第四章 振动光谱教学课件

而能级跃迁是量子化(quantization)的，因此 只有光子的能量恰等于两个能级之间的能量 差(energy difference)时（即ΔE）才能被吸 收
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中红外光波(lightwave)波长的能量恰在分子振 动能级间距(spacing)范围，因此红外光谱又称 为振动光谱。
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4.2红外光谱（Infrared spectroscopy）
红外谱图及表示方法 红外谱图的信息 红外谱带的划分 影响红外谱图的因素
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4.2.1 红外谱图及表示方法
连续的红外光与分子相互作用时，若分子中原子间
的振动频率恰与红外光的某一频率相等时就引起共
谱带的数目很多，往往很难给予明确的归属
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4.2.3 红外谱带的划分
特征频率（官能团）区的划分 1. 4000-2500cm-1，X-H伸缩振动区，（X=C，
O，N，S）
H-O吸收峰通常出现在3650-3200 cm-1之间 N-H的伸缩振动在3500-3100cm-1。 饱和碳原子上的C-H伸缩振动出现在3000
其中 E0是分子内在的能量，不随分子运动而改变， 即是固定的；
E电子、E振动、E转动、E移动分别为分子的电子运动 (electric movement)，分子的振动(vibrational movement)，转动(rotational movement)和移动 运动(shift movement)的能量。
cm-1以下。 不饱和碳原子上的=C-H（ΞC-H）出现在
3000 cm-1以上。
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4.2.3 红外谱带的划分
特征频率（官能团）区的划分 2. 2500-2000cm-1 三键，累计双键伸缩振动
区。
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3. 2000-1500cm-1 双键伸缩振动区
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对于某一分子来说，只能吸收某些特定的 （specifically）频率，从而引起分子转动或振动能 级的变化，产生特征的分子光谱。谱中被吸收的光 的波长对于不同分子或原子基团(atomic group)都是 特征的(specifically)
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4.1.2 分子振动模型 The model of Molecular Vibration 4.1.2.1 双原子分子的弹簧模型 The Spring Model of diatomic molecule
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水的三种振动都在在红外谱图上出现了吸收 峰，那是不是所有的分子的振动都能产生红 外吸收呢？
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CO2分子的红外谱
1388
2349
667
667
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4.1.2.3 红外吸收的条件
分子振动产生偶极矩的变化 分子的振动能量与辐射光子的能量相同。
振吸收，使光的透射强度减弱。
波长，
单位微米
透过率 %
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波数， 单位cm-1
4.2.2 红外谱图的信息
谱带的数目 谱带的位置
每个基团的振动都有特征振动频率，表现 出特定的吸收谱带位置，对应相应的特征 频率 分子中某一特定基团的振动频率总 是可能在一个范围较窄 的频率区域出现。 谱带的强度
例： 亚甲基：
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2 弯曲振动（bend vibration），它是指基团键角 发生周期性变化而键长不变的振动。
例：亚甲基
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4.1.2.2 基本振动类型 The Type of Fundamental Vibration
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水分子
3756
3652
键类型 —CC — > —C =C — > —C — C —
力常数
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
波数 cm-1
2222
1667
1427
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4.1.2.2 基本振动类型 The Type of Fundamental Vibration
键长发生变化 Stretch 键角发生变化 Bend
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4.1.1.2 光的波粒二象性 wave-particle duality
粒子性 可用光量子(photons)的能量来描 述
Planck方程：
E=h×ν
E为光子能量(photon energy)，单位为J；
h为Planck常数，其值为 6.624x10-34JS
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4.2.4.2 影响谱带位置（位移）的因素 分子结构及相互作用 氢键
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4.2.4 影响红外谱图的因素
4.2.4.2 影响谱带位置（位移）的因素 分子结构及相互作用 空间效应
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4.2.4 影响红外谱图的因素
4.2.4.2 影响谱带位置（位移）的因素
分子结构及相互作用 诱导效应
对于分子的振动应该用量子力学来说明，但为 了便于理解，也可用经典力学来说明。
一般振子（vibrator)代表原子，以弹簧(spring) 代表各种化学键(chemical bond)。
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结论
1 k 2
m1 m2
m1 m2
其中ν为振动频率，k为化学键力常数(force
1 1 k 1307 k
2c
0
µ0代表以原子量为 分子质量是的分子
折合质量。
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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μ和键的力常数k，即 取决于分子的结构特征。
1307 k 0
即 上式为红外光谱测定化合物结构的理论 依据
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表1 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
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4.1.1.2 光的波粒二象性 wave-particle duality
按量子力学(quantum michanics)， 其关系为：
c c
其中c为光速 (velocity of light)， 其值为 3.0x1010cm/s
σ : 波数即单位长度内波的数目， σ=1/λ；常用单位为cm-1
constant) N/cm， µ代表分子中两个原子的折合 质量
k和μ的实质是反映了分子的性质
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分子的振动能级（量子化）E振=（V+1/2）h 其中 V ：振动量子数，：化学键的 振动频率。
简谐振子能级跃迁的选择定则为：ΔV＝1
则 任意两个相邻的能级间的能量差为：
0
E h h k 2
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4.1.2.2 基本振动类型 The Type of Fundamental Vibration
1 伸缩振动（stretch vibration) 伸缩振动是指原子 沿着价键方向来回运动,即振动时键长发生变化, 键角不变。它又分为对称伸缩振动（s）不对称 伸缩振动（ as）。
（3） 能级的跃迁几率 ：样品浓度增大，跃迁几率 上升，峰强增强
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气态甲醛红外吸收
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C2H4O
1730cm-1
O
1165cm-1
H
C
CH
H 2720cm-1
H
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4.3 红外光谱仪和实验技术 （Experiment Technique of IR）
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光与分子的相互作用 Interaction of Light with Molecula
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光与分子的相互作用 Interaction of Light with Molecula
光Light：在传播过程中将能量传递给物质 的分子、原子
物质的分子Molecula：吸收光的能量，运 动状态受到激发(excitate)，产生能级 (energy level)的跃迁(transition)
普朗克(1858-1947年)
4.1.1.3 光能量组成 The Compose of light
中红外区(middle infrared) 400～4000 cm-1
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4.1.1.4 分子的能量组成 The compose of Molecular energy
分子的总能量由以下几种能量组成： E总=E0+E电子+E振动+E转动+E移动
4.1 基本原理 Principles
4.1.1 光谱学基础 Spectroscopy
4.1.1.1 光谱 Spectroscopy 4.1.1.2 光的波粒二象性 Wave-particle duality 4.1.1.3 光的能量组成The Compose of light 4.1.1.4 分子的能量组成The Compose of Molecular
C=O C-C，C-N，C-O
S-H P-H N-O N-N C-F C-X
N-H
CN C=N
3500
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3000 2500 2000 特征区
C-H，N-H，O-H
1500
1000 500 指纹区
4.2.4 影响红外谱图的因素
4.2.4.1 影响谱带数目的因素 振动无偶极距变化，无红外活性 振动频率相同，吸收带出现简并 仪器灵敏度 振动频率在中红外的检测范围外
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4.2.2 红外谱图的信息
谱带的数目 非线性分子：3n-6
Vas
Vs
线性分子 3n-5
弯曲振动
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4.2.2 红外谱图的信息