高分子材料研究方法 红外光谱
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20
?基频：从基态到第一振动激发态产生的吸收频率 ?倍频：从基态到第二振动激发态产生的吸收频率。
?实际上分子振动是一种非简谐振动，对于双原子分子
2020/4/5
21
2020/4/5
22
? 红外光谱与分子结构的关系
1、红外光谱的分区 （1）基团结构与振动频率的关系
2020/4/5
23
（2）基团频率的划分
2020/4/5
2
? 红外光谱法的特点
?样品的状态不受限制，气体、液体、固体均可进 行红外测试
?样品用量少
?每种化合物都有红外吸收，由有机化合物的红 外光谱可以得到丰富的信息
?常规的红外光谱仪价格相对低廉
?操作比较简单
2020/4/5
3
?基本概念
?波长与波数
γ=C/λ
γ=1/λ=γ/C
?电磁波wenku.baidu.com段的划分
?红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。
2020/4/5
8
2020/4/5
9
? 分子振动的形式
?伸缩振动： Stretching Vibration 高波数区
2020/4/5
10
?弯曲振动： Bending Vibration
2020/4/5
低波数区
11
? 双原子分子的振动
键类型 力常数 峰位
—C ?C — > —C =C — > —C — C —
金属有机化合物、金属络合物的伸缩和变角振动等，主要用
于研究分子结构及气体的纯转动光谱。各类化合物在远红外
区20的20/4吸/5 收规律不如中红外区成熟。
6
4000-1300cm-1 ——官能团区 1300cm-1以下 ——指纹区
2020/4/5
7
? 红外吸收的基本原理
?物质的分子是由原子组成的。在分子内部存在着三种运 动形式，即电子绕原子核运动，原子核的振动和转动。 每种运动都有一定的量子化的能量 E ＝E 平＋ E 转＋ E 振＋ E 电
15 ? 17 9.5 ? 9.9
4.5 ? 5.6
2222 cm-1 1667 cm-1 1429 cm-1
化学键键强越强（K 越大）原子折合质量越小，化学键的振
动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
2020/4/5
12
2020/4/5
13
?多原子分子的振动
? 分子由n个原子组成，每个原子 在空间有3个自由度，因此n个 原子组成的分子共有3n个自由 度，即3n种运动状态
Transmittance spectrum of lactic acid
31
?聚合物的谱带
?组成吸收带
化学组成、单体的连接方式、支化或交联、序列分布等
?构象谱带
这类谱带与高分子链中某些基团的构象有关，在不同的 相态中表现不同
?即使同一物质，其红外谱图的测定条件，如测定方法，样 品状态、浓度、溶剂、仪器操作条件等不同，谱图也有所 差别（外因）
2020/4/5
30
?红外谱图的表示方法
2020/4/5
Absorbance spectrum of lactic acid
T%=lgI/I 0×100% A=lg1/T=lgI 0/I I- 入射光被样品吸收后 透过的光强度 I 0-入射光强度
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? 红外光谱产生的条件
1. 2. 红外活性：红外光与分子间有偶合作用，只 有引起分子偶极矩发生变化的振动才能引起红 外吸收
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?偶极子在交变电场中的作用示意图
对于一极性双原子分子A-B ，在振动中随着原子间距离的变 化而引起分子偶极距的变化，结果会产生一个稳定的交变电 场，其频率等于振动的频率，此稳定的交变电场将和运动的 具有相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量
IR ：0.7-1000μm
?近红外、远红外及中红外
2020/4/5
4
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5
?近红外区（波长范围 0.7-2.5μm）(15000-4000cm-1 )
低能量的电子跃迁及X-H 的伸缩与弯曲振动的倍频与组合频都 在此区，与基频相比强度较弱.相差约两个数量级之多，测定 时需要加大样品的浓度。可用于定性定量分析。
指纹区25
2、影响基团频率位移的因素（内因）
（1）电子效应 1）诱导效应
2）共轭效应
2020/4/5
26
（2）空间效应 1）空间位阻
2020/4/5
27
2）环的张力
2020/4/5
28
（3）氢键效应
异丙醇的液膜（ a）和气相（ b）红外光谱
2020/4/5
29
（4）耦合效应
Caution：
2020/4/5
24
?常见基团的红外吸收带
=C-H C-H C?C C=C
O-H O-H （氢键）
C=O C-C ，C-N，C-O
S-H P-H N-O N-N C-F C-X
N-H
C?N C=N
3500
2020/4/5
3000 2500 2000
特征区
C-H ，N-H，O-H
1500 1000 500
? 这3n种运动状态中，包括3个整 个分子的质心沿x、y、z方向平 移运动和3个整个分子绕轴的转 动。这6种运动不是分子振动， 振动形式有（3n-6）种
? 对直线型分子，若贯穿所有原
子的轴在x方向，则整个分子只
能绕y、z轴转动，直线性分子振
动2形02式0/4/为5 （3n-5）种
14
2020/4/5
?用红外光照射化合物分子，分子吸收红外光的能量使其 振动能级和转动能级产生跃迁
?只有当外来电磁辐射的能量恰好等于基态与某一激发态 的能量之差时(ΔΕ=hυ)，这个能量才能被分子吸收产生红 外光谱，或者说只有当外来电磁辐射的频率恰好等于从 基态跃迁到某一激发态的频率时，则产生共振吸收—— 产生红外光谱。
第二章 红外光谱
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
2020/4/5
1
?红外光谱法概述
?19世纪初 :红外光的存在 ?1950年 ：红外分光光度计 ?1970年 ：傅立叶变换红外光谱仪（FTIR ） ?全反射红外(ATR) ?红外光声光谱(PAS/FTIR) ?色谱-红外联用
?中红外区（波长范围 2.5-25μm）(4000-400cm-1 )
分子中原子振动的基频谱带在此区。所谓基频是分子从基态跃 迁到第一激发态的共振吸收频率。此区适用于有机化合物的 结构分析和定量分析。
?远红外区（波长范围 25—1000μm）(400-10cm-1 )
主要是分子的骨架弯曲振动及无机化合物重原子之间的振动，
?基频：从基态到第一振动激发态产生的吸收频率 ?倍频：从基态到第二振动激发态产生的吸收频率。
?实际上分子振动是一种非简谐振动，对于双原子分子
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? 红外光谱与分子结构的关系
1、红外光谱的分区 （1）基团结构与振动频率的关系
2020/4/5
23
（2）基团频率的划分
2020/4/5
2
? 红外光谱法的特点
?样品的状态不受限制，气体、液体、固体均可进 行红外测试
?样品用量少
?每种化合物都有红外吸收，由有机化合物的红 外光谱可以得到丰富的信息
?常规的红外光谱仪价格相对低廉
?操作比较简单
2020/4/5
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?基本概念
?波长与波数
γ=C/λ
γ=1/λ=γ/C
?电磁波wenku.baidu.com段的划分
?红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。
2020/4/5
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? 分子振动的形式
?伸缩振动： Stretching Vibration 高波数区
2020/4/5
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?弯曲振动： Bending Vibration
2020/4/5
低波数区
11
? 双原子分子的振动
键类型 力常数 峰位
—C ?C — > —C =C — > —C — C —
金属有机化合物、金属络合物的伸缩和变角振动等，主要用
于研究分子结构及气体的纯转动光谱。各类化合物在远红外
区20的20/4吸/5 收规律不如中红外区成熟。
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4000-1300cm-1 ——官能团区 1300cm-1以下 ——指纹区
2020/4/5
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? 红外吸收的基本原理
?物质的分子是由原子组成的。在分子内部存在着三种运 动形式，即电子绕原子核运动，原子核的振动和转动。 每种运动都有一定的量子化的能量 E ＝E 平＋ E 转＋ E 振＋ E 电
15 ? 17 9.5 ? 9.9
4.5 ? 5.6
2222 cm-1 1667 cm-1 1429 cm-1
化学键键强越强（K 越大）原子折合质量越小，化学键的振
动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
2020/4/5
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2020/4/5
13
?多原子分子的振动
? 分子由n个原子组成，每个原子 在空间有3个自由度，因此n个 原子组成的分子共有3n个自由 度，即3n种运动状态
Transmittance spectrum of lactic acid
31
?聚合物的谱带
?组成吸收带
化学组成、单体的连接方式、支化或交联、序列分布等
?构象谱带
这类谱带与高分子链中某些基团的构象有关，在不同的 相态中表现不同
?即使同一物质，其红外谱图的测定条件，如测定方法，样 品状态、浓度、溶剂、仪器操作条件等不同，谱图也有所 差别（外因）
2020/4/5
30
?红外谱图的表示方法
2020/4/5
Absorbance spectrum of lactic acid
T%=lgI/I 0×100% A=lg1/T=lgI 0/I I- 入射光被样品吸收后 透过的光强度 I 0-入射光强度
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? 红外光谱产生的条件
1. 2. 红外活性：红外光与分子间有偶合作用，只 有引起分子偶极矩发生变化的振动才能引起红 外吸收
2020/4/5
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?偶极子在交变电场中的作用示意图
对于一极性双原子分子A-B ，在振动中随着原子间距离的变 化而引起分子偶极距的变化，结果会产生一个稳定的交变电 场，其频率等于振动的频率，此稳定的交变电场将和运动的 具有相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量
IR ：0.7-1000μm
?近红外、远红外及中红外
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?近红外区（波长范围 0.7-2.5μm）(15000-4000cm-1 )
低能量的电子跃迁及X-H 的伸缩与弯曲振动的倍频与组合频都 在此区，与基频相比强度较弱.相差约两个数量级之多，测定 时需要加大样品的浓度。可用于定性定量分析。
指纹区25
2、影响基团频率位移的因素（内因）
（1）电子效应 1）诱导效应
2）共轭效应
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（2）空间效应 1）空间位阻
2020/4/5
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2）环的张力
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（3）氢键效应
异丙醇的液膜（ a）和气相（ b）红外光谱
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（4）耦合效应
Caution：
2020/4/5
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?常见基团的红外吸收带
=C-H C-H C?C C=C
O-H O-H （氢键）
C=O C-C ，C-N，C-O
S-H P-H N-O N-N C-F C-X
N-H
C?N C=N
3500
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3000 2500 2000
特征区
C-H ，N-H，O-H
1500 1000 500
? 这3n种运动状态中，包括3个整 个分子的质心沿x、y、z方向平 移运动和3个整个分子绕轴的转 动。这6种运动不是分子振动， 振动形式有（3n-6）种
? 对直线型分子，若贯穿所有原
子的轴在x方向，则整个分子只
能绕y、z轴转动，直线性分子振
动2形02式0/4/为5 （3n-5）种
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?用红外光照射化合物分子，分子吸收红外光的能量使其 振动能级和转动能级产生跃迁
?只有当外来电磁辐射的能量恰好等于基态与某一激发态 的能量之差时(ΔΕ=hυ)，这个能量才能被分子吸收产生红 外光谱，或者说只有当外来电磁辐射的频率恰好等于从 基态跃迁到某一激发态的频率时，则产生共振吸收—— 产生红外光谱。
第二章 红外光谱
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
2020/4/5
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?红外光谱法概述
?19世纪初 :红外光的存在 ?1950年 ：红外分光光度计 ?1970年 ：傅立叶变换红外光谱仪（FTIR ） ?全反射红外(ATR) ?红外光声光谱(PAS/FTIR) ?色谱-红外联用
?中红外区（波长范围 2.5-25μm）(4000-400cm-1 )
分子中原子振动的基频谱带在此区。所谓基频是分子从基态跃 迁到第一激发态的共振吸收频率。此区适用于有机化合物的 结构分析和定量分析。
?远红外区（波长范围 25—1000μm）(400-10cm-1 )
主要是分子的骨架弯曲振动及无机化合物重原子之间的振动，