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导电并发射红 外线。但在室温下是非导体，因此，在工作之前要预 热。
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波谱分析-红外
表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
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§3.2 分子振动的基本形式及振动自由度 一、两类基本振动形式
(1) 伸缩振动
(2)变形振动
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波谱分析-红外
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波谱分析-红外
二、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。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 轴的转动运动。这6种运动都不是分子振动，因此， 振动形式应有（3n-6）种。但对于直线型分子，若贯 穿所有原子的轴是在x方向，则整个分子只能绕y、z 轴转动，因此，直线性分子的振动形式为（3n-5）种 16 。
有机波谱分析第三章-红外光谱解读
红外光谱就是当红外光照射有机物时,用仪器记录下来的吸收情况(被吸收光的波长及强度等红外线可分为三个区域:λ/µm 0.8 2.550100012500400020010ν/cm -1可见光微波近中远分子跃迁类型分子振动和转动晶格振动和纯转动泛频、倍频适用范围有机官能团定量分析有机分子结构分析和样品成分分析无机矿物和金属有机物红外光谱法主要讨论有机物对中红区的吸收。
分子的近似机械模型——弹簧连接小球。
分子的振动可用Hooke ’s rule 来描述:红外光谱中,频率常用波数表示。
波数——每厘米中振动的次数。
波数与波长互为倒数。
11(2121m m k +=πν41011−×=−mcm µλσ (1cm=104μm(1(1 振动方程式若将频率采用波数表示,Hooke ’s rule 则可表示为: 11(2121m m k c +=πσ(2式中:k —化学键的力常数; m —成键原子的质量。
不同分子的结构不同,化学键的力常数不同,成键原子的质量不同,导致振动频率不同。
用红外光照射有机分子,样品将选择性地吸收那些与其振动频率相匹配的波段,从而产生红外光谱。
(2 分子振动模式分子的振动类型有两大类:伸缩振动(ν:只改变键长,不改变键角;波数较高。
弯曲振动(δ:只改变键角,不改变键长;波数较低。
分子振动伸缩振动弯曲振动剪动煽动波数高波数低((动扭ν(ννsas(s(w(t摇动(r面内面外(δ(3 红外吸收峰产生的条件必要条件:辐射光的频率与分子振动的频率相当。
充分条件:振动过程中能够改变分子偶极矩!O C O 无红外吸收H H O有红外吸收CH 3 C C CH 3CH 3-CH 2-C C-H-C C-ν有无ν-C C-例2:CS 2、CCl 4等对称分子的IR 谱图特别简单,可用作IR 溶剂。
例1:所以,分子对称性高者,其IR 谱图简单;分子对称性低者,其IR 谱图复杂;苯环上五氢相连(单取代:700、750 cm -1 例:苯酚的IR 四氢相连(邻二取代:750 cm -1 例:邻二甲苯的IR 三氢相连(间二取代:700、780cm -1 例:间二甲苯的IR 二氢相连(对二取代:830cm -1 例:对二甲苯的IR 孤立氢:880 cm -1-CH=CH 2990,910cm -1690970910820键上:双C=CH 2HH H H H-1cm -1cm -1cm -1cm C=CC=C C=C例: 1-辛烯、1-癸烯的IR 谱图(2 解析IR谱图的原则解析IR谱图时,不必对每个吸收峰都进行指认。
第三章 红外吸收光谱ppt课件
精品课件
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例7：醇类化合物
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例8：酚类化合物
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例9：醚类化合物
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例10：羰基化合物－醛类
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例11：羰基化合物－酮类
精品课件
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例12：羧酸类化合物
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例13：酯类化合物
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33
例14：酸酐类化合物
精品课件
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例15：酰卤类化合物
➢4000~2500cm-1: X-H（X=C.N.O.S）的伸缩振动区 ➢2500~2000cm-1: 三键和累积双键（-C≡C-,-C ≡ N,
-C=C=C-,-N=C=O,-N=C=S等）的伸缩振动区 ➢2000~1500cm-1: 双键的伸缩振动区，如 C=C,C=O,
N=C，N=O,苯环骨架等 ➢1500~1300cm-1: 主要提供C-H弯曲振动的信息 ➢1300~400cm-1: 单键的伸缩振动、分子骨架振动、双
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（7）费米共振
HO C
dC-H
OCH3
醛基的C-H键的弯曲振动在1390cm-1附近，其倍频 吸收和醛基C-H键的伸缩振动区域2850~2700cm-1十分接 近，两者发生费米共振。红外吸收峰偏离基频值。
这两个峰成为鉴定醛基的特征频率。
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3-5 各类有机物的红外光谱
例1：烷烃、烯烃和炔烃
p-共轭体系要同时考虑到+C效应和-I效应。
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（3）空间效应
O C
CH3
c=o1663cm -1
O C
CH3 CH3
有机波谱分析 第三章 红外光谱
νs νas ω(π) ρ τ δ
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ν 伸 缩
δ 弯 曲
• 1.伸缩振动：键长变 伸缩振动： 伸缩振动
– (1)对称伸缩： νs – (2)不对称伸缩： νas
AX 2型分子
C
C
对称伸缩
反对称伸缩
AX 3型分子
C
C
对称伸缩
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不对称伸缩
• 2.弯曲振动：键角变 弯曲振动： 弯曲振动
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适用范围
（四）红外光谱法的特点
1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； ）红外吸收只有振 转跃迁 能量低； 转跃迁， 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有 ）应用范围广：除单原子分子及单核分子外， 有机物均有红外吸收； 有机物均有红外吸收； 3）红外光谱特征性强－“分子指纹光谱”。通过谱图峰 ）红外光谱特征性强－ 分子指纹光谱” 峰数、峰强度确定分子基团、分子结构； 位、峰数、峰强度确定分子基团、分子结构； 4）定量分析； ）定量分析； 5）固、液、气态样均可用，用量少、不破坏样品； 气态样均可用，用量少、不破坏样品； ） 6）分析速度快。 ）分析速度快。 7）光谱数据积累较多。 ）光谱数据积累较多。 8）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。 具有强大的定性功能。 ）
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红外光谱中常用术语
（1）基频峰与泛频峰 分子吸收一定频率的红外光后， 分子吸收一定频率的红外光后，振动能级从基态跃迁到第 一激发态（ 时所产生的吸收－基频峰。 一激发态（V0→ V1）时所产生的吸收－基频峰。 振动能级从基态跃迁到第二（ 第三（ 振动能级从基态跃迁到第二（V2 ） 、第三（V3 ） …激 激 发态所产生的吸收－倍频峰。 发态所产生的吸收－倍频峰。 此外，还有组频峰（包括合频峰和差频峰）。 ）。倍频峰和组 此外，还有组频峰（包括合频峰和差频峰）。倍频峰和组 频峰总称为泛频峰。 频峰总称为泛频峰。 （2）特征峰与相关峰 凡能用于鉴定原子基团存在并有较高强度的吸收峰－ 凡能用于鉴定原子基团存在并有较高强度的吸收峰－特征 其对应的频率称为特征频率。 峰。其对应的频率称为特征频率。 一个基团除了特征峰以外， 一个基团除了特征峰以外，还有许多其它振动形式的吸收 这些相互依存而又相互可以佐证的吸收峰－相关峰。 峰，这些相互依存而又相互可以佐证的吸收峰－相关峰。 （3）特征区与指纹区 4000－ 特征区； 1330－ 4000－1330 cm-1 －特征区； 1330－400 cm-1 －指纹区
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ν 伸 缩
δ 弯 曲
• 1.伸缩振动：键长变 伸缩振动： 伸缩振动
– (1)对称伸缩： νs – (2)不对称伸缩： νas
AX 2型分子
C
C
对称伸缩
反对称伸缩
AX 3型分子
C
C
对称伸缩
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不对称伸缩
• 2.弯曲振动：键角变 弯曲振动： 弯曲振动
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适用范围
（四）红外光谱法的特点
1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； ）红外吸收只有振 转跃迁 能量低； 转跃迁， 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有 ）应用范围广：除单原子分子及单核分子外， 有机物均有红外吸收； 有机物均有红外吸收； 3）红外光谱特征性强－“分子指纹光谱”。通过谱图峰 ）红外光谱特征性强－ 分子指纹光谱” 峰数、峰强度确定分子基团、分子结构； 位、峰数、峰强度确定分子基团、分子结构； 4）定量分析； ）定量分析； 5）固、液、气态样均可用，用量少、不破坏样品； 气态样均可用，用量少、不破坏样品； ） 6）分析速度快。 ）分析速度快。 7）光谱数据积累较多。 ）光谱数据积累较多。 8）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。 具有强大的定性功能。 ）
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红外光谱中常用术语
（1）基频峰与泛频峰 分子吸收一定频率的红外光后， 分子吸收一定频率的红外光后，振动能级从基态跃迁到第 一激发态（ 时所产生的吸收－基频峰。 一激发态（V0→ V1）时所产生的吸收－基频峰。 振动能级从基态跃迁到第二（ 第三（ 振动能级从基态跃迁到第二（V2 ） 、第三（V3 ） …激 激 发态所产生的吸收－倍频峰。 发态所产生的吸收－倍频峰。 此外，还有组频峰（包括合频峰和差频峰）。 ）。倍频峰和组 此外，还有组频峰（包括合频峰和差频峰）。倍频峰和组 频峰总称为泛频峰。 频峰总称为泛频峰。 （2）特征峰与相关峰 凡能用于鉴定原子基团存在并有较高强度的吸收峰－ 凡能用于鉴定原子基团存在并有较高强度的吸收峰－特征 其对应的频率称为特征频率。 峰。其对应的频率称为特征频率。 一个基团除了特征峰以外， 一个基团除了特征峰以外，还有许多其它振动形式的吸收 这些相互依存而又相互可以佐证的吸收峰－相关峰。 峰，这些相互依存而又相互可以佐证的吸收峰－相关峰。 （3）特征区与指纹区 4000－ 特征区； 1330－ 4000－1330 cm-1 －特征区； 1330－400 cm-1 －指纹区
实验三红外吸收光谱法
红外光谱的产生与特征
红外光谱是由于分子振动和转动能级跃迁而产生的。当特 定波长的红外光与分子相互作用时，分子吸收光能并发生 振动和转动能级跃迁，导致透射光强度减弱，形成红外吸 收光谱。
红外光谱具有特征性，不同化学键或基团在特定波数范围 内有吸收峰，可用于推断分子结构和化学组成。
基团频率与分子结构的关系
误差分析与实验讨论
误差分析是实验结果可靠性的重要保障，需要 对实验过程中可能出现的误差进行详细分析。
误差来源可能包括仪器误差、样品不均匀、环 境因素等，需要采取相应措施减小误差对实验 结果的影响。
实验讨论部分需要对实验结果进行深入分析和 讨论，总结实验的优缺点，提出改进意见和建 议，为后续实验提供参考和借鉴。
样品处理
根据实验需求，对样品进 行适当处理，如干燥、研 磨、溶解等，以便于后续 操作。
样品制备
将处理后的样品制备成适 合测试的形态，如溶液、 薄膜等，以满足测试要求。
仪器准备与校准
仪器检查
确保仪器各部件完好，无 损坏，能够正常工作。
校准
根据仪器使用说明，对仪 器进行校准，确保测试结 果的准确性。
参数设置
基团频率是指特定化学键或基团在红 外光谱中出现的波数范围。基团频率 与分子结构密切相关，不同基团具有 不同的振动频率和吸收峰位置。
通过分析基团频率和峰形特征，可以 推断出分子中的化学键类型、键长、 键角等信息，从而了解分子的结构特 征和性质。
03
实验步骤
样品制备
01
02
03
样品选择
选择具有代表性的样品， 确保样品纯净度高、无杂 质。
根据实验需求，设置合适 的测试参数，如扫描范围 Nhomakorabea 分辨率等。
红外吸收光谱法2
2、单色器的组成部分包括哪些？ 3、样品池的透光材料主要有哪些？ 4、红外分光光度计的检测器主要有哪些？
1．光源
目前，中红外光区最常用的红外光源是：硅碳棒和能斯特灯。
(1) 硅碳棒(Globar)
φ7×27mm
硅碳棒是由SiC加压在20000K烧结而成
供电电流：4~5A;
+
-
工作温度：1200~1501、色散型红外吸收光谱仪又称为什么？ 其基本构造包括哪些？
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
单色器
切光器（斩波器）
检
测
器
数据处理和 仪器控制
光源
吸收池 单色器 检测器 数据处理 仪器控制
问题
1、中红外光区最常用的红外光源有哪些？ 制备光源使用的材料分别是什么？
窗片
样 品 进、 出 口
前后框架
窗片
橡胶垫
汞剂化铅间隔片
固定池
试样气体
橡胶垫 气泵
汞剂化铅间隔片
可拆池
窗片
气体池
4．检测器 红外吸收光谱仪的检测器主要有： 高真空热电偶、测热辐射计、热释电检测器、光导电检测器等。
(1) 高真空热电偶 用两种不同温差电动势的金属制成热容量
很小的结点，装在涂黑的接收面上 (0.2~0.4×2mm) ；
LATGS(L-丙氨酸TGS)、 DLATGS(氘代L-丙氨酸TGS)
问题
1、傅里叶变换红外吸收光谱仪的主要组成？ 2、傅里叶变换红外吸收光谱仪的核心部分是哪个？ 3、迈克尔干涉仪的组成部分包括哪些？核心部位是
哪个？ 4、傅里叶变换红外吸收光谱仪的特点有哪些？
二、傅里叶变换红外吸收光谱仪简介 Fourier Transform Infrared Spectrometer（FT-IR） 光源 1．组成结构框图及工作原理
1．光源
目前，中红外光区最常用的红外光源是：硅碳棒和能斯特灯。
(1) 硅碳棒(Globar)
φ7×27mm
硅碳棒是由SiC加压在20000K烧结而成
供电电流：4~5A;
+
-
工作温度：1200~1501、色散型红外吸收光谱仪又称为什么？ 其基本构造包括哪些？
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
单色器
切光器（斩波器）
检
测
器
数据处理和 仪器控制
光源
吸收池 单色器 检测器 数据处理 仪器控制
问题
1、中红外光区最常用的红外光源有哪些？ 制备光源使用的材料分别是什么？
窗片
样 品 进、 出 口
前后框架
窗片
橡胶垫
汞剂化铅间隔片
固定池
试样气体
橡胶垫 气泵
汞剂化铅间隔片
可拆池
窗片
气体池
4．检测器 红外吸收光谱仪的检测器主要有： 高真空热电偶、测热辐射计、热释电检测器、光导电检测器等。
(1) 高真空热电偶 用两种不同温差电动势的金属制成热容量
很小的结点，装在涂黑的接收面上 (0.2~0.4×2mm) ；
LATGS(L-丙氨酸TGS)、 DLATGS(氘代L-丙氨酸TGS)
问题
1、傅里叶变换红外吸收光谱仪的主要组成？ 2、傅里叶变换红外吸收光谱仪的核心部分是哪个？ 3、迈克尔干涉仪的组成部分包括哪些？核心部位是
哪个？ 4、傅里叶变换红外吸收光谱仪的特点有哪些？
二、傅里叶变换红外吸收光谱仪简介 Fourier Transform Infrared Spectrometer（FT-IR） 光源 1．组成结构框图及工作原理
第三章-红外吸收光谱分析-1
在倍频峰中，二倍频峰还比较强，三倍频峰以上，因 跃迁几率很小，一般都很弱，常常不能测到。
由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基频峰的 整数倍，而是略小一些。
HCl的基频峰和倍频峰
基频峰（V0→1） 二倍频峰（ V0→2 ） 三倍频峰（ V0→3 ） 四倍频峰（ V0→4 ） 五倍频峰（ 0→5 ）
折合质量μ的影响
对于相同化学键的基团，波数与折合 质量μ平方根成反比。例如C-C、C-O、 C-N键的力常数相近，但折合质量不同。
μ ： C-C < C-N < C-O 1430 cm-1 1330 cm-1 1280 cm-1
第三章 红外吸收光谱分析
3.2 基本原理 3.2.3 多原子分子振动
在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基 态（ V =0）跃迁至第二激发态（ V =2）、第三激 发态（ V =3），所产生的吸收峰称为倍频峰。
除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差 频峰（ 1-2，21-2， ）等，这些峰多数很弱， 一般不容易辨认。
倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。
通过试样后的红外光在一些波数范围减弱，在 另一些波数范围内仍然较强，用仪器记录该试 样的红外吸收光谱，进行样品的定性和定量分 析。
第三章 红外吸收光谱分析
3.2 基本原理 3.2.2 双原子分子的振动
红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴有转动能级跃迁） 而产生，即分子中的原子以平衡位置为中心作周期性振动，其振 幅非常小。这种分子的振动通常想象为一根弹簧联接的两个小球 体系，称为谐振子模型。这是最简单的双原子分子情况，如下图 所示。
EL=hL 产生红外吸收光谱的第一条件为：
EL =△Ev hL = △Vh 即 L= △V
由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基频峰的 整数倍，而是略小一些。
HCl的基频峰和倍频峰
基频峰（V0→1） 二倍频峰（ V0→2 ） 三倍频峰（ V0→3 ） 四倍频峰（ V0→4 ） 五倍频峰（ 0→5 ）
折合质量μ的影响
对于相同化学键的基团，波数与折合 质量μ平方根成反比。例如C-C、C-O、 C-N键的力常数相近，但折合质量不同。
μ ： C-C < C-N < C-O 1430 cm-1 1330 cm-1 1280 cm-1
第三章 红外吸收光谱分析
3.2 基本原理 3.2.3 多原子分子振动
在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基 态（ V =0）跃迁至第二激发态（ V =2）、第三激 发态（ V =3），所产生的吸收峰称为倍频峰。
除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差 频峰（ 1-2，21-2， ）等，这些峰多数很弱， 一般不容易辨认。
倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。
通过试样后的红外光在一些波数范围减弱，在 另一些波数范围内仍然较强，用仪器记录该试 样的红外吸收光谱，进行样品的定性和定量分 析。
第三章 红外吸收光谱分析
3.2 基本原理 3.2.2 双原子分子的振动
红外光谱是由于分子振动能级的跃迁（同时伴有转动能级跃迁） 而产生，即分子中的原子以平衡位置为中心作周期性振动，其振 幅非常小。这种分子的振动通常想象为一根弹簧联接的两个小球 体系，称为谐振子模型。这是最简单的双原子分子情况，如下图 所示。
EL=hL 产生红外吸收光谱的第一条件为：
EL =△Ev hL = △Vh 即 L= △V
仪器分析(高职)黄一石主编 第三章 红外吸收光谱
AX2型分子
AX3型分子
C s H2 ~285c0m1
C s H 3 ~287c0m1
2．反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生
AX2型分子
AX3型分子
C asH2 ~292c5m1
.C asH 3 ~296c0m1
1、基本原理
变形振动
1．面内弯曲振动β：弯曲振动发生在由几个原子构成的平面 内，其又可以分为以下两类：
B、热释电检测器：是傅里叶变换红外光谱仪中常用检测器 。用硫酸三苷肽（简称TGS）的单晶薄片作为检测元件。特点 是响应速度块，能实现高速扫描。
.
2、红外吸收光谱仪
傅立叶红外光谱仪
判断有无芳环存在：芳环骨架振动在1600~1500cm-1之 间有2~3个中等强度的吸收峰；
判断C=C或C=N键 在1675~1600cm-1 的吸收峰。
.
1、基本原理
(7) C－H面内变形振动段
➢ 烃类C－H面内变形振动在1475~1300cm-1； ➢ 甲基、亚甲基的变形振动位置一般都比较固定。 ➢ －CH3由于存在着对称与不对称变形振动，通常可以
.
1、基本原理
吸收峰强的表示方法
➢ 极强峰 ε大于100 ➢ 强峰 ε=20~100 ➢ 中强峰 ε=10~20 ➢ 弱峰 ε=1~10 ➢ 极弱峰 ε<1
影响峰强度的因素
➢ 基频峰高于泛频峰 ➢ 振动过程中偶极矩的变化 ➢ 跃迁几率：激发态分子占所有分子的百分数
注： Δμ↑，跃迁几率↑， ε ↑
(4) 叁键与累积双键段
C≡C， C≡N等叁键的伸缩振动
2400~2100cm-1
C=C=C，N=C=O等累积双键的不对称伸缩振动
.
仪器分析教程第3章 红外光谱
多原子分子中，基本振动的数目叫振动自由度。 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。
一. 基本振动的类型 伸缩振动和弯曲振动。
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
键或官能团的吸收频率，这种现象叫诱导效应。
诱导效应的影响沿着分子中的化学键而传递，
与分子的几何形状无关。
羰基碳上的 电负性基团使羰基伸缩振动吸收峰
向高频方向移动（蓝移）。
O R－C－R O R－C－Cl O F－C－F O CH3－C－O－CH＝CH2 为什么 ？ vC=O 1770cm－1 1928cm-1 1800cm-1 1715cm-1 O R－C－H O R－C－F O R－C－NH2 1680cm-1 O CH3－C－O－CH2CH3 1734cm－1 1920cm-1 1730cm -1
例：水分子（非线性分子）。 振动自由度数 ＝ 3 × 3 － 6 ＝ 3
3600～3000cm－1
1647cm－1
990~400cm－1
例:
CO2分子（线性分子）。 振动自由度＝ 3×3－5 ＝ 4
2349 cm－1
667 cm-1
3.1.3 红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption band （一）红外吸收峰强度的表示方法
O R－ C
H－ NH C－ R O
1690 cm－1 3500 cm－1 1650 cm－1
HN－ H
游离：
vC＝O vN－H
一. 基本振动的类型 伸缩振动和弯曲振动。
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
键或官能团的吸收频率，这种现象叫诱导效应。
诱导效应的影响沿着分子中的化学键而传递，
与分子的几何形状无关。
羰基碳上的 电负性基团使羰基伸缩振动吸收峰
向高频方向移动（蓝移）。
O R－C－R O R－C－Cl O F－C－F O CH3－C－O－CH＝CH2 为什么 ？ vC=O 1770cm－1 1928cm-1 1800cm-1 1715cm-1 O R－C－H O R－C－F O R－C－NH2 1680cm-1 O CH3－C－O－CH2CH3 1734cm－1 1920cm-1 1730cm -1
例：水分子（非线性分子）。 振动自由度数 ＝ 3 × 3 － 6 ＝ 3
3600～3000cm－1
1647cm－1
990~400cm－1
例:
CO2分子（线性分子）。 振动自由度＝ 3×3－5 ＝ 4
2349 cm－1
667 cm-1
3.1.3 红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption band （一）红外吸收峰强度的表示方法
O R－ C
H－ NH C－ R O
1690 cm－1 3500 cm－1 1650 cm－1
HN－ H
游离：
vC＝O vN－H
三红外吸收光谱法PPT课件
1
σ=22πcc
K
键力常数
m1m2
折合质量 = m1+m2
5
(1)原子质量相近时，力常数k大，化学键的振动波数高： σCC（2222cm-1）> σC=C（1667cm-1）>σ C-C（1429cm-1） (2)若力常数k相近，原子质量m大，则化学键的振动波数低：
C-H C-C C-N C-O 3000 1430 1330 1280 (3)和H原子相连的化学键,红外吸收在高波数区 如: C-H 2900 cm-1 O-H 3600-3200 cm-1 N-H 3500-3300 cm-1 (4)弯曲振动比伸缩振动容易,弯曲振动的K较小,处于低波数区
1. 线性分子振动自由度 = 3n – 3 – 2 = 3n – 5
9
2. 非线性分子振动自由度 =3n–3–3=3n–6
10
3657 3756
1595
11
CO2分子的基本振动形式及IR光谱
2349 cm-1
667cm-1
12
理论上，每种简正振动都有其特定的振动频率，在红 外光谱区均应产生一个吸收峰带。但实际上，红外光 谱中峰数往往远小于理论计算的振动数，原因有以下 几点：
7
简正振动的基本形式
伸缩振动（）：键角不变， 键长变化。
(a)对称伸缩振动（s） (b)不对称伸缩振动（as）
(c)弯曲振动：键角变化，键 长不变。
(d)(c) 剪式 (e)(d) 非平面摇摆 (f) (e) 扭曲 (g)(f) 摇摆
8
简正振动的理论数—振动自由度
确定一个原子在空间的位置需要三个坐标，对于n个原子组成的分子， 确定它的空间位置需要3n个坐标，即分子有3n个自由度。分子的总 自由度由平动、转动和振动自由度构成。 分子自由度数（3N）= 平动自由度 + 转动自由度 + 振动自由度
波谱分析第三章03红外谱图解析
（2） C C 与 C＝C 类似，强度随分子对称性及共轭情况的 不同而变化。确切位置取决于 R1 C C R2 中R1和R2基团
R1 C C-H R1 C C -R2
R1＝ R2
强度强
频率低
强度变化大 频率高
分子对称无吸收
2140～2100 cm-1 2260～2190 cm-1
48
4、芳烃
振动频率/ cm-1
-O-H 3650 3200 cm-1 确定 醇，酚，酸
饱和碳原子上的-C-H
—CH3 —CH2— —CH —
2960 cm-1 2870 cm-1 2930 cm-1 2850 cm-1 2890 cm-1
反对称伸缩振动 对称伸缩振动 反对称伸缩振动 对称伸缩振动 弱吸收
3000 cm-1 以下
—CH2— CO — CH2— —CH2— CO —O— —CH2— CO —NH—
1715 cm-1 1735 cm-1 1680 cm-1
酮 酯 酰胺
2、红外光谱与分子结构
有机化合物基团频率出现在 4000 400 cm-1 ， 依据基 团的振动形式，分为四个区：
（1） X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） （X=O，N，C，S）
1250、1210 （叔丁基）
正构烷只在3000及1400 cm-1附近出现吸收，n>4 时 720
cm-1有弱吸收；
异构烷除CH3、CH2还有CH的C-H，2890 cm-1强度弱，难辨
认。
44
烷烃
表3-4, (CH2)n结构 中亚甲基面内摇 摆振动
1168 1367 1386 1468
CH3 –CH – CH2 –CH – CH3
R1 C C-H R1 C C -R2
R1＝ R2
强度强
频率低
强度变化大 频率高
分子对称无吸收
2140～2100 cm-1 2260～2190 cm-1
48
4、芳烃
振动频率/ cm-1
-O-H 3650 3200 cm-1 确定 醇，酚，酸
饱和碳原子上的-C-H
—CH3 —CH2— —CH —
2960 cm-1 2870 cm-1 2930 cm-1 2850 cm-1 2890 cm-1
反对称伸缩振动 对称伸缩振动 反对称伸缩振动 对称伸缩振动 弱吸收
3000 cm-1 以下
—CH2— CO — CH2— —CH2— CO —O— —CH2— CO —NH—
1715 cm-1 1735 cm-1 1680 cm-1
酮 酯 酰胺
2、红外光谱与分子结构
有机化合物基团频率出现在 4000 400 cm-1 ， 依据基 团的振动形式，分为四个区：
（1） X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） （X=O，N，C，S）
1250、1210 （叔丁基）
正构烷只在3000及1400 cm-1附近出现吸收，n>4 时 720
cm-1有弱吸收；
异构烷除CH3、CH2还有CH的C-H，2890 cm-1强度弱，难辨
认。
44
烷烃
表3-4, (CH2)n结构 中亚甲基面内摇 摆振动
1168 1367 1386 1468
CH3 –CH – CH2 –CH – CH3
仪器分析第三章--红外光谱
波数是频率的一种 表示方法（表示每 厘米长的光波中波 的数目）
k-----化学键的力常数(达因,N/cm) ，与键能和键长有关； μ---双原子的折合质量: μ =m1m2/(m1+m2)
5
某些键的伸缩力常数
键 H-F H-Cl H-Br H-I
分子 HF HCl HBr HI
k 9.7 4.8 4.1 3.2
μ相同:
C-C 1429 cm-1 C=C C≡C 2222cm-1
k相近:
C-C C-N μ 增大 1429 cm-1 1330 cm-1 1280cm-1 C-O
k 增大
1667 cm-1
v 增大
v 减少
7
二、多原子分子振动
1．振动的基本类型 伸缩振动
对称性伸缩振动 V S 反对称性伸缩振动 V aS
比预期振动谱带数目多的影响因素 泛频峰 (Overtone) 或倍频峰的出现 组频峰 (Combination band)的出现 谐振耦合峰 (harmonic coupling band)的出现 费米共振峰 (Fermi Resonance)的出现
13
三、红外光谱中几种常见的振动吸收频率峰 1. 基频 当分子从基态（=0）跃迁到第一激发态（=1）时，产生的吸 收频率称为基频。在红外光谱上产生一条谱带，称为基频带。
6
例1: 由表中查知 C=C 键的 k= 9.5 ～9.9 (N/cm) ,令其为9.6, 计算正己 烯中C=C键伸缩振动频率，实测值为1652 cm-1
v (cm-1 ) 1370
k
μ
1307
9.6 1653.2 12 2
例2: 由表中查知 H-C 键的k = 4.8 ,计算波数值正己烯中H-C键伸缩振动 频率实测值为2892.6 cm-1 (N/cm), 实验值：2885.9 cm-1 k 4.8 1.008 35.45 v (cm-1 ) 1370 1307 2892.6 0.98 μ 0.98 1.008 35.45 μ
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1、基本原理
(2) 不饱和C－H伸缩振动段
烯烃、炔烃和芳烃等不饱和烃的C－H伸缩振动大部分在 3100~3000cm-1，端炔基（≡C－H）的红外吸收在3300cm-1
(3) 饱和C－H伸缩振动段
甲基、亚甲基、叔碳氢及醛基的饱和C－H基伸缩振动段 在3000~2700cm-1，其中只有醛基C－H伸缩振动在2720cm-1附 近(特征吸收峰)，其余均在3000~2800cm-1。 3000cm-1区分饱和和不饱和烃的分界线。
取代苯的泛频峰
1、基本原理
特征峰与相关峰
➢特征峰： 可用于鉴别官能团存在的吸收峰。 ➢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。
相关峰的数目与基团的活性振动及光谱的波数范围有关 用一组相关峰才可以确定确定一个官能团的存在
1、基本原理
红外吸收光谱的分区
1．特征区（特征频谱区）： 4000~1250cm-1的高频区
能斯特灯：由混合的稀土金属（锆、钍、铈）氧化 物制成，工作温度在1750℃。使用寿命长，稳定性好， 在短波范围使用比硅碳棒有利，但其价格较贵，操作不 如硅碳棒方便。
2、红外吸收光谱仪
(2)吸收池（样品池） 分析气体时用气体池；分析液体使用液体池；分析固体
用固体支架。各类吸收池都有岩盐窗片。最常用的是KBr ，因为KBr在4000－400cm-1光区不产生吸收，因此可绘制 全波段光谱图。使用中要注意防潮。
看到两个以上的吸收峰
(8) 不饱和C－H面外变形振动段
➢ 烯烃C-H面外变形振动γC－H位在800~1000cm-1； ➢ 不同取代类型的烯烃，其γC－H位置不同，可用以判断
烯烃的取代类型；（具体见教材P120 图3-8）
1、基本原理
表1 主要官能团的红外吸收谱带
1、基本原理
影响基团频率位移的因素
(1) O－H, N－H伸缩振动段
➢ O－H伸缩振动在3700~3100cm-1，游离的羧基的伸缩振 动频率在3600cm-1左右，形成氢键缔合后移向低波数，谱带 变宽，羧基中的O－H吸收峰宽到3200~2500cm-1，该普带是 判断醇、酚和有机酸的重要依据。 ➢ 一级、二级胺或酰胺等的N一H伸缩抓动类似于O－H键， 但－NH2为双峰, －NH－为单峰。游离的N－H键伸缩振动 在3500~3300cm-1，强度中等，缔合将使峰的位置及强度都 生变化.但不及羧基显著，向低波数移动大约100cm-1左右，
（2）共轭效应： 形成多重键的π电子在一定程度上可以移动，最终使 振动频率移向低波数区
共轭效应使电子离域，双键性 ，K
1、基本原理
（3）偶极场效应： 在分子空间内相互靠近的官能团之间能产生偶极场
效应，从而使的振动频率移向高波数区。 （4）氢键效应：
羧基与羧基间易形成氢键，从而使得电子云密度平均 化，最终使伸缩频率降低；
红外吸收峰类型 a）基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从基 态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰（即υ=0 → 1 产生的峰）
1 L
➢ 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
1、基本原理
b）泛频峰
泛 倍频峰 二倍频峰（υ=0→υ=2） 2 L 2
(4) 叁键与累积双键段
C≡C， C≡N等叁键的伸缩振动
2400~2100cm-1
C=C=C，N=C=O等累积双键的不对称伸缩振动
1、基本原理
(5) 羧基伸缩振动段
羧基的伸缩振动在1900~1650cm-1，强度大，特征明显。
(6) 双键伸缩振动段
烯烃中的双键和芳环上的双键以及碳氮双键的伸缩振动 在1675~1500cm-1。
频 峰
合频峰
三倍频峰（υ=0→υ=3） 3 L 3
L 1 2
差频峰（即υ=1→υ=2，3- - -产生的峰） L 1 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υ=1→ υ=2，3- -产生的峰）
即 L
注：泛频峰强度较弱，难辨认→却增加了光谱特征性
1、基本原理
(7)立体障碍 由于立体障碍，碳基与双键之间的共轭效应受到限制时，
υC=O较高。
在(b)中，由于接在C=O上的CH3的立体障碍，C=O与苯环 的双键不能处于同一平面，所以υC=O较(a)高。
1、基本原理
(8) 环的张力最大 环的张力越大υC=O振动频率越高。
在以上几种酮中，四元环的张力最大，因此υC=O振动频率最 高。
1、基本原理
红外光谱的应用
1．可以确定化合物的类别（芳香类） 2．确定官能团：
例：—CO—，—C＝C—，—C≡C— 3．推测分子结构（简单化合物） 4．定量分析
1、基本原理
红外吸收光谱法的特点
➢应用面广，提供信息多且具有特征性； ➢不受样品相态的限制，亦不受熔点、沸点和蒸气压的 限制； ➢样品用量少且可回收，不破坏试样，分析速度快，操 作方便； ➢现在已经积累大量标准红外吸收光谱图可供查阅； ➢ 红外吸收光潜法也有其局限性，即有些物质不能产生 红外吸收峰。且有些物质不能用红外鉴别。
即 L
➢ 分子在振、转过程中的净偶极矩的变化不为0，
即分子产生红外活性振动，且辐射与分子振动发生
能量耦合。
即 0
❖ 红外活性振动：分子振动产生偶极矩的变化，从而产生红外吸 收的性质
❖ 红外非活性振动：分子振动不产生偶极矩的变化，不产生红外 吸收的性质
1、基本原理
红外吸收光谱与分子结构关系的基本概念
3．对称与不对称振动：
1）对称的变形振动δs：三个AX键与轴线的夹角同时H 3
~ 1375cm1
2）不对称的变形振动δas：三个AX键与轴线的夹角不同时变 大或减小
AX 3型分子
as CH 3
~ 1450 cm1
振动能级的跃迁
1、基本原理
红外光谱产生条件
➢ 分子吸收红外辐射的频率恰等于分子振动频率整数倍
2、红外吸收光谱仪
(4)检测器
A、高真空热电偶：是色散型红外分光光度计中常用的检测 器。热电偶两端点由于温度不同产生温差热电势，让红外光照 射热电偶的一端，此时，两端点间的温度不同，产生电势差， 在回路中有电流通过。电流大小随红外光的强弱而变化，试样 吸收红外光，引起电流大小的改变。热电偶密封在一个高真空 的玻璃容器内。高莱池
1、基本原理
（5）振动偶合 适当结合的两个振动基团，若原来的振动频率很近，它
们之间可能会产生相互作用而使得谱峰裂分为两个，一个 高于正常频率，一个低于正常频率。这种两个基团的相互 作用被称为振动的偶合。
酸酐的两个羧基
1、基本原理
(6) 费米共振 当一个振动的倍频与另一个振动的基频接近时，由于发
生相互作用而生很强的吸收峰或发生裂分，这种现象叫做 费米共振。
伸缩振动
1．对称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动同时发生
AX 2型分子
AX 3型分子
s CH 2
~
2850 cm1
s CH 3
~
2870 cm1
2．反称伸缩振动：键长沿键轴方向的运动交替发生
AX 2型分子
AX 3型分子
as CH 2
~
2925 c m 1
as CH 3
~
2960 cm1
1、基本原理
判断有无芳环存在：芳环骨架振动在1600~1500cm-1之 间有2~3个中等强度的吸收峰；
判断C=C或C=N键 在1675~1600cm-1 的吸收峰。
1、基本原理
(7) C－H面内变形振动段
➢ 烃类C－H面内变形振动在1475~1300cm-1； ➢ 甲基、亚甲基的变形振动位置一般都比较固定。 ➢ －CH3由于存在着对称与不对称变形振动，通常可以
1、基本原理
常见官能团的特征吸收频率
具体见教材P125 表3-3
2、红外吸收光谱仪
色散型红外吸收光谱仪
基本结构
光源
样品池
单色器
检测器
记录仪
岛津IR－435 红外分光光度计
2、红外吸收光谱仪
(1)光源:提供红外辐射 硅碳棒：由碳化硅烧结而成，工作温度1200－
1400℃，发光面积大，价格便宜，操作方便。使用波长 范围较能斯特灯宽。
（1）外部因素： 受溶剂的极性和仪器色散元件性能影响
溶剂极性↑
极性基 团伸缩
振动频率 ↓
色散元件性 能优劣
相邻峰的分辨率
1、基本原理
（2）内部因素：
a,诱导效应（吸电效应）：
取代基的 电负性
静电诱 导作用
分子中电子 的分布
键力常数 的变化
基团的特 征频率
吸电性 ，双键性 ，K
1、基本原理
第三章 红外吸收光谱法
3.1 基本原理 3.2 红外吸收光谱仪 3.3 实验技术 3.4 红外吸收光谱的应用
3.5 实验
1、基本原理
红外吸收光谱法： 利用物质对红外光 区电磁辐射的选择 性吸收特性来分析 分子中有关基团结 构的定性、定量信 息的分析方法。
红外吸收光谱的表示方法
1、基本原理
红外光的分区
也可用KI、KCl、NaCl等。
红外用KBr
2、红外吸收光谱仪
吸收池
气体吸收池
一种 液体池
固体支架
2、红外吸收光谱仪
(3)单色器 功能是把通过样品池和参比池而进入入射狭缝的复合
光色散成单色光，再射到检测器上加以测量。单色器有两 种：
A、棱镜：早期的红外光谱仪主要用棱镜。 B、光栅：目前多用光栅，分辨率高，价格便宜。
变形振动
1．面内弯曲振动β：弯曲振动发生在由几个原子构成的平面 内，其又可以分为以下两类：
1）剪式振动δ：振动中键角的变化类似剪刀的开闭