第二章 红外光谱法PPT课件
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8
简正振动
整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简 谐振动且频率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为
所有上述简谐振动的线性组合。
简正振动基本形式
伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变
的振动。
变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振
动。又称弯曲振动或变角振动。
9
条件一：只有偶极矩发生变化的振动才能吸收红外辐射
（1）分析速度较快 原子发射光谱用于炼钢炉前的分
析，可在l～2分钟内，同时给出二十多种元素的分析结果
（2）操作简便 有些样品不经任何化学处理，即可直
接进行光谱分析。在毒剂报警、大气污染检测等方面，采 用分子光谱法遥测，不需采集样品，在数秒钟内，便可发 出警报或检测出污染程度
（3）不需纯样品 只需利用已知谱图，即可进行光谱
11
双原子分子振动的机械模型 -谐振子振动
12
2. 分子振动 1）双原子分子振动
分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅(与 核间距相比_作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚 性振动描述：
(频) 率 2 1 k.....或 ...(波 .. ) 数 2 1 c k
k为化学键的力常数（dyn/cm) ; c=3 1010cm/s; 为双原子 折合质量
7
红外光谱
(0.75~1000m)
红外光区划分
近红外(泛频）
(0.75~2.5 m)
13158~4000/cm-1
中红外(振动区)
(2.5~25 m)
4000~400/cm-1
远红外(转动区)
(25-1000 m)
400~10/cm-1
分区及波长范围
倍频 分子振动转动 (常用区)
分子转动 跃迁类型
●局限性 光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必
须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和 结构状态应与被分析的样品基本一致，这常常比较困难
6
红外光谱
❖ 定义：样品受到频率连续变化的红外光照射时，
分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转 动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃
迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱， 记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即 为红外光谱。 ❖ 红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收 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
价电子或成键电 子能级
分子振动能级
分析方法 放射化学分析法
X射线光谱法 真空紫外光度法 紫外分光光度法
比色法、可见分光 光度法
近红外光谱法
原子振动/分子转 动能级
分子转动、晶格 振动能级
电子自旋、分子 转动能级
磁场中核自旋能
中红外光诸谱法 远红外光清谱法
微波光谱法 核磁共振光谱法 4
光谱分析法的特点
振动能量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键 之间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构(内因)和 所处的化学环境(外因)有关。
14
苯衍生物的红外光谱图
15
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。
第二章 红外光谱法
1
整体概述
概况一
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概况二
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概况三
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●光 一种电磁波或电磁辐射。
●光学分析法 建立在物质光学光谱性质上的分 析方法
●光谱法的发展史 1858～1859年间，德国化学 家本生和物理学家基尔霍夫奠定了光谱分析法的 基础。他们被公认为光谱分析法的创始人
电场
无偶极矩变化
无红外吸收
磁场
红外吸收
交变磁场
分子固有振动
a
偶极矩变化
（能级跃迁）
10
条件二：红外辐射的能量应与振动能级差相等。 根据量子力学原理，分子振动能量En 是量子化的，即
En=(n+1/2)h 为分子振动频率，n为振动量子数，其值取 0，1，2，…
分子中不同振动能级差为
En= nh 也就是说，只有当En=Ea或者a= n时，才可能发生振 转跃迁。例如当分子从基态(n=0)跃迁到第一激发态(n=1)， 此时n=1，即a=
峰强度可用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)、很弱 (vw)等来表示。
16
基团频率
通过对大量标准样品的红外光谱的研究，处于 不同有机物分子的同一种官能团的振动频率变化 不大，即具有明显的特征性。
这是因为连接原子的主要为价键力，处于不 同分子中的价键力受外界因素的影响有限！即各 基团有其自已特征的吸收谱带。
通常，基团频率位于4000~1300cm-1之间。可 分为三个区。
0.001 nm ~10nm 10 nm ~200nm 200 nm ~400nm
400 nm ~7560nm 0.756mm ~2.5mm
2.5mm ~50mm
50mm ~1000mm
0.1 cm ~100cm 1m ~1000m
跃迁能级类型
原子核能级
内层电子能级
价电子或成键电 子能级
价电子或成键电 子能级
定性分析。
（4）可同时测定多种元素或化合物 省去复杂的分
离操作
5
（5）选择性好 可测定化学性质相近的元素和化合
物。如测定铌、钽、锆、铪和混合稀土氧化物
（6）灵敏度高 可利用光谱法进行痕量分析。目前
相对灵敏度可达到千万分之一至十亿分之一，绝对灵敏度 可达10-8g~10-9g
（7）样品损坏少 可用于古物以及刑事侦察等领域
m1m2 ( g ) m1 m2
13
影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力 常数 k 和原子质量。
k 大，化学键的振动波数高，如: kCC(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)
（质量相近）
质量m大，化学键的振动波数低，如: mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1) (力常数相近）
●光谱法的应用 开创了化学和分析化学的新纪 元：不少化学元素通过光谱分析发现；已广泛地 用于地质、化工、医药等许多方面：是常用的灵 敏、快速、准确的近代仪器分析方法之一
3
波谱区名称
射线
X射线
远紫外 光
近紫外 光
光 可见光 学
光 谱 区
近红外 光
中红外 光
远红外Βιβλιοθήκη Baidu光
微波
射频(无线电
波长范围
0.005 nm~0.14nm
简正振动
整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简 谐振动且频率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为
所有上述简谐振动的线性组合。
简正振动基本形式
伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变
的振动。
变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振
动。又称弯曲振动或变角振动。
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条件一：只有偶极矩发生变化的振动才能吸收红外辐射
（1）分析速度较快 原子发射光谱用于炼钢炉前的分
析，可在l～2分钟内，同时给出二十多种元素的分析结果
（2）操作简便 有些样品不经任何化学处理，即可直
接进行光谱分析。在毒剂报警、大气污染检测等方面，采 用分子光谱法遥测，不需采集样品，在数秒钟内，便可发 出警报或检测出污染程度
（3）不需纯样品 只需利用已知谱图，即可进行光谱
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双原子分子振动的机械模型 -谐振子振动
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2. 分子振动 1）双原子分子振动
分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅(与 核间距相比_作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚 性振动描述：
(频) 率 2 1 k.....或 ...(波 .. ) 数 2 1 c k
k为化学键的力常数（dyn/cm) ; c=3 1010cm/s; 为双原子 折合质量
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红外光谱
(0.75~1000m)
红外光区划分
近红外(泛频）
(0.75~2.5 m)
13158~4000/cm-1
中红外(振动区)
(2.5~25 m)
4000~400/cm-1
远红外(转动区)
(25-1000 m)
400~10/cm-1
分区及波长范围
倍频 分子振动转动 (常用区)
分子转动 跃迁类型
●局限性 光谱定量分析建立在相对比较的基础上，必
须有一套标准样品作为基准，而且要求标准样品的组成和 结构状态应与被分析的样品基本一致，这常常比较困难
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红外光谱
❖ 定义：样品受到频率连续变化的红外光照射时，
分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转 动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃
迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱， 记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即 为红外光谱。 ❖ 红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收 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
价电子或成键电 子能级
分子振动能级
分析方法 放射化学分析法
X射线光谱法 真空紫外光度法 紫外分光光度法
比色法、可见分光 光度法
近红外光谱法
原子振动/分子转 动能级
分子转动、晶格 振动能级
电子自旋、分子 转动能级
磁场中核自旋能
中红外光诸谱法 远红外光清谱法
微波光谱法 核磁共振光谱法 4
光谱分析法的特点
振动能量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键 之间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构(内因)和 所处的化学环境(外因)有关。
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苯衍生物的红外光谱图
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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。
第二章 红外光谱法
1
整体概述
概况一
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概况三
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●光 一种电磁波或电磁辐射。
●光学分析法 建立在物质光学光谱性质上的分 析方法
●光谱法的发展史 1858～1859年间，德国化学 家本生和物理学家基尔霍夫奠定了光谱分析法的 基础。他们被公认为光谱分析法的创始人
电场
无偶极矩变化
无红外吸收
磁场
红外吸收
交变磁场
分子固有振动
a
偶极矩变化
（能级跃迁）
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条件二：红外辐射的能量应与振动能级差相等。 根据量子力学原理，分子振动能量En 是量子化的，即
En=(n+1/2)h 为分子振动频率，n为振动量子数，其值取 0，1，2，…
分子中不同振动能级差为
En= nh 也就是说，只有当En=Ea或者a= n时，才可能发生振 转跃迁。例如当分子从基态(n=0)跃迁到第一激发态(n=1)， 此时n=1，即a=
峰强度可用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)、很弱 (vw)等来表示。
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基团频率
通过对大量标准样品的红外光谱的研究，处于 不同有机物分子的同一种官能团的振动频率变化 不大，即具有明显的特征性。
这是因为连接原子的主要为价键力，处于不 同分子中的价键力受外界因素的影响有限！即各 基团有其自已特征的吸收谱带。
通常，基团频率位于4000~1300cm-1之间。可 分为三个区。
0.001 nm ~10nm 10 nm ~200nm 200 nm ~400nm
400 nm ~7560nm 0.756mm ~2.5mm
2.5mm ~50mm
50mm ~1000mm
0.1 cm ~100cm 1m ~1000m
跃迁能级类型
原子核能级
内层电子能级
价电子或成键电 子能级
价电子或成键电 子能级
定性分析。
（4）可同时测定多种元素或化合物 省去复杂的分
离操作
5
（5）选择性好 可测定化学性质相近的元素和化合
物。如测定铌、钽、锆、铪和混合稀土氧化物
（6）灵敏度高 可利用光谱法进行痕量分析。目前
相对灵敏度可达到千万分之一至十亿分之一，绝对灵敏度 可达10-8g~10-9g
（7）样品损坏少 可用于古物以及刑事侦察等领域
m1m2 ( g ) m1 m2
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影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力 常数 k 和原子质量。
k 大，化学键的振动波数高，如: kCC(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)
（质量相近）
质量m大，化学键的振动波数低，如: mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1) (力常数相近）
●光谱法的应用 开创了化学和分析化学的新纪 元：不少化学元素通过光谱分析发现；已广泛地 用于地质、化工、医药等许多方面：是常用的灵 敏、快速、准确的近代仪器分析方法之一
3
波谱区名称
射线
X射线
远紫外 光
近紫外 光
光 可见光 学
光 谱 区
近红外 光
中红外 光
远红外Βιβλιοθήκη Baidu光
微波
射频(无线电
波长范围
0.005 nm~0.14nm