第八章 红外光谱分析
红外光谱分析.
红外光谱分析序言二十世纪初叶，Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。
到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。
当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。
红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）是其他光谱技术难以替代的。
因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。
一、基本原理1、基本知识光是一种电磁波。
可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。
表1列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。
通常红外光谱系指2-25μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1(2.5-15.4μ)或4000-400cm-1。
这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振动运动的同时还存在转动运动。
在红外光谱区实际所测得的图谱是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。
每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。
红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。
光学中的一个基本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C为光速(3×1010cm/s)。
设υ为波数，其含义是单位长度(1cm)中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1)＝104/波长(μ)波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。
目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。
红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。
2、红外光谱的几种振动形式主要的基本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。
(1)伸缩振动(υ)沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。
红外光谱分析
红外光谱分析2.1 概述红外光谱法（Infrared Spectroscopy）研究红外光与物质间相互作用的科学，即以连续变化的各种波长的红外光为光源照射样品时，引起分子振动和转动能级之间的跃迁，所测得的吸收光谱为分子的振转光谱，又称红外光谱。
傅里叶光谱法就是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。
和传统的色散型光谱仪相比较，傅里叶光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信息进行编码的摄谱仪，它能同时测量、记录所有谱元信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，从而使它具有比传统光谱仪高得多的信噪比和分辨率；同时它的数字化的光谱数据，也便于数据的计算机处理和演绎。
正是这些基本优点，使傅里叶变换光谱方法发展为目前红外和远红外波段中最有力的光谱工具，并向近红外、可见和紫外波段扩展。
红外区可分为以下几个区域如表2.1所示。
表2.1 红外光谱区域的划分红外光谱在化学领域中的主要用于两方面，一是分子结构的基础研究，应用红外光谱可以测定分子的键长、键角，以此推断出分子的立体构型；根据所得的力常数可以知道化学键的强弱；由简正频率来计算热力学函数。
二是对物质的化学组成的分析，用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。
物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。
其中应用最广泛的还是化合物的结构鉴定，根据红外光谱的峰位、峰强及峰形判断化合物中可能存在的官能团，从而推断出未知物的结构。
通过比较大量已知化合物的红外光谱，发现组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和CoC等，都有自己的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。
通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。
另外除光学异构体及长链烷烃同系物外，几乎没有两种化合物具有相同的红外吸收光谱，即所谓红外光谱具有“指纹性”，特征区：4000-1300cm-1 高频区光谱与基团的对应关系强，指纹区：1300-400cm-1 低频区光谱与基团不能一一对应，其价值在于表示整个分子的特征。
第八章有机化合物的波谱分析
1H核的I=1/2，当它围绕自旋轴转动时就产生了磁场，
因质子带正电荷，根据右手定则可确定磁场方向。
氢核在外磁场中的两种取向示意图 ΔE与外磁场感应强度（B0）成正比，如下图及关系式 所示：
图 8-6 质子在外加磁场中两个能级与外磁场的关系
h E B 0 h 2
B 0 （8-4） 2
式中：γ称为磁旋比，是核的特征常数，对1H而言， 其值为2.675×108A·m2·J-1·s-1；h为Plank常量；ν无线电 波的频率。
因为只有吸收频率为ν的电磁波才能产生核磁共振， 故式（8-4）为产生核磁共振的条件。 ⑵核磁共振仪和核磁共振谱
被测样品溶解在CCl4、CDCl3、D2O等不含质子的溶 剂中，样品管在气流的吹拂下悬浮在磁铁之间并不停的旋 转，使样品均匀受到磁场作用。
化学键类型
伸 缩 振 动
－N－H sp C－H sp2 C－H sp3 C－H sp2 C－O sp3 C－O
化学键类型
特征频率/cm-1（化合物类型） 1680~1620(烯烃) 1750~1710(醛、酮) 1725~1700(羧酸） 1850~1800，1790~1740(酸酐) 1815~1770(酰卤) 1750~1730(酯) 1700~1680(酰胺) 1690~1640(亚胺、肟) 1550~1535,1370~1345(硝基化合物） 2200~2100(不对称炔烃) 2280~2240(腈)
低场
高场
外加磁场 B0
因而，质子核磁共振的条件应为：
B实 B 0(1 ) 2 2
(8-6)
对质子化学位移产生主要影响的屏蔽效应有两种： ①核外成键电子的电子云密度对所研究的质子产生的 屏蔽作用，即局部屏蔽效应。 ②分子中其它质子或基团的核外电子对所研究的质子 产生的屏蔽作用，即远程屏蔽效应（磁各向异性效应）。 综上所述，不同化学环境的质子，受到不同程度的屏 蔽效应，因而在核磁共振谱的不同位置出现吸收峰，这种 峰位置上的差异称为化学位移。
红外光谱分析
峰强度的表示方法：用摩尔吸收系数表示
决定峰强度的因素:震动过程中偶极矩的变化,能 级跃迁的几率 对于倍频峰来说， 跃迁几率很低，结果峰强反 而很弱。 对于基频峰来说，主要决定于振动过程中偶极矩 的变化，而偶极矩 与以下几个因素有关 1 原子的电负性 2 化学键的振动形式 3 分子的对称性 4 基频峰，倍频峰和组频峰 5 氢键的形成 6 与偶极矩大的基团共轭
影响红外吸收谱带位移的因素
• • • • • • • 诱导效应与共轭效应 键应力效应（张力效应） 空间效应 氢键效应 振动的偶合与费米共振 物态变化的影响 溶剂的影响
红外吸收谱带
当用一束具有连续波长的红外光照射物质时，该物
质的分子就会吸收一定波长的红外光的光能，并转化为 分子的振动能量和转动能量。以波长或波数横坐标，以 百分透过率或吸收率为纵坐标，记录其吸收曲线，即得 到该物质的红外吸收光谱。
振动的偶合与费米共振
如果一个分子的两个基 团位置很靠近，它们的振动 频率几乎相同，并且有对称 性，其相应的特征吸峰常发 生分裂，使谱带在一分为二，原谱带位置的高频和 低频的一侧各处现一条谱带 当分子中的一个基团振动的倍频和合频与另一 个基团的振动频率相近，并具有相同的对称性时， 也能产生共振使谱带分裂，并使强度很弱的倍频或 合频谱带异常的增强这种现象就是费米共振
• 基本概念 红外光谱，通常是指有机物质在 4000~400cm-1红外线的照射下，选择 性的吸收其中某些频率后，用红外光 谱仪记录所形成的吸收谱带。
• 影响红外吸收峰的因素
红外吸收峰的位置 与分子振动能级跃迁间能关系 红外吸收峰的数目 与分子振动自由度的关系
红外吸收峰的强度 与分子偶极矩间的关系
原子间的距离
红外光谱识谱的一般程序
第八章红外光谱和核磁共振氢谱IRandHNMR
伸 1 )
(cm-
说 明 羰基有共轭时吸收 波数降低
羧酸
OH C=O C=O C=O C=O NH2 CN
酰卤 酸酐 酯 酰胺 晴
四 、红外光谱 解析实例 四 、红外光谱 解析实例
实例一
C8H7N
红外波谱分析
第一节：概述1、红外吸收光谱与紫外吸收光谱一样是一种分子吸收光谱。
红外光的能量（△E=0.05-1.0ev）较紫外光（△E=1-20ev）低，当红外光照射分子时不足以引起分子中价电子能级的跃迁，而能引起分子振动能级和转动能级的跃迁，故红外吸收光谱又称为分子振动光谱或振转光谱。
2、红外光谱的特点：特征性强、适用范围广。
红外光谱对化合物的鉴定和有机物的结构分析具有鲜明的特征性，构成化合物的原子质量不同、化学键的性质不同、原子的连接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的差别。
红外光谱对样品的适用性相当广泛，无论固态、液态或气态都可进行测定。
3、红外光谱波长覆盖区域：0.76 mm ~ 1000mm.红外光按其波长的不同又划分为三个区段。
（1）近红外：波长在0.76-2.5mm之间（波数12820-4000cm-1）（2）中红外：波长在2.5-25mm（在4000-400 cm-1）通常所用的红外光谱是在这一段的（2.5-15mm，即4000-660 cm-1）光谱范围，本章内容仅限于中红外光谱。
（3）远红外：波长在25~1000mm（在400-10 cm-1）转动光谱出现在远红外区。
4、红外光谱图：当物质分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时，分子就要吸收能量，从原来的振动能级跃迁到能量较高的振动能级，将分子吸收红外光的情况用仪器记录，就得到红外光谱图。
5、红外光谱表示方法：（1）红外光谱图红外光谱图以透光率T ％为纵坐标，表示吸收强度，以波长l ( mm) 或波数s (cm-1)为横坐标，表示吸收峰的位置，现主要以波数作横坐标。
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）。
通过吸收峰的位置、相对强度及峰的形状提供化合物结构信息，其中以吸收峰的位置最为重要。
（2）将吸收峰以文字形式表示：如下图可表示为，3525cm-1（m)，3097cm-1(m)，1637cm-1(s)。
这种方法指出了吸收峰的归属，带有图谱解析的作用。
红外光谱分析
红外光谱分析简介红外光谱分析是一种用来研究物质的化学组成和分子结构的分析方法。
通过测量样品对特定波长的红外辐射的吸收情况，可以获得关于样品中官能团和化学键的信息。
红外光谱分析广泛应用于化学、材料科学、药学以及生物科学等领域。
原理红外光谱分析是基于物质分子与特定波长的红外光相互作用的原理。
红外光的频率范围在可见光和微波之间，对应的波长范围为0.78-1000 μm。
物质分子吸收红外辐射的能量与分子振动和转动有关。
不同官能团和化学键的振动和转动模式对应不同的红外光谱峰。
仪器原理红外光谱仪是用来获得红外光谱的仪器。
一般由光源、样品室、光学系统和检测器组成。
光源通常使用红外灯或红外激光器，产生红外光。
样品室用于放置样品，通常使用红外透明的材料制成，如钾溴化物（KBr）窗片。
光学系统用于收集经过样品的红外光并分离不同波长的光。
检测器用于测量通过光学系统的红外光的强度。
样品制备在进行红外光谱分析之前，需要对样品进行适当的处理和制备。
一般情况下，样品制备包括以下几个步骤：1.清洗：将样品表面的杂质和污垢去除，以避免对测量结果的干扰。
2.粉碎：将固体样品研磨成细粉末，以提高样品的均匀性和透明度。
3.混合：对于含量较低的样品，可以将其与适量的基质混合，以提高测量的灵敏度和准确性。
4.压片：将粉碎的样品和基质混合均匀后，使用压片机将其压制成透明薄片。
数据解析红外光谱的数据解析主要包括以下几个步骤：1.基线校正：去除光谱中的基线漂移，使得光谱能够更好地展示样品的吸收特征。
2.峰鉴定：通过与已知化合物的红外光谱进行比对，确定光谱中各个峰的对应官能团或化学键。
3.峰强度分析：根据光谱峰的高度或面积，可以估算出样品中不同官能团或化学键的相对含量。
4.结构分析：根据官能团和化学键的信息，推测样品的分子结构和化学组成。
应用领域红外光谱分析在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于：1.化学分析：通过红外光谱分析，可以对化学品进行定性和定量分析，同时也可以用于分析反应过程中的中间产物和副产物。
08红外光谱分析.
饱和烃
C-H伸缩振动：对称伸缩振动（ν s）和反对称 伸缩振动（ν as） ，在3000-2800cm-1之间， ν as较ν s在较高频率。 C-H弯曲振动：1475-1300 cm-1 ，甲基的对 称变形振动出现在1375 cm-1处 ，对于异丙基 和叔丁基，吸收峰发生分裂。 C-C平面摇摆：800-720cm-1对判断-(CH2)n-的 碳链长度有用， n>4 725, n=3 729726, n=2 743-734, n=1 785-770 C-C伸缩振动：1253-800cm-1， 对结构分析作 用不大。
质量效应
含氢基团的氢被氘取代后，基团的吸收频 率会向低波数方向移动。
X H 2 X D
影响红外光谱吸收强度的因素
极性大的基团，吸收强度大，C=O 比 C=C 强， CN 比 C C 强 使基团极性降低的诱导效应使吸收强度减小， 使基团极性增大的诱导效应使吸收强度增加。 共轭效应使π电子离域程度增大，极化程度增 大，吸收强度增加。 振动耦合使吸收增大，费米共振使倍频或组频 的吸收强度显著增加。 形成氢键使振动吸收峰变强变宽。 能级跃迁的几率，v=0 v=2 比 v=0 v=1 能阶大，但几率小，吸收峰弱
980-965
840-790
1-己烯红外光谱图
丙二烯类
两个双键共用中间碳原子，耦合强烈， 1600厘米-1无吸收，在2000-1915 cm-1和 1100-1000 cm-1附近有不对称和对称伸缩 振动，两峰相距900 cm-1，前者为中强峰， 后者为弱峰。
炔烃
炔键C-H伸缩振动：3340-3300厘米-1，波 数高于烯烃和芳香烃，峰形尖锐。 CC叁键伸缩振动：2100厘米-1 ，峰形尖锐， 强度中到弱。干扰少，位置特征。末端炔 基该吸收强。分子对称性强时，该吸收较 弱。
红外光谱分析
红外光谱分析简介红外光谱分析（Infrared Spectroscopy）是一种常用的分析技术，用于研究物质的结构和组成。
通过测量物质对红外辐射的吸收和散射情况，可以获取有关分子振动和结构的信息。
红外光谱分析广泛应用于有机化合物的鉴定和定量分析、材料分析、环境和食品安全监测等领域。
原理红外光谱分析基于物质分子的振动和转动产生的谱线。
大部分物质的振动频率位于红外光谱范围内，因此该技术可以用来研究物质的结构和组成。
红外光谱分析的原理可概括为以下几个方面：1.吸收谱线：物质分子在特定波长的红外辐射下，会吸收特定频率的红外光，产生吸收谱线。
不同官能团或结构单位的振动频率不同，因此吸收谱线可以用来识别物质的组成和结构。
2.波数：红外光谱中使用波数来表示振动频率。
波数与波长的倒数成正比，常用的单位是cm-1。
波数越大，振动频率越高。
3.力常数：物质分子中的振动频率受到分子内力的限制，可以通过量化力常数来描述。
力常数与振动能量相关，可以通过红外光谱数据计算得到。
4.傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR是一种常用的红外光谱仪器，利用傅里叶变换原理将红外辐射的吸收信号转换为频率谱线。
FTIR具有快速、高分辨率和高灵敏度的特点，适用于各种物质的分析。
实验步骤进行红外光谱分析通常需要以下步骤：1.样品制备：将待分析的样品制备成适当形式，如固体样品可以通过压片或混合胶制备成薄片，液体样品可以直接放置在红外吸收盒中。
在制备过程中需要注意去除杂质和保持样品的均匀性。
2.仪器校准：使用已知物质进行仪器校准，确保红外光谱仪的准确性和灵敏度。
校准样品通常是有明确红外光谱特征的化合物，如苯环等。
3.获取红外光谱：将样品放置在红外光谱仪中，启动仪器进行红外辐射的扫描。
扫描过程中，红外光谱仪会记录样品对吸收红外辐射的响应。
得到光谱数据后，可以进行后续的数据处理和分析。
4.数据处理和分析：利用软件工具对得到的光谱数据进行处理和分析。
红外光谱分析课件
7
2.2.2 分子振动方程式 (1) 双原子分子的简谐振动及其频率
化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧
分子的振动能级（量子化）：
E振=（V+1/2）h V ：化学键的 振动频率； ：振动量子数。
24
影响基团频率位移的具体因素
❖ 电子效应 ❖ 空间效应 ❖ 氢键
25
1）电子效应
a．诱导效应：通过静电诱导作用使分子中电子云分布发生变
化引起K的改变，从而影响振动频率。
R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ;
R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COF C=0 1920cm-1 ;
4
2.2 红外光谱的基本原理
2.2.1 红外光谱产生的条件
满足两个条件： (1) 辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2) 辐射与物质间有相互偶合作用。
1） E红外光=ΔE分子振动 或υ红外光=υ分子振动
2） 红外光与分子之间有偶合作用：分子振动时其偶极矩(μ) 必须发生变化，即Δμ≠0。
8
(2) 分子振动方程式
任意两个相邻的能级间的能量差为：
E h h k 2
1 1 k 1307 k
2c
K化学键的力常数，与键能和键长有关， （为m双1+原m2子）的折合质量 =m1m2/
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于
键两端原子的折合质量和键的力常数，即
取决于分子的结构特征。
35
还有一种氢键是发生在OH或NH与C=O之间的，如羧 酸以此方式形成二聚体：
红外光谱详解课件
06
习题与思考题
基础概念题
题目1
简述红外光谱的基本原理
答案1
红外光谱是利用物质对红外光的吸收特性来研究物质分子结构和组成的一种方法。当红 外光与物质分子相互作用时，某些波长的光被吸收，形成特定的光谱图，通过分析这些
光谱图可以了解物质分子的振动和转动能级。
基础概念题
要点一
题目2
列举红外光谱中的主要吸收区域
要点二
答案2
红外光谱主要分为四个吸收区域，分别是近红外区（ 12500-4000 cm^-1）、中红外区（4000-400 cm^-1） 、远红外区（400-10 cm^-1）和超远红外区（10-5 cm^-1）。其中中红外区是研究分子振动和转动能级的主 要区域。
光谱解析题
题目3
根据给定的红外光谱图，分析可能的物质组 成
分子转动
02
分子除了振动外，还会发生转动，转动也会产生能量变化，从
而吸收特定波长的红外光。
分子振动和转动与红外光谱的关系
03
分子振动和转动产生的能量变化与红外光的能量相匹配时，光
子会被吸收，形成红外光谱。
分子振动与转动
振动模式
分子中的原子或分子的振动模式决定 了其吸收特定波长的红外光。不同化 学键或基团具有独特的振动模式，形 成了特征的红外光谱。
镜反射后相干叠加。
检测器
检测器用于检测干涉仪产生的相干 光束，将光信号转换为电信号。
光谱采集系统
光谱采集系统负责收集检测器输出 的电信号，并将其转换为光谱数据 。
傅里叶变换红外光谱技术
傅里叶变换
傅里叶变换是一种数学方法，用于将干涉图转换为光谱图 。通过傅里叶变换，可以获得样品的红外光谱。
分辨率
第8章红外光谱分析
第八章红外光谱分析自测试题一、判断题〔对的打√, 错的打×〕1、Cl2、H2O分子的振动可以引起红外吸收而产生吸收谱带。
( ×)2、在红外光谱中≡C-H 的吸收波数大于 -CH2-H。
〔√〕3、化合物的不饱和度为2时, 化合物中可能含有两个双键, 或一个双键和一个环, 或一个三键。
〔√〕4、红外光谱可区别分子的顺反异构，但不能区分手性分子。
〔√〕5、烯烃分子的对称性越强，C=C双键的振动吸收越强。
( ×)6、H2O分子中的H-O-H对称伸缩振动不产生红外吸收。
( ×)7、从红外光谱有无羰基的特征吸收可区分醇和酸。
〔√〕二、选择题1、下面四种气体，不吸收红外光的有〔 D 〕A、H2OB、CO2C、CH4D、N22、在有机化合物的红外吸收光谱分析中，出现在4000~1350cm-1频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团，这一段频率范围称为〔 B 〕A、指纹区B、基团频率区C、基频区D、和频区3、并不是所有的分子振动形式其相应的红外谱带都能观察到，这是因为：〔 B 〕A、分子既有振动运动，又有转动运动，太复杂B、分子中有些振动能量是简并的C、分子中某些振动能量相互抵消了D、因为分子中有H、C、H、O以外的原子存在4、甲烷分子的振动自由度是〔 C 〕A、5B、6C、9D、105．丁二烯中C=C伸缩振动如下：有红外活性的是〔B 〕A．CH2═CH—CH═CH2B．CH2═CH—CH═CH2 A．A B．B C．A、B都有D．A、B都没有6、某物质能吸收红外光波，产生红外吸收谱图，那么分子构造必然是〔 C 〕A、具有不饱和键B、具有共轭体系C、发生偶极矩的净变化D、具有对称性7、红外光谱仪使用的光源是〔 B 〕A、空心阴极灯B、能斯特灯C、氘灯D、碘钨灯8、在含羰基的分子中，增加羰基的极性会使分子中该键的红外吸收带〔 B 〕A、向高波数方向移动B、向低波数方向移动C、不移动D、稍有振动9、不考虑费米共振的影响，以下伸缩振动吸收峰最强的是〔 D 〕A、C—HB、N—HC、P—HD、O—H10、羰基化合物，C=O伸缩振动频率出现最高者为〔 D 〕A、R—CO—RB、R—CO—ClC、R—CO—HD、R—CO—F11、以下化合物中，C═C伸缩振动吸收强度最大的化合物是〔 A 〕A．R—CH═CH2B．R—CH═CH—R’〔顺式〕C．R—CH═CH—R’〔反式〕D．R—CH═CH—R12、某种化合物，其红外光谱上3000~2800 cm-1，1460 cm-1，1375 cm-1，720 cm-1等处有主要吸收带，该化合物可能是〔 A 〕A、烷烃B、烯烃C、炔烃D、芳烃13、一种氯苯的红外光谱图在900 cm-1，690cm-1间无吸收带，它的可能构造为〔 C 〕A、对二氯苯B、间三氯苯C、六氯苯D、四取代氯苯14、欲用红外光谱区别HO(—CH2—CH2—O—)n H (n=1500) 和HO(—CH2—CH2—O—)m H (m=2000)，以下说法中正确的选项是〔 D 〕A、用—OH伸缩振动3400 cm-1 ~ 3000cm-1宽峰的波数范围区别B、用—CH伸缩振动小于3000cm-1的强度区别C、用—CH2—O伸缩振动1150 cm-1 ~ 1070cm-1强度区别D、以上说法均不正确15、某一化合物在紫外光区未见吸收带，在红外光谱的官能团区有如下吸收峰：3000 cm-1 左右，1650cm-1。
第八章 红外光谱分析
5.1 红外光谱的基本原理
上图是一个双原子分子的能级示意图，可以看出 电子的能级最大，从基态到激发态的能级间隔Ee = 1-20eV，分子振动能级间隔Ev = 0.05-1.0eV，分子 转动能级间隔Er =0.001-0.05eV。电子跃迁所吸收的 辐射是在可见光和紫外光区，分子转动能级跃迁所吸 收的辐射是在远红外与微波区。分子的振动能级跃迁 所吸收的辐射主要是在中红外区。
5.2 红外分光光度计
如果穿过样品槽和参比槽的光强度相等，则检 测器上产生相等的光电效应，使得只有稳定电压输 出，而没有交流信号输出。但若在样品光路中放臵 了样品，则由于样品的吸收破坏了两束光的平衡， 检测器就有交流信号发生，这种信号被放大后用来 驱动梳状光阑（减光器），使它进入参比光路遮挡 辐射，直到参比光路的辐射强度与样品光路的辐射 强度相等为止。很明显，参比光路中梳状光阑所削 弱的光强度就是样品吸收的光强度。如果记录笔与 梳状光阑作同步运动，就可直接记录下吸光度或透 过率。在用衍射光栅作分光元件的单色器中，当衍 射光栅连续转动时，到达检测器上的红外光波数 （或波长）将连续变化，因此，在连续扫描过程中 就得到了样品的整个红外光谱图。
5.1 红外光谱的基本原理
仪器分析第八章红外吸收光谱法
典力学中的Hooke定律导出：
15
ν=1303√K/μ （cm-1）
④
式中：k—以N/cm为单位表示的化学键的力 常数
μ—以2个原子的摩尔质量表示的折
合质量
1303—等于
1 2πc
√N*×105
上式推广到多原子分子并且可以得出：
16
1.吸收峰的位置即基团振动频率与化学键的 力常数成正比，与折合质量成反比，若已 知K和μ，则可计算出各基团基频吸收峰的 位置。
Ⅱ.2500～2000cm-1 这是叁键和累积双键的伸缩振动产生的吸
收峰区域。如：C≡C、C≡N、C=C=C、 N=C=O。 在这个区域内，除有时作图未能扣除CO2的 吸收外，此区域内任何小的吸收峰都应引 起注意，它们都能提供结构信息。
31
Ⅲ.2000～1500cm-1 是双键伸缩振动产生的吸收峰区域，这是
图1. 乙酸乙酯的IR谱图
6
图2．对硝基苯甲醛的红外光谱
7
8.2红外吸收光谱法基本原理
一、红外吸收光谱产生的条件 红外吸收光谱是由分子振动能级跃迁（同
时伴随分子转动能级跃迁）而产生的。物 质吸收电磁辐射应满足两个条件：①能级 间的能量差等于辐射能，即ΔE=hν；②辐 射与物质之间有偶合作用。因此产生红外 吸收光谱的第一个条件为：
IR已成为现代结构化学、分析化学最常用 和不可缺少的工具。
红外光谱区域：习惯上按红外线的波长， 将红外光谱分成三个区域
4
λ/µm
σ/cm-1
近红外 0.78～2.5 12820～4000
红外光谱 中红外 2.5～25 4000～400
远红外
25～300 400～33
红外光谱分析
2024/3/30
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11
分子振动的类型
双原子分子振动
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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 ) 1 k ................或. (波数 ) 1 k
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28
影响基团频率的因素
电子效应：引起化学键电子分布不均匀的效应。
诱导效应(Induction effect)：取代基电负性—静电 诱导—电子分布改变—k 增加—特征频率增加（移 向高波数）。
共轭效应(Conjugated effect)：电子云密度均化—键 长变长—k 降低—特征频率减小（移向低波数）。
24
叁键及累积双键区（2500~1900cm-1）
叁
CC，CN，C=C=C，C=C=O 等
键 RCCH
2100-2140
及 RCCR’ 2196-2260
R=R’则无红外吸收
累 积 CN
2240-2260
分子中有 N，H，C，峰
（非共轭） 强且锐；
双
2220-2230
有 O 则弱，离基团越近
键
（共轭） 则越弱。
例如：HCl分子k=5.1 mdyn/Å，则HCl的振动频率为：
1307 5.1/[(35.5 1.0) /(35.5 1.0)]
2993cm1 实 测 值 为2 88 5.9cm 1
对于C-H：k=5 mdyn/Å; =2920 cm-1 对于C=C，k=10 mdyn/Å, =1683 cm-1 对于C-C，k=5 mdyn/Å; =1190 cm-1
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C-C (1050cm-1) C=C(1650cm-1) C=C(2100cm-1)
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 B. 化学键振动形式
8.3 谱图的解析
2853cm-1 720cm-1
2926cm-1
++
1468cm-1
+-
1305cm-1
1305cm-1
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 C. 诱导效应 Ex 5 羰基的伸缩振动频率
Hummel-Scholl谱图 聚合物结构、塑料、橡 胶、纤维、树脂、各类
助剂等。
第八章 红外光谱分析
4 红外谱图分析方法（定性） （1）谱图核对法
8.3 谱图的解析
注意事项： （1）实验条件必须一致（制样方式、温度、介质） （2）主要核对特征谱带。 （3）考虑各类影响因素引起的谱带位置偏移。 （4）与其它手段如NMR，UV，MS等并用。
8.3 谱图的解析
2 红外谱图结果的影响因素 A. 化学键强弱及原子质量
ν= （ 1/（2π））（K/μ）1/2
ν----频率（S-1,HZ)=C/λ ν’—波数（cm-1) =1/λ=v/C K —键力常数 μ----折合质量=(m1m2)/(m1+m2)(1/N) N-----摩尔常数，6.02 ╳ 1023 个/mol
扭曲 基团扭
绞 (f)
(键长改变，键角不变)
(键长不变，键角变或不变)
第八章 红外光谱分析
2 分子的振动频率 (1) 双原子分子的伸缩振动
8.2 基本原理
原子1
原子2
第八章 红外光谱分析
8.2 基本原理
2 分子的振动频率
(1) 双原子分子的伸缩振动（近似简谐振动）
ν= （ 1/（2π））（K/μ）1/2
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 A 基团极性大小
O-H伸缩振动
8.3 谱图的解析
强吸收基团： C=O，NH2，NO2，OH 弱吸收基团： C-C，S=S，C=C等
极性越大，振动引起的 偶极矩变化越大，吸收 系数越大，谱带越强。
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素
B 分子结构对称性
第八章 红外光谱分析
8.3 谱图的解析
1 红外谱图的基本特征及物理含义
谱图基本特征
谱带位置
谱带强度
谱带形状
振动吸收的频 率大小，可定 性确定基团的 类别。
振动过程吸收 红外光的强度， 可定量确定基
团浓度。
结合谱带位置， 定性确定基团 类别。也可用 以分析基团间 作用如氢键。
第八章 红外光谱分析
8.3 谱图的解析
分子平动 温度的函数 （非量子化）
E = Ee+Ev+Er+E平
第八章 红外光谱分析
2.光波的分区
8.1 概论
X射线区 紫外区 可见光区 红外区 微波区 无线电区
0.01nm 0.01um
0.4um 0.75um 1000 um 2×105 um
光子的电磁辐射能量 E = hv 其中：h---普朗克常数（6.625×10-34 J.S) v—光波频率（S-1，HZ)
《材料分析测试方法》（本科）课程
第八章 红外光谱分析技术
4000
1330
400
第八章 红外光谱分析
8.1 概论
第八章 红外光谱分析
1.分子的运动及能级跃迁
宏观物质 分子
8.1 概论
电子绕核运动
ΔEe=1-20eV (量子化）
原子间振动
ΔEe=0.05-1eV (量子化）
分子转动
ΔEe=10-4-0.05eV (量子化）
8.3 谱图的解析
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。
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 D. 共轭效应 Ex6 碳碳双键的伸缩振动频率
8.3 谱图的解析
1650cm-1 >
(d)
√
第八章 红外光谱分析
3 红外光谱的产生及表示形式 （2）红外吸收的条件
红外吸收基本条件
8.2 基本原理
（A） 分子振动时引 起偶极矩变化
（红外活性振 动）
（B） 振动频率位于
扫描范围内 （4000－ 400cm-1)
（C） 具备足够的吸 收强度，能被
检测出
（D） 与其他振动吸 收峰互不重叠
3
4
伸缩振动
8.2 基本原理
近似等于独立状态下 的振动频率，但受周 围原子的影响：诱导、 共轭、位阻、氢键等
影响（次要）
V12
1
2
5
第八章 红外光谱分析
2 分子的振动频率 Ex2. 羰基的伸缩振动吸收频率
8.2 基本原理
1820 cm-1
1850 cm-1
1780 cm-1
1770 cm-1
不同分子中特定基团的同一振动形式有固定的振动频率。
近红外区 倍频、合频
吸收 （O-H，N-H，
C-H）
中红外区 分子基频振动
远红外区 分子的旋转
红外分析的主要光区
第八章 红外光谱分析
3 红外光谱的产生及表示形式 （2）红外吸收的条件
8.2 基本原理
Ex2. CO2 分子的振动
O＝C＝O
(a)
×
O＝C＝O
(b)
√
O＝C＝O
(c)
√
O+ ＝C- ＝+O
8.3 谱图的解析
1663cm-1
< 1686cm-1
< 1693cm-1
空间位阻增大，使振动困难，导致键力常数提高， 向高频偏移。
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 （2）谱带强度
8.3 谱图的解析
影响谱带强度的因素
振动偶极矩变化
基团浓度
A 基团极 性大小
B 分子结构
对称性
C 基团 浓度
400
第八章 红外光谱分析
4 红外谱图分析方法（定性） （1）谱图核对法
8.3 谱图的解析
未知物谱图
4000
1330
400 4000
标准谱图
1330 400
第八章 红外光谱分析
4 红外谱图分析方法（定性） （1）谱图核对法
8.3 谱图的解析
Sadtler谱图集： 纯度98%以上化合物， 单体，聚合物，橡胶， 纤维，天然树脂，增塑 剂、颜料等。
8.3 谱图的解析
特征峰
对应某一基团固定
振动形式的吸收谱
690
峰。
N-H伸缩
N-H弯曲
C=O伸缩
N-H面外弯曲
-[NH-(CH2)5-CO-]-n
相关峰 对应于同一基团 的不同振动形式的 各个吸收峰。
第八章 红外光谱分析
3 红外谱图的分区
(1) 两个基本概念
Ex 10 常见基团的特征吸收峰
C=O 伸缩：1700-1750cm-1 C=C 伸缩：1600-1650cm-1 O-H 伸缩：3000-3300cm-1 N-H 伸缩：3000-3300cm-1 C N 伸缩：2200-2300cm-1
1630cm-1
> 1600cm-1
共轭效应使双键电子云密度下降，键作用强度减弱， 使频率低移。
第八章 红外光谱分析
2 红外谱图结果的影响因素 E. 氢键效应 Ex7 羟基的伸缩振动频率
8.3 谱图的解析
分子内氢键，3000cm-1 稀溶液，3300cm-1
氢键作用使羟基电子云密度减弱，使频率低移， 同时使吸收峰变宽。
第八章 红外光谱分析
3.光波对分子运动的影响
光波hV=E2-E1
样品
8.1 概论
吸收光谱 光能被吸收 能级跃迁 （红外、紫外）
高
低
发射光谱 光能被发射 高能向低能级 （荧光光谱）
高
低
散射光谱 光能被散射 （拉曼光谱）
第八章 红外光谱分析
4.基本定义
8.1 概论
光谱分析
用一定波长范围的光辐 照样品，对所获得的光 谱进行分析，依据光波 与分子运动的关系对分 子结构进行分析的方法。 分为吸收光谱，发射光 谱，散射光谱。
指纹区 主要对应于基团的弯曲振 动，谱带数量多，用于同 系物细微结构的鉴别。
1330-400cm-1
第八章 红外光谱分析
8.3 谱图的解析
3 红外谱图的分区
4000 3750-3000cm-1: OH,NH伸缩振动
3300-3000cm-1: 不饱和键相连的CH伸缩振动 3000-2700cm-1: 饱和碳上CH伸缩振动 -CH3，-CH2-，-CO-H 2500-2000cm-1： 三键或累积双键伸缩振动 C=C=O C=N=O 1900-1650cm-1: 羰基伸缩振动（酸、醛、酮、酸酐、酰胺、酰氯） 1675-1500cm-1： 碳碳双键伸缩振动 C=C 1475-1300cm-1： 饱和碳上碳氢弯曲振动-CH3 1000-650cm-1: 不饱和碳上碳氢弯曲振动 C=C-H
ν----频率（S-1,HZ)（单位时间内周期数） ν’—波数（cm-1) =1/λ(单位长度上周期数） K —键力常数 μ----折合质量=(m1m2)/(m1+m2)(1/N) N-----摩尔常数，6.02 ╳ 1023 个/mol
第八章 红外光谱分析
2 分子的振动频率 (2) 多原子分子的伸缩振动
Spectroanalysis
红外光谱分析