材料测试与研究方法 第三章 红外吸收光谱

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
E振转 hc 振 B[ J ' ( J '1) J ( J 1)]
根据振动特点,可将化合物分为以下两种类型: ♫振动过程中分子的偶极矩变化平行于分子轴,服从ΔJ=±1的 选律; ♫振动过程中分子的偶极矩变化垂直分子轴,其选律服从 ΔJ=0,±1…..。
第三节
红外光谱与分子结构的关系
峰位置与官能团的关系
影响吸收峰位置的因素:
1、电子效应
(1)诱导效应:由于取代基的不同电负性,通过 静电诱导作用,使分子中电子云分布发生变化从 而引起化学键力常数的变化,影响基团振动频率, 这种作用称为诱导效应。 分为推电子诱导效 应(+I)和吸电子诱导效应(-I)两种。
诱导效应是沿化学键直接作用的,与分子的空间结构无关。
2ν2m=K
(5)
将式(4)和式(5)代入式(3)得4π
1 2
K m
(6)
1 如用波数表示频率,则式(6)变为 2C
K为化学键力常数,单位达因·厘米-1
K m
1
(7)
m1 m2 m m为分子的折合质量,对双原子分子来说: 1 1 m1 m2 m1 m2
力常数是衡量价键性质的重要参数,质量相近的基团,力常 数有: 叁键〉双键〉单键。
2、基团频率区的划分
区域名称 氢键区 频率范围 4000~2500c m-1
基团及振 O-H、C-H、 C C、C N、N N等 C=O、C=C、 C-C、C-O、 动形式 N-H等的含 叁键和C=C=C、 C=N、NO2、苯 C-N、C-X(X 为卤素)等单 氢基团的伸 N=C=O等累积双键 环等双键基团 缩振动 基团的伸缩振动 的伸缩振动 键的伸缩振动 及C-H、O-H 等含氢基团的 弯曲振动
2)对于化学键相似的基团,振动频率与组成的原 子折合质量的平方根成反比。
基团振动频率与原子折合质量的关系
基团 折合质量(m) 振动频率(ζ /cm-1)
C-H C-C
C-Cl C-I
0.9 6
7.3 8.9 叁键和累积双键区 2500~2000cm-1
2800~3100 约1000
约625 约500 双键区 2000~1500cm-1 单键区 1500~400cm-1
环戊烷的红外光谱图 环戊烷的红外光谱用文字形式表示为:2955cm-1(s)为CH2的 反对称伸缩振动,2870cm-1(m)为CH2的对称伸缩振动, 1458cm-1(m)为CH2的面内弯曲振动等等。
第二节
红外吸收光谱的基本原理
一、红外光谱产生的基本条件
E红外光=ΔE分子振动
红外光与分子之间有偶合作用,即分子振动时 其偶极矩(μ )必须发生变化,即Δμ ≠0。
第三章 红外吸收光谱 (Infrared Absorption Spectroscopy,IR)
一、教学目的与要求 了解红外光谱的特点、波长分区;掌握红外吸收 光谱产生的条件及分子振动光谱方程式;理解分 子振动频率的规律;掌握红外光谱中的振动吸收 峰类型;掌握基团频率区的划分;理解影响基团 频率位移和强度的因素;了解红外光谱仪的分类 及样品制备方法;理解红外光谱图的解析步骤和 注意事项;掌握拉曼光谱的原理。 二、学习重点及难点分析 • 重点:红外光谱的产生条件;基团结构与振动频 率的关系;影响基团频率位移的因素分析;拉曼 光谱的工作原理。 • 难点:各类化合物的红外特征光谱谱图解析。
红外光谱中的振动吸收峰:
基频:分子吸收红外光后由基态跃迁到第一激发态时产生 的吸收峰,是最重要的跃迁; 倍频:分子吸收红外光后,由振动能级基态跃迁到第二、 第三激发态时所产生的吸收峰;
组合频:是一种频率红外光,同时被两个振动所吸收。
组合频和倍频统称为泛频。 振动偶合::当相同的两个基团相邻,且振动频率相近时, 会发生振动偶合裂分,结果引起吸收频率偏离基频,一个 移向高频方向,另一个移向低频方向。 费米共振:是基频与倍频或组合频之间发生的振动偶合。
红外光谱法的特点:
适用范围广; 不破坏样品,对样品任何状态都适用;
特征性高;
分析时间短;
所需样品用量少,且可以回收。
红外光的波长范围:0.76um~1000um。 红外区域的划分
分区 近红外区 波长范围 0.76um~2.5um 研究内容 O-H、N-H、C-H键的 倍频和组频吸收,吸收 峰强度较弱 分子的振动能级跃迁, 绝大部分有机、无机化 合物基频吸收
m A mB
因刚体绕定轴转动,转子没有势能,只有动能,所以体系的 总能量等于转动动能: E 1 m V 2 1 m V 2 A A B B 转 2 2
原子运动的速度等于它们离中心的距离rA和rB与角速度ω 的 2 1 P 2 乘积,则转子的转动能量: E转 I P为角动量 2 2I
对称伸缩振动(νs表示)
一、分子的振动形式
伸缩振动(键长变化) 非对称伸缩振动(νas表示) 振动类型 剪式振动(δ 表示) 面内 平面摇摆振动(r或ρ 表示) 变形振动(键角变化) 面外 垂直摇摆振动(ω 表示) 扭曲振动
(η 或t表示)
一个双原子分子只有对称伸缩振动一种振动形式。
亚甲基的伸缩振动
常把前三个区域,即4000~1500cm-1区域称为特 征频率区——吸收峰数目少,特征性强,主要用 于鉴定官能团; 把小于1500cm-1的区域称为指纹区——吸收峰多 而复杂,没有强特征性,但对整个分子结构十分 敏感,可与红外光谱的标准谱图比较来鉴定化合 物。
三、影响基团频率位移的因素
对官能团的识别要考虑吸收峰的频率(峰的位置)、 峰的强度、峰形等多方面信息。
• 极性分子转动时有偶极矩变化,允许转动 能级跃迁,跃迁选律ΔJ=±1。
四、分子的振动与转动光谱及方程式
以双原子分子为例,当分子处于某一能级时,其能 量为:E E E [V 1/ 2]h BhcJ( J 1)
振转 振 转
当分子受激发产生跃迁时,对应的谱线波数频率为:
振转
三、分子的转动光谱及方程式
分子的转动光谱主要出现在远红外区和微波区。
分子的转动能级
e A B m r m B rB 上图中A、B两原子有如下关系: A A
r r r
mB rA re m A mB mA rB re m A mB
体系的转动惯量 I m A rA2 mB rB2 m A mB re2 m re2

2
2
m
2
(V=0,1,2…..为振动量子数)
量子化是粒子波动性的产物。
假如双原子分子的振动满足量子化条件,则能级跃迁的能量差:
E01 h 2 K 1 h (1 ) m 2 4 K h m 2 K m
1 将上式代入 ΔE=hν,则其振动频率为: 2
K m
1 2C
量子力学证明角动量为: P I h
2 则双原子分子的转动能量: h2 E转 2 J ( J 1) 8 I E h 分子转动频率为: B 转 BJ ( J 1) 2
hc
J ( J 1)
J=1,2…转动 量子数
8 Ic
Fra Baidu bibliotek转动常数
转动能级的跃迁选律为:
• 非极性双原子分子转动时无偶极矩变化, 不发生转动能级的跃迁,ΔJ=0,没有转动 光谱;
三、授课主要内容
• 第一节 概述
• 第二节 红外吸收光谱的基本原理
• 第三节 红外光谱与分子结构的关系
• 第四节 红外光谱仪及样品制备技术 • 第五节 各类化合物的红外特征光谱 • 第六节 红外光谱图的解析 • 第七节 红外光谱的应用 • 第八节 拉曼光谱简介
第一节
概述
红外光谱是一种分子吸收光谱,又称为分子振动光 谱或振转光谱。
(2)中介效应:氧、氮和硫等原子有孤电子对,能与 相邻的不饱和基团共轭,为了与双键的π 电子云共 轭相区分,称其为中介效应(M)。 此效应能使不饱和基团的振动频率降低,而自身连接 的化学键振动频率升高。 电负性弱的原子,孤对电子容易共出去,中介效应大; 反之中介效应小。
(3)共轭效应:当双键之间以一个单键相连时, 双键电子发生共轭而离域(即共轭体系中电子云 密度平均化),降低了双键的力常数,从而使双 键的伸缩振动频率降低,但吸收强度提高。
二、红外光谱的分区
1、基团结构与振动频率的关系
1)对于具有相同(或相似)质量的原子基团,振动 频率与化学键的力常数K的平方根成正比。
基团 C C C=C C-C 化学键力常数(K/Ncm-1) 12~18 8~12 4~6 振动频率(ζ /cm-1) 2262~2100 1600~1680 1000~1300(弱)
2、空间效应
当考虑微观粒子波动性时,须引入量子力学的概念。
量子力学的观点认为:当分子吸收红外光,引起分子 振动与转动能级的跃迁,要满足一定的量子化条件 (选律)。
(选律:原字或分子与电磁波相互作用,从一个能量状态跃 迁到另一个能量状态要服从一定的规律。)
双原子分子的势能曲线
根据量子力学观点,作谐振动粒子的波动方程是薛 1 h K 1 定谔波动方程: E (V )h (V )
二、分子的振动光谱及方程式
由简谐振动有:f=-KΔr
(1)
K:化学键的力常数
由力学关系有:f=ma
(2)
(3) (4)
d 2 (r ) 由(1)(2)得: m Kr 2 dt
ν为振动频率,A为投影常数。
简谐振动中质点的位移可表示为:Δr=Acos2π νt
对(4)式求导得到
d 2 (r ) 2 2 4 A cos2t 2 dt
亚甲基的弯曲振动
红外吸收强度及其表示符号
摩尔消光系数ε >100 20~100 峰强 峰很强 强峰 符号 Vs s
10~20
1~10
中强峰
弱峰
m
w
另外,用b表示宽峰,用sh表示大峰边的小肩峰。
红外光谱谱带的强度取决于: 振动中偶极矩变化的程度; 能级跃迁的概率。
偶极矩变化的大小与以下四个因素有关:
中红外区
2.5um~25um
远红外区
25um~1000um 分子的纯转动能级跃迁 及晶体的晶格振动
红外光谱图的表示方法:
以透过率T%为纵坐标,表示吸收强度; 以波长λ 或波数ζ 为横坐标,表示吸收峰的位置。 波数是频率的一种表示方法,表示每厘米长的光波 4 10 中波的数目。与波长关系为: (cm 1 ) (um) 红外光谱图通过吸收峰的位置、相对强度、峰的形 状提供化合物的结构信息。
分子的偶极矩是分子正、负电荷中心的距离(r) 与正、负电荷中心所带电荷(δ )的乘积,是 分子极性大小的一种表示方法。 r
红外光谱产生的第二个条件是保证红外光的能量能 传递给分子,能量的传递是通过分子振动偶极矩 的变化来实现的。
偶极子在交变电场中的作用
发生偶极矩变化的振动称为红外活性的;反之 称为非红外活性的。
K m
1 1 对于非谐振子,振动能量为: E振 (V )h (V ) 2 Xh 2 2
(X为非谐性常数,表示非谐性大小的量。) 根据两原子的折合质量m与相对原字量M之间的关系 (M=mN),N为阿佛加得罗常数,并代入C=3×1010cm· s-1 K 可得 4.12 M:相对原子量 M 例1 、计算碳氢化合物中C-H键的伸缩振动频率,已知 K=5×105dyn· cm-1。 例2 、计算C=O双键的伸缩振动频率,已知K=12×105dyn· cm-1。
原子的电负性。化学键两端的原子之间电负性差 别越大,伸缩振动引起的红外吸收越强,故吸收 峰强度为:νOH>νC-H>νC-C;
振动方式。反对称伸缩振动>对称伸缩振动;伸缩 振动>变形振动;
分子的对称性。结构为中心对称的分子,若振动 也以中心对称,则偶极矩变化为零,如CO2。
其他因素。(氢键的形成使吸收峰变强;与极性 基团共轭使吸收峰增强;费米共振)
分子振动频率的规律:
因力常数的大小关系为: 叁键〉双键〉单键,所以 红外频率的大小亦为叁键〉双键〉单键。 与碳原子成键的其他原子,随着其原子质量的递 增,折合质量也递增,红外波数递减; 与氢原子相连的化学键的折合质量都小,红外吸 收在高波数区;
弯曲振动比伸缩振动容易,弯曲振动的K均较小, 故弯曲振动吸收在低波数区。
相关文档
最新文档