材料测试与研究方法 第三章 红外吸收光谱
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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
振
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。
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
振
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。