材料表征方法 第七章 红外光谱
合集下载
相关主题
- 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、"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、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)。
第四章 红外吸收光谱(IR)
Infrared Absorption Spectroscopy
本章主要内容
1.1红外光谱的基本原理 1.2红外谱图的峰数、峰位与峰强（难点） 1.3红外光谱特征基团的吸收频率（重点） 1.4红外光谱在结构分析中的应用（重点）
红外光谱法发展历程
50年代初期，商品红外光谱仪问世。 70年代中期，红外光谱已成为有机化 合物结构鉴定的最重要的方法。 近十年来，傅里叶变换红外的问世以 及一些新技术的出现，使红外光谱得到更 加广泛的应用。
2. 红外活性分子和非红外活性分子 产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如 CO2分子；反之为非红外活性分子，如O2分子。
3. 局限 （1）CH3(CH2)6CH3 与 CH3 (CH2)8CH3图谱区 别不大 （2）定量测量的误差可达百分之几！
4.红外吸收的能量
Electronic Spectroscopy S1 Vibrational Spectroscopy S1
三、红外光谱原理概述
基本原理： 基团振动能级是量子化： Ev=（n+1/2）h（n=0，1，2，…） (1) 基团振动能级的能量差为： △E振=△n×h (2) 当某红外频率的光子能量等于基团振动能级的 能量差时，可产生红外吸收。
分子中基团的能级从基态向第1，2， N激发态 跃迁，对应的吸收光谱带： 基频峰 （0→1） 2885.9 cm-1 最强，最有用 二倍频峰（ 0→2 ） 5668.0 cm-1 较弱 三倍频峰（ 0→3 ） 8346.9 cm-1 很弱 四倍频峰（ 0→4 ） 10923.1 cm-1 极弱 五倍频峰（ 0→5 ） 13396.5 cm-1 极弱 除基频峰、倍频峰外，还出现合频峰（1+2， 21+2 ），差频峰（ 1-2，21-2 ）等，这些峰多 数很弱，一般不容易辨认。倍频峰、合频峰和差频峰 统称为泛频峰。
伸 缩 振 动 改 变 键 长
对称伸缩振动
分子的振动方式
伸 缩 振 动 改 变 键 长
不对称伸缩振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面箭式弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面摇摆弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外摇摆弯曲振动
分子的振动方式
振动跃迁过程中分子必须有偶极矩的变化。
只有能够引起偶极矩变化的振动，才能产生共振 吸收。像N2，O2，Cl2等对称分子，由于两原子核外电 子云的密度相同，正、负电荷中心重合，等于0，故 振动时没有偶极矩的变化，不吸收红外辐射，不能产 生红外吸收光谱。
①化学键两端连接的原子电负性差别大，则伸 缩振动时引起的峰也越强。 ② 振动形式不同对分子的电荷分布影响不同 ③ 分子对称性越高，峰越弱
S0 UV/Vis
V3 V2 V1 V0
S0 IR
5. 红外光谱图
6. 红外谱图的峰数
由n个原子组成的分子有3n-6个(线性分子为3n-5)振动模
式, 即有3n-6个吸收带。 H2O 自由度=3×3-6=3 有三个基本振动模式 C6H6 自由度=3×12-6=30 有30个基本振动模式 例：HCl 自由度=3×2-5=1 只有一个伸缩振动
红外光(0.76～1000μm)
λ(m) σ(cm-1) 0.78 12820 近红外 3 3333 中红外 30 333 远红外 300 33
红外光谱分类及功能
104 (cm ) ( m)
1
1. 红外光谱的定义：
当样品受到频率连续变化的红外光照 射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其 振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产 生的分子振动和转动能级从基态到激发态 的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红 外光谱，又称为分子振动转动光谱。
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外扭曲弯曲振动
以水分子的振动为例加以说明
水分子是非线型分子，振动自由度：3×3-6=3个 振动形式，分别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和 变形振动。这三种振动皆有偶极矩的变化，具有红外 活性。
水的红外光谱
不同状态水的红外吸收频率（cm-1）
9. 红外谱图的峰强
7. 红外谱图的峰位
分子的振动频率决定分子基团吸收的红外光频率，即红外 吸收位置。
1 2
K m1
K
m2
或
1 2C
K
m1 m2 m1 m2
K为双原子形成的化学键力常数
双原子分子伸缩振动示意图
m1和m2分别为质量两个原子 相对原子
振动频率
与
原子的质量
化学键强度
有关
wenku.baidu.com、分子的振动方式
.25
Absorbance
.2
.15
.1
.05
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
1028
756.936
500
View Mode: Peaks R es =4.0 CM-1
红外光谱法的特点
任何气态、液态、固态样品均可进行红外
光谱测定； 不同的化合物有不同的红外吸收，由红外 光谱可得到化合物丰富的结构信息； 常规红外光谱仪价格低廉； 样品用量少； 可针对特殊样品运用特殊的测试方法
一、红外光谱的基础知识
红外光谱是分子吸收红外光引起振 动和转动能级跃迁产生的吸收信号。
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
500
View Mode: Ov erlay R es =4.0 CM-1
FT-IR Absorbance Spectrum
Bio-Rad Win-IR
.3
697.684 2922.98 3081.5 3059.57 3025.3 1492.46 1451.73 1600.65 2849.8
二、红外光谱仪
国产双光束比例记录红外分光光度计
美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR
FT-IR Transmission Spectrum
Bio-Rad Win-IR
90 85 80
Transmittance
75 70 65 60 55 50
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)
Infrared Absorption Spectroscopy
本章主要内容
1.1红外光谱的基本原理 1.2红外谱图的峰数、峰位与峰强（难点） 1.3红外光谱特征基团的吸收频率（重点） 1.4红外光谱在结构分析中的应用（重点）
红外光谱法发展历程
50年代初期，商品红外光谱仪问世。 70年代中期，红外光谱已成为有机化 合物结构鉴定的最重要的方法。 近十年来，傅里叶变换红外的问世以 及一些新技术的出现，使红外光谱得到更 加广泛的应用。
2. 红外活性分子和非红外活性分子 产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如 CO2分子；反之为非红外活性分子，如O2分子。
3. 局限 （1）CH3(CH2)6CH3 与 CH3 (CH2)8CH3图谱区 别不大 （2）定量测量的误差可达百分之几！
4.红外吸收的能量
Electronic Spectroscopy S1 Vibrational Spectroscopy S1
三、红外光谱原理概述
基本原理： 基团振动能级是量子化： Ev=（n+1/2）h（n=0，1，2，…） (1) 基团振动能级的能量差为： △E振=△n×h (2) 当某红外频率的光子能量等于基团振动能级的 能量差时，可产生红外吸收。
分子中基团的能级从基态向第1，2， N激发态 跃迁，对应的吸收光谱带： 基频峰 （0→1） 2885.9 cm-1 最强，最有用 二倍频峰（ 0→2 ） 5668.0 cm-1 较弱 三倍频峰（ 0→3 ） 8346.9 cm-1 很弱 四倍频峰（ 0→4 ） 10923.1 cm-1 极弱 五倍频峰（ 0→5 ） 13396.5 cm-1 极弱 除基频峰、倍频峰外，还出现合频峰（1+2， 21+2 ），差频峰（ 1-2，21-2 ）等，这些峰多 数很弱，一般不容易辨认。倍频峰、合频峰和差频峰 统称为泛频峰。
伸 缩 振 动 改 变 键 长
对称伸缩振动
分子的振动方式
伸 缩 振 动 改 变 键 长
不对称伸缩振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面箭式弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面摇摆弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外摇摆弯曲振动
分子的振动方式
振动跃迁过程中分子必须有偶极矩的变化。
只有能够引起偶极矩变化的振动，才能产生共振 吸收。像N2，O2，Cl2等对称分子，由于两原子核外电 子云的密度相同，正、负电荷中心重合，等于0，故 振动时没有偶极矩的变化，不吸收红外辐射，不能产 生红外吸收光谱。
①化学键两端连接的原子电负性差别大，则伸 缩振动时引起的峰也越强。 ② 振动形式不同对分子的电荷分布影响不同 ③ 分子对称性越高，峰越弱
S0 UV/Vis
V3 V2 V1 V0
S0 IR
5. 红外光谱图
6. 红外谱图的峰数
由n个原子组成的分子有3n-6个(线性分子为3n-5)振动模
式, 即有3n-6个吸收带。 H2O 自由度=3×3-6=3 有三个基本振动模式 C6H6 自由度=3×12-6=30 有30个基本振动模式 例：HCl 自由度=3×2-5=1 只有一个伸缩振动
红外光(0.76～1000μm)
λ(m) σ(cm-1) 0.78 12820 近红外 3 3333 中红外 30 333 远红外 300 33
红外光谱分类及功能
104 (cm ) ( m)
1
1. 红外光谱的定义：
当样品受到频率连续变化的红外光照 射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其 振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产 生的分子振动和转动能级从基态到激发态 的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红 外光谱，又称为分子振动转动光谱。
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外扭曲弯曲振动
以水分子的振动为例加以说明
水分子是非线型分子，振动自由度：3×3-6=3个 振动形式，分别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和 变形振动。这三种振动皆有偶极矩的变化，具有红外 活性。
水的红外光谱
不同状态水的红外吸收频率（cm-1）
9. 红外谱图的峰强
7. 红外谱图的峰位
分子的振动频率决定分子基团吸收的红外光频率，即红外 吸收位置。
1 2
K m1
K
m2
或
1 2C
K
m1 m2 m1 m2
K为双原子形成的化学键力常数
双原子分子伸缩振动示意图
m1和m2分别为质量两个原子 相对原子
振动频率
与
原子的质量
化学键强度
有关
wenku.baidu.com、分子的振动方式
.25
Absorbance
.2
.15
.1
.05
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
1028
756.936
500
View Mode: Peaks R es =4.0 CM-1
红外光谱法的特点
任何气态、液态、固态样品均可进行红外
光谱测定； 不同的化合物有不同的红外吸收，由红外 光谱可得到化合物丰富的结构信息； 常规红外光谱仪价格低廉； 样品用量少； 可针对特殊样品运用特殊的测试方法
一、红外光谱的基础知识
红外光谱是分子吸收红外光引起振 动和转动能级跃迁产生的吸收信号。
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
500
View Mode: Ov erlay R es =4.0 CM-1
FT-IR Absorbance Spectrum
Bio-Rad Win-IR
.3
697.684 2922.98 3081.5 3059.57 3025.3 1492.46 1451.73 1600.65 2849.8
二、红外光谱仪
国产双光束比例记录红外分光光度计
美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR
FT-IR Transmission Spectrum
Bio-Rad Win-IR
90 85 80
Transmittance
75 70 65 60 55 50
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)