红外光谱测试实验Z

红外光谱测试实验

一、引言

红外光谱法是鉴别化合物和确定物质分子结构的常用手段之一，用于物质（在振动中伴随有偶极矩变化的化合物）的定性鉴别和定量分析，广泛应用于有机化学、高分子化学、无机化学、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。

红外光谱仪的发展大致经历了这样的过程：第一代的红外光谱仪以棱镜为色散元件，它使红外分析技术进入了实用阶段。由于常用的棱镜材料如氯化钠、溴化钾等的折射率均随温度的变化而变化，且分辨率低，光学材料制造工艺复杂，仪器需恒温、低湿等，这种仪器现已被淘汰了。20世纪60年代以后发展起来的第二代红外光谱仪以光栅为色散元件。光栅的分辨能力比棱镜高得多，仪器的测量范围也比较宽。但由于光栅型仪器在远红外区能量很弱，光谱质量差，同时扫描速度慢，动态跟踪以及GC-IR联用技术很难实现等缺点，目前大多数厂家已停止生产光栅型仪器。第三代红外光谱仪是20世纪70年代以后发展起来的傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR），它无分光系统，一次扫描可得到全谱。由于它具有以下显著特点，因此大大地扩展了红外光谱法的应用领域。

(1) 扫描速度快。测量时间短，可在ls内获得红外光谱，适于对快速反应过程的追踪，也便于和色谱法联用。

(2) 光通量较大。因而可以检测透射比较低的样品，便于利用各种附件，如漫反射、镜面反射、衰减全反射等附件。并能检测不同的样品：气体、固体、液体、薄膜和金属镀层等。

(3) 分辨率高。波数精度可达0.01cm-1，便于观察气态分子的精细结构。

(4) 测量范围宽。一台傅立叶变换红外光谱仪，只要相应地改变光源、分束器和检测器的配置，就可以研究整个红外区(10000～10cm-1)的光谱。

(5) 测定精度高，重复性可达0.1%，而杂散光小于0.01%。

之后，还发展了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪（第四代），以及应用航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为AOTF）技术的近红外光谱仪（第五代）。

二、实验目的

(1) 了解傅立叶变换红外光谱仪的结构和工作原理。

(2) 初步掌握红外光谱的测试和分析方法。

三、实验原理

1 基本原理

构成物质的分子都是由原子通过化学键连结而成，分子中的原子与化学键受光能辐射后均处于不断的运动之中。这些运动除了原子外层价电子的跃迁之外，还有分子中原子的相对振动和分子本身的绕核转动。当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。通常以

波长（μm ）或波数（cm -1

）为横坐标，吸光度（A ）或百分透过率（T%）为纵坐标，将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质的红外吸收光谱或红外透射光谱，简称红外光谱。

上述分子中的各种运动形式都是由于吸收外来能量引起分子中能级跃迁所致，每一个振动能级的跃迁都伴随有转动能级的跃迁，因此，通常得到的红外光谱实际上是振动-转动光谱。

（1）透射率（透过率）T

000

100I

T I =

⨯ 式中，I 0为入射光强度，I 为透射光强度。整个吸收曲线反映了一个化合物在不同波长的光

谱区域内吸收能力的分布情况。 （2）红外光谱区域

通常将红外光谱区按波长分为3个区域，即近红外区、中红外区、远红外区，如表1所示。

表1 红外光谱区划分

绝大多数有机化合物红外吸收波数范围：4000 ~ 665 cm 红外光谱仪的标配检测器波数通常为4000 ~ 400 cm -1

。 （3）分子振动方式

多原子分子中的化学键有多种振动形式，一般分为伸缩振动和弯曲振动两类。各键的振动频率不仅与这些键本身有关，也受到整个分子的影响。

伸缩振动（用符号“ν”表示）是沿原子间化学键的轴作节奏性伸和缩的振动。当两个化学键在同一平面内均等地同时向外或向内伸缩振动为对称伸缩振动(νs ) (见图1a)。若是一个向外伸展，另一个向内收缩为不（反）对称伸缩振动(νas ) (见图1b)。在正常振动中引起键角改变的振动称弯曲振动（用符号“δ”表示）。向内弯曲的振动为剪动(δ)(见图1c)。同时向左或向右弯曲的振动(见图1d)为摆动(ρ)。这两种运动都在同一平面内进行，统称为面内弯曲振动(δ面内)。图1e 和图1f 中“+”“-”符号分别表示原子作垂直纸面向上、向下的运动。前者两个键同方向运动，称仰动(π或ω )。后者两个键异方向运动，为扭动(τ)。它们都是平面外的弯曲振动(面外)。上述面内和面外弯曲振动有时以“β”和“γ”分别表示之。

同等原子之间键的伸缩振动所需能量远比弯曲振动的能量高，因此伸缩振动的吸收峰波数比相应键的弯曲振动峰波数高。

图1 非线型分子的振动方式

（4）双原子形成化学键的波数

以经典力学来处理分子中化学键的振动：将复杂分子看成是由不同质量的小球和不同倔强系数的弹簧组成的，小球代表原子，弹簧代表化学键。化学键振动近似为弹簧振子。若将双原子看成是质量分别为m1、m2的两个小球，把它们之间的化学键看成质量可忽略不计的弹簧，其长度为r(键长)，两个原子(谐振子)之间的伸缩振动可近似地看成沿轴线方向的简谐振动。

图2 双原子振动模型

伸缩振动的基频可由胡克（Hooke）定律推导的式(1)计算其近似值

（1）或

（2）式中：f ——键的振动基频（单位为Hz）

V ——波数（单位为cm-1）

c ——光速(3×1010cm·s-1)

k ——化学键的力常数(其单位：N·cm-1)

m——折合原子质量(单位：g)

可见，双原子分子红外吸收的频率决定于折合质量和键力常数。

若力常数k用N·cm-1为单位，折合质量m以原子量为单位，则上式可简化为

(cm-1)

式中 N A为Avogadro常数(6.022×1023 mol-1)

表2 常见化学键的伸缩力常数

键分子k／N·cm-1键分子k／N·cm-1

H－F HF9.7H－C CH2＝CH2 5.1

H－Cl HCl 4.8H－C CH≡CH 5.9

H－Br HBr 4.1C－Cl CH3Cl 3.4

H－I HI 3.2C－C 4.5～5.6

H－O H2O7.8C＝C9.5～9.9 H－O游离7.1C≡C15.0～17.0 H－S H2S 4.3C－O 5.0～5.8

H－N NH3 6.5C＝O12.0～13.0

H－C CH3X 4.7～5.0C≡N16.0～18.0

[例]计算HCl分子(k＝4.8N·cm-1)的振动波数。

解:

实测值为2885.9cm-1。

[例]计算-C=O(k＝12.5N·cm-1)的振动波数。

解: