红外吸收光谱分析法-红外光谱分析基本原理
仪器分析3—红外吸收光谱法
傅立叶变换红外光谱仪
样品池
红外光源
摆动的 凹面镜
迈克尔逊 干扰仪
参比池
摆动的 凹面镜
检测器 干涉图谱 计算机 解析 还原
M1 II
同步摆动
I M2
红外谱图
BS
D
仪器组成
第五节 红外光谱法应用
红外光谱法由于操作简单，分析速度 快，样品用量少，不破坏样品，特征性 强等优点，在有机定性分析中应用广泛。 利用红外光谱可对化合物进行鉴定或结 构测定。 但由于吸收较复杂，在定量分析方面 应用受到一定限制。
第四章 红外吸收光谱分析法（IR）
Infrared Absorption Spectrometry
第一节
红外光谱基本知识
1、红外线波长范围： 光学光谱区域：10nm ～1000μm； 其中：10nm ～400nm为紫外光区 400nm ～760nm为可见光区， 760nm ～ 1000μm为红外光区。 为表示方便，红外光不用nm（纳米） 而用微米（ μm）表示其波长。
由原理图可见，红外分光光度计也主要 由光源、样品吸收池、单色器、检测器、 记录仪等部件构成。 1、光源:能斯特灯或硅碳棒
红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用 电加热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是Nernst灯或硅碳棒。 Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的 中空棒和实心棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导 电并发射红外线。但在室温下是非导体，因此，在工作 之前要预热。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳 定性较好。 硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200-1500℃ 左右。
ε>100 非常强峰(vs) 20<ε<100 强 峰(s) 10<ε<20 中强峰(m) 1<ε<10 弱 峰(w)
红外吸收光谱的原理及应用
红外吸收光谱的原理及应用一、红外吸收光谱的原理红外吸收光谱（Infrared Absorption Spectroscopy）是一种常见的光谱分析技术，它利用物质分子对红外辐射的吸收特性进行分析和研究。
红外光谱的原理基于分子的振动和转动引起的能量变化。
在红外辐射的作用下，分子会吸收特定波长或频率的光，从而发生能级跃迁并产生吸收峰。
根据不同的吸收峰位置和强度，可以推断物质的结构、组成和化学环境等信息。
红外吸收光谱的原理主要包括以下几个方面： 1. 分子的振动和转动：分子在吸收红外辐射时，会发生振动和转动。
振动包括拉伸、弯曲和扭转等不同形式，每个分子都有特定的振动模式和频率，使其能够吸收不同波长的红外辐射。
2. 分子吸收特定波长的光：分子在特定波长范围内吸收红外辐射，产生吸收峰。
根据吸收峰的位置和强度，可以确定分子的化学键、官能团和分子结构等信息。
3. 光谱图的解读：通过测量物质对红外辐射的吸收情况，可以得到红外光谱图。
光谱图通常以波数为横轴，吸收峰强度为纵轴，常用峰位和峰形进行分析和判断。
二、红外吸收光谱的应用红外吸收光谱具有广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1. 化学分析红外光谱在化学分析中起着重要作用，可以用于鉴定和分析各种有机和无机化合物。
通过测量样品的红外光谱，可以获得化学键和官能团的信息，从而判断物质的结构和组成。
红外光谱被广泛应用于有机化学、药物分析、环境监测等领域。
2. 药物研发红外光谱在药物研发中具有重要的应用价值。
通过红外光谱分析药物的结构和成分，可以判断药物的稳定性、纯度和相态等性质。
红外光谱还可以用于药物的质量控制和检验，确保药物的安全有效。
3. 材料科学在材料科学领域，红外光谱可以用于材料的表征和分析。
不同材料的红外光谱具有独特的特征，可以用于识别和鉴别材料，评估材料的结构、质量和性能。
红外光谱被广泛应用于聚合物材料、无机材料、涂层材料等领域。
4. 生物医学研究红外光谱在生物医学研究中有着重要的应用。
红外吸收光谱法-基本原理
基本原理
红外光谱的发展
Discovery of infrared Light
William Herschel
红外吸收光谱法
▪ 在未知物结构解析中有重要应用 ▪ “四大波谱”技术之一 ▪ 利用物质分子对红外辐射(0.78-40 μm)的特征吸收鉴别物质分子结构或定量分析
分子振动 分子转动
O=C=O
不对称伸缩振动
分子的振动类型
分子基团的振动频率（双原子分子）
1 k 2
虎克定律
伸缩振动频率的计算
▪ H-Cl为例
1 k 2
k 5.1N / cm
m1 m2 35.51.0 0.97
m1 m2 35.5 1.0
H Cl
1
2
k
2993 cm1
基频吸收峰
红外振动频率的分类
分子的振动类型
分子振动方式
伸缩振动 变形振动
对称伸缩振动 不对称伸缩振动 面内变形振动
面外变形振动
剪式振动 面内摇摆振动 面外摇摆振动 面外扭曲振动
伸缩振动
对称伸缩振动 Symmetric stretching
不对称伸缩振动 Asymmetric stretching
弯曲振动
剪式振动 Deformation
面外摇摆振动 Wagging
面内摇摆振动 Rocking
扭Hale Waihona Puke 振动 Twisting分子的振动自由度
N个原子组成的分子，3N个自由度 3N=平动自由度+转动自由度+振动自由度
由N个原子组成的分子：平动自由度=3 由N个原子组成的线形分子：转动自由度=2 由N个原子组成的非线形分子：转动自由度=3
红外吸收光谱分析法FTIR
光谱解析难度大
红外光谱的复杂性较高，需要专业的 知识和技能进行解析，对分析人员的 要求较高。
仪器成本高
FTIR仪器的制造成本较高，使得其普 及和应用受到一定限制。
测试时间较长
与一些其他分析方法相比，FTIR的测 试时间可能较长，需要更多的时间来 完成分析。
未来发展前景
提高检测灵敏度和分辨率 通过改进仪器性能和技术，提高 FTIR的检测灵敏度和分辨率，使 其能够更好地应用于微量样品和 高精度分析。
环境监测
FT-IR可以用于环境监测领域， 如气体分析、水质分析、土壤
分析等。
02 ftir仪器组成
光源
光源是红外傅里叶变换红外光 谱仪（ftir）中的重要组成部分， 负责提供足够能量和合适波长 的红外辐射。
常见光源有硅碳棒、陶瓷气体 放电灯、远红外激光等。
光源的选择直接影响ftir的灵敏 度和分辨率，因此需要根据实 验需求选择合适的光源。
小型化和便携化 为了方便现场快速检测和实时监 测，FTIR仪器的小型化和便携化 成为一个重要的发展方向。
拓展应用领域 随着FTIR技术的不断成熟和普及， 其应用领域将会进一步拓展，包 括生物医学、环境监测、食品安 全等领域。
智能化和自动化 通过引入人工智能和自动化技术， 实现FTIR分析的智能化和自动化， 提高分析效率和准确性。
基频峰
分子振动能级跃迁产生的谱线，是红外光谱中最 强的峰。
特征峰
与分子中特定化学键或振动模式对应的峰，可用 于鉴定化合物结构。
谱图解析方法
峰位置分析
通过分析峰的位置，确定特定化学键或基团的存在。
峰强度分析
通过分析峰的强度，了解分子中特定化学键或基团的相对含量。
峰形分析
红外吸收光谱分析法
红外吸收光谱分析法
一、红外吸收光谱分析法概述
红外吸收光谱分析法是一种利用物质的红外光吸收能力来探测它们的物质组成的技术。
它特别适用于有机化合物和无机化合物的光谱分析。
通过分析红外吸收光谱，可以检测物质中的有机键、C-H键、C-O键或N-H 键的存在和位置，从而鉴定出物质的化学结构和性质。
红外光吸收法的原理是，物质中的分子、晶体或其他结构会在不同的波长处吸收光，产生光谱，这些吸收光谱是物质的独特特征，反映出物质的特性。
根据这种特性，分析用不同波长的光照射样品，并从所得到的光谱中提取出电子激发、分子振动等信息，从而得到物质的结构和性质。
二、红外吸收光谱分析法基本原理
红外吸收光谱分析法的原理是，当物质受到红外幅射的照射时，它的分子会产生振动和旋转，这些振动和旋转的能量会转化为更高能量的电子跃迁。
这些电子跃迁会引起物质材料吸收一些具有特定波长的红外光，从而产生在不同波长的吸收光谱，通过分析这些吸收光谱，就可以求取物质分子的结构和性质。
仪器分析课件-第10章-红外光谱分析法
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红外光谱分析基本原理
三、 分子的振动形式
两类基本振动形式：变形振动和伸缩振动。以甲烷为例：变形振动
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红外光谱分析基本原理
五. 红外光谱峰的吸收强度 P297
这种方法适用于组分简单，样品厚度一定（一般在液体样品 池中进行），特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸光度不成线性 关系的样品。
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红外光谱的应用
3 ．吸收度比法 该发适用于厚度难以控制或不能准确测定其厚度的样品，例如厚度不均匀 的高分子膜，糊状法的样品等。这一方法要求各组分的特征吸收谱带相互 不重叠，且服从于郎伯 — 比尔定律。 如有二元组分 X 和 Y ，根据 朗伯 -比尔定律 ，应存在以下关系；
1.位置：由振动频率决定，化学键的力常数 K 越大，原子折合质量 m 越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低 波数区（高波长区）； 2.峰数：分子的基本振动理论峰数，可由振动自由度来计算，对于由 n 个原子 组成的分子，其自由度为3 n
3n= 平动自由度+振动自由度+转动自由度 分子的平动自由度为3，转动自由度为：非线性分子3，线性分子2
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红外光谱的应用
二、定性分析
定性分析大致可分为官能团定性和结构定性两个方面。 定性分析的一般过程： 1. 试样的分离和精制 2.了解与试样性质有关的其它方面的材料 3. 谱图的解析 4. 和标准谱图进行对照 5. 计算机红外光谱谱库及其检索系统 6. 确定分子的结构
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红外光谱的应用
红外光谱分析 红外吸收光谱法
υ=
1
2
（1）
1
105 N
= 2c = 2c
Cm-1 (2)
K为键力常数，其含义是两个原子由平衡位置伸长0.1nm(lA0) 后的回复力，单位是 dyn/cm。
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/（m1+m2） (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N, m2=M2/N 。
举例：
例：由元素分析某化合物的分子式为 C其4H结6构O2。，测得红外光谱如图，试推测
解： 由分子式计算不饱和度U = 4－6/2＋1= 2
特征区：3 070cm-1有弱的不饱和C—H伸缩振动吸收， 与1 650cm-1的vc=c 谱带对应表明有烯键存在，谱带较 弱，是被极化了的烯键。
1 76பைடு நூலகம்cm-1强吸收谱带表明有羰基存在，结合最强吸收 谱带1 230cm-1和1 140cm-1的C-O-C吸收应为酯基。
跃迁的几率与振动方式有关: 基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强； 倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低， 使峰强反而很弱。
3、振动的量子化处理
根据量子力学，其分子的振动能 E＝(υ+1/2)h v振
在光谱学中，体系从能量E变到能量E1＇，要遵循 一定的规则，即选择定则，谐振子振动能级的选择定则 △υ＝±1。由选择定则可知，振动能级跃迁只能发生在 相邻的能级间 。
2.基本概念
a..偶极矩：当化学键两端的电子电负性不同时，电中性的 分子便产生负电中心的分离，成为极性分子，极性大小用 偶极矩μ衡量，μ＝r×q，即正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积。
b.基频：常温下分子处于最低振动能级，此时叫基态，V=0。 从基态V0跃迁到第一激发态V=1，V0V1产生的吸收带
红外吸收光谱分析法
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（3）红外活性与非活性振动
在振动过程中，分子电偶极距发生改变的振动才能吸收红 外光子的能量，产生红外吸收谱带，这种振动称为红外活 性振动，反之称为红外非活性振动，这就是红外跃迁的选 择定则（选律）。
多原子分子的选择定则与其对称性有关，运用群论方法可 以确定各种分子振动红外跃迁的选择定则。
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六、红外光谱峰位影响因素
红外光谱峰位影响因素是多方面的。 一个特定的基团只有在和周围环境完全没有力学或电学偶
合的情况下，它的键力常数k值才固定不变。 一切能引起k值改变的因素都会影响峰位变化。归纳起来
主要有： 诱导效应 共轭效应 键应力的影响 氢键的影响 偶合效应 物态变化的影响
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诱导效应
组频峰：也是弱峰，它出现在两个或多个基频之和或差附近，例如， 基频为Xcm-1和Ycm-1的两个峰，它们的组频峰出现在(X＋Y)cm-1或(X －Y)cm-1附近。
振动耦合：当相同的两个基团在分子中靠得很近时，其相应的特征吸 收峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象称振动耦合。
费米共振：当倍频峰或组频峰位于某强的基频吸收峰附近时，弱的倍 频峰或组频蜂的吸收强度常常被大大强化，这种倍频峰或组频峰与基 频峰之间的耦合，称费米共振。
谱在远红外区，重的分子转动光谱则落在微波区。
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四、分子的振动光谱
由于分子的振动能级比转动能级大，当振动能级跃迁时，不可避免 地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测得纯粹的振动光谱，得到的 只能是分子的振动-转动光谱。
以双原子分子HCl为例。若组成HCl分子的两原子(氢原子和氯原子) 以较小的振幅围绕其平衡位置振动，则可近似地把它看作是一维谐 振子。
红外光谱的吸收
红外光谱的吸收第六章红外吸收光谱法基本要点:1. 红外光谱分析基本原理；2. 红外光谱与有机化合物结构;3. 各类化合物的特征基团频率;4. 红外光谱的应用；5. 红外光谱仪.学时安排：3学时第一节分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。
当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。
记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
一、红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为0.75〜1 000叩，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区(0.7 5 ~ 2. 5卩m )，中红外光区(2. 5 ~ 25 u m )，远红外光区(25 ~ 10 00卩m )。
近红外光区(0.75 ~ 2.5u m )近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团 (如O —H、N —H、C —H )伸缩振动的倍频吸收等产生的。
该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。
中红外光区(2.5 ~ 25u m )绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。
由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。
同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。
通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。
远红外光区 (25 ~ 10 00 u m )该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。
红外吸收光谱分析法FTIR
AX 3型分子
~ 1450cm as
1
红CH外吸3 收光谱分析法FTIR
3．基频峰与泛频峰
a）基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从 基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 （即υ=0 → 1产生的峰）
1 L
➢ 基频峰的峰位等于分子的振动频率 ➢ 基频峰强度大——红外主要吸收峰
红外吸收光谱分析法FTIR
2）蜷曲τ：一个X原子在面上，一个X原子在面下的 振动
AX 2型分子
CH2 ~ 1250cm1
红外吸收光谱分析法FTIR
3．变形振动： 1）对称的变形振动δs：三个AX键与轴线的夹角同时
变大
AX 3型分子
s CH 3
~ 1375cm1
2）不对称的变形振动δas：三个AX键与轴线的夹角不
同时变大或减小
AX 3型分子
as CH 2
~
2925cm1
~ 2960cm as
1
红外吸收光谱分CH析法3 FTIR
二、 弯曲振动（变形振动，变角振动）： 指键角发生周期性变化、而键长不变的振动
1．面内弯曲振动β： 弯曲振动发生在由几个原子构成平面内
1）剪式振动δ：振动中键角的变化类似剪刀的开闭
AX 2型分子
数k 越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收带将出现在高
波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。 (3）谱带形状（absorption bands shape) 分析的化合物越纯，吸收谱带
对波数或波长的曲线，即红外光谱。
红外吸收光谱分析法FTIR
1 红外吸收光谱分析
一、红外光的分区
红外线：波长在0.76~500μm (1000μm) 范围内的电磁波称为红外线。
红外光谱分析
红外光谱分析一．基本原理红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectrum，IR)是利用物质的分子吸收了红外辐射后，并由其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱，因为出现在红外区，所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性、定量分析及测定分子结构的方法称为红外吸收光谱法。
当分子受到红外光的辐射，产生振动能级的跃迁，在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光子，形成红外吸收光谱。
若用单色的可见光照射(今采用激光，能量介于紫外光和红外光之间)，入射光被样品散射，在入射光垂直面方向测到的散射光，构成拉曼光谱。
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，如下表所示：1. 分子振动类型有机分子中诸原子通过各类化学键联结为一个整体，当它受到光的辐射时，发生转动和振动能级的跃迁。
简单的双原子化合物如A-B 的振动方式是A 和B 两个原子沿着键的方向作节奏性伸和缩的运动，可以形象地比作连着A、B 两个球的弹簧的谐振运动。
为此A-B 键伸缩振动的基频可用胡克定律推导的公式计算其近似值式中，f 是键的振动基频，单位为cm-1；c 是光速；k 是化学键力常数，相当于胡克弹簧常数，是各种化学键的属性，代表键伸缩和张合的难易程度，与原子质量无关；m 是原子的折合质量，即m=m1·m2/(m1+m2)。
上式表明键的振动基频与力常数成正比，力常数越大，振动的频率越高。
振动的基频与原子质量成反比，原子质量越轻，连接的键振动频率越高。
上述是双原子化合物。
多原子组成的非线型分子的振动方式就更多。
含有n 个原子就得用3n 个坐标描述分子的自由度，其中3 个为转动、3 个为平动、剩下3n-6 个为振动自由度。
每一种振动按理在红外光谱中都应该有其吸收峰，但是事实上只有在分子振动时有偶极矩的改变才会产生明显的吸收峰。
红外吸收光谱法原理
红外吸收光谱法原理
红外吸收光谱法是一种常见的分析技术，其原理是通过测量样品吸收红外辐射的能力来获得关于样品分子结构和化学性质的信息。
红外辐射是电磁波的一种，具有较长的波长，处于可见光和微波之间的频率范围。
红外吸收光谱法基于分子在红外辐射下的振动和旋转转换而产生的谱带。
分子的振动可以分为两种类型：拉伸振动和弯曲振动。
拉伸振动是指分子中化学键的伸缩运动，而弯曲振动是指分子中非线性结构的原子发生弯曲运动。
不同类型的振动将具有特定的频率和能量。
当红外辐射通过样品时，其中的特定波长将与样品中分子的振动频率相匹配，导致分子吸收光能量。
测量仪器将记录样品吸收的红外辐射强度，并以谱图的形式表现出来。
在谱图上，吸收强度以峰值的形式呈现，每个峰代表特定类型的化学键或功能基团。
通过与已知化合物的红外光谱进行比较，可以确定未知样品中存在的功能基团和化学键类型。
因此，红外吸收光谱法被广泛应用于有机化学、材料科学、环境分析等领域，用于物质的鉴定、定量分析以及结构表征。
总之，红外吸收光谱法利用分子对特定波长的红外辐射的吸收能力，探测样品中的振动和旋转转换过程，从而揭示样品分子结构和化学性质的信息。
红外吸收光谱法的原理
红外吸收光谱法的原理红外吸收光谱法（Infrared absorption spectroscopy）是一种常用的分析方法，通过测量物质对红外辐射的吸收来研究物质的结构和组成。
其原理基于物质分子的振动和转动，当红外辐射通过样品时，与样品分子相互作用并导致红外辐射被吸收或散射。
进一步，通过测量样品吸收的红外辐射强度，可以得到关于样品内部分子结构和组成的信息。
红外辐射是电磁波的一部分，具有比可见光更长的波长。
红外吸收光谱法利用这种波长特性，通过对样品在红外区域的吸收进行定量或定性分析。
红外吸收光谱法可以用于有机物、无机物、聚合物以及生物分子等各种类型的样品分析。
在红外吸收光谱法中，仪器设备包括一个红外光源、分光器、样品室和检测器。
红外光源产生宽频谱的红外辐射，经过分光器将红外辐射按波长分成多个特定范围。
样品室是一个透明的容器，用于容纳样品。
样品与红外辐射相互作用后，部分辐射被吸收，其余的辐射经过样品，最后被检测器接收。
检测器将接收到的辐射转化为电信号，并通过放大和处理，能够得到样品在各个波长下的吸收谱图。
红外吸收光谱图谱展示了样品在红外区域的吸收峰，峰的位置和强度可以提供关于样品中的化学键、官能团以及分子结构的信息。
每个官能团和化学键都有具有特定的频率和振动模式，当红外辐射与样品分子振动模式相吻合时，就会发生吸收。
因此，通过观察吸收峰的位置和形状，可以推断出样品中存在的官能团和化学键的类型。
总之，红外吸收光谱法利用物质对红外辐射的吸收特性，通过测量红外辐射在样品中的吸收程度，可以获得关于样品的结构和组成的信息。
这种分析方法广泛应用于化学、材料科学、生物科学等领域，为研究和分析各种样品提供了有力的工具。
红外吸收光谱基本原理和技术简析
沿轴振动，只改变键长，不改变键角
2、弯曲振动（Bending Vibration） 又称为变形振动或变角振动。用δ表示。 特点：基团的键角发生周期性的变化，而其键长保持不变。 分子中原子数≥3时，可产生面内弯曲振动和面外弯曲振动。
弯曲振动只改变键角,不改变键长
3.振动自由度与峰数 多原子分子中每个原子的空间位置可由X、Y、Z 三个坐标 来确定。故其在空间的运动有三个子自由度。
1、伸缩振动（Stretching Vibration）
用v 表示。 特点：成键原子沿键轴方向伸缩，键长发生周期性的变化，其 键角不变。 当分子中原子数≥3 时，可产生对称伸缩振动（vs）和反对称 伸缩振动（vas）。
对称伸缩振动（vs） （2853cm-1）
不对称伸缩振动（vas） (2926cm-1)
故 线性分子的振动自由度＝ 3n-5 非线性分子的振动自由度＝ 3n-6
例：水分子（非线性分子） 振动自由度数＝3 ×3 －6 ＝3
红外谱图上的峰数往往少于基本振动的数目。原因： （1）红外非活性振动：分子偶极距不发生变化 （2）峰的简并：振动频率完全相同，吸收带重合 （3）峰的掩盖：宽而强的吸收峰掩盖频率相近的窄
结论： （1）化学键越强，K 越大，振动频率越高； （2）二原子μ越大，振动频率越低。
二、分子的振动能级与吸收峰位置
分子的振动能级是量子化的，相应能级的能量为： E振=（V+1/2）hν
V ：振动量子数，其值可取0，1，2，3 …等整数 ν ：化学键的振动频率
E1 = 1/2 hν E2 = 3/2 hν ……
I ：表示透过光的光强 I0：表示入射光的光强
吸收峰位置由振动能级差的大小决定，取决于基频峰的吸收频率 。每一个较大的吸收峰都代表了分子的一种基本振动的形式。
红外光谱分析红外基本原理优秀PPT
表 某些键的伸缩力常数K（N/cm）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C=C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数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。
50 ~1000
200~10
6.0x1012 ~3.0x1011
2.5~25
4,000 ~400
1.2x1014 ~1.2x1013
红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构 鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物的结构； 对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、 氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。
对称分子：没有偶极矩，辐 射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。
非对称分子：有偶极矩，红 外活性。
偶极子在交变电场中的作用 示意图
红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的机制是通过振动过程 所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场（红外线）相互作用 发生的。
分子由于构成它的各原子的电负性的不同，也显示不同的极性， 称为偶极子。
（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰， 基频峰；
（5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收 峰，倍频峰；
C2H4O
1730cm-1 1165cm-1
H
O
C
CH
H 2720cm-1
H
（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。
（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
红外吸收光谱法及其基本原理
红外吸收光谱法及其基本原理红外吸收光谱法(infrared absorption spectroscopy;IR)是以连续波长的红外光为光源照射样品，引起分子振动能级之间跃迁，从而研究红外光与物质之间相互作用的方法。
所产生的分子振动光谱，称红外吸收光谱。
在引起分子振动能级跃迁的同时不可避免的要引起分子转动能级之间的跃迁，故红外吸收光谱又称振-转光谱。
IR 在化学领域中主要用于分子结构的基础研究以及化学组成的分析，但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，因此IR 是有机药物的结构测定和鉴定最重要的方法之一。
波长在0.76 μm ～1 000 μm 的电磁辐射称为红外光(infrared ray)，该区域称为红外光谱区或红外区。
红外光又可划分为近红外区（0.76 μm ～2.5 μm 或1 3158 cm -1～4 000 cm -1）、中红外区（2.5 μm ～ 50 μm 或4 000 cm -1～200 cm -1）、远红外区（50 μm ～1000 μm 或200 cm -1～10 cm -1）。
其中中红外区是研究分子振动能级跃迁的主要区域。
图2-1为乙酰水杨酸（阿司匹林）的红外光谱图。
图2-1 乙酰水杨酸（阿司匹林）的红外光谱图红外吸收光谱中吸收峰的位置即横坐标可用波长(λ)或波数(ν~)来表示。
横坐标不同，光谱的形状不同，如不注意横坐标的表示，很可能把不同的横坐标表示的同一物质红外光谱误认为不同化合物，得出错误的结论。
红外光谱法的基本原理一、分子的振动能级与振动光谱原子与原子之间通过化学键连接组成分子。
分子是有柔性的，因而可以发生振动。
我们把不同原子组成的双原子分子的振动模拟为不同质量小球组成的谐振子振动(harmonicity)，即把双原子分子的化学键看成是质量可以忽略不计的弹簧，把两个原子看成是各自在其平衡位置附近作伸缩振动的小球（见图2-2）。
红外吸收光谱分析(共27张PPT)
对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动
对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基－CH2为例
苯，3N－6＝30种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰！ 说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远 小于其振动自由度（理论计算值）。
原因:(1)相同频率的峰重叠（2）频率接近或峰弱，仪器检测
不出（3）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（4）并不是
（2）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强
②液体试样：溶液法和液膜法。溶液法是将液体试样溶在适当的红 外溶剂中（CS2，CCl4，CHCl3等）然后注入固定池中进行测定。液 膜法是在可拆池两窗之间，滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜。
③固体试样：压片法、糊状法和薄膜法。压片法通常按照固体样品和 KBr为1：100研磨，用高压机压成透明片后再进行测定。糊状法就是把 试样研细滴入几滴悬浮剂（石蜡油），继续研磨成糊状然后进行测定 。薄膜法主要用于高分子化合物的测定，通常将试样溶解在沸点低易 挥发的溶剂中，然后倒在玻璃板上，待溶剂挥发成膜后再用红外灯加 热干燥进一步除去残留的溶剂，制成的膜直接插入光路进行测定。
（3）组频峰：振动之间相互作用产生的吸收峰
（4）泛频峰：倍频峰＋组频峰
（5）特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。 （6）相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系 的特征峰
红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域
（1）基频区(4000～1350cm-1)又称为特征区或官能团区，其
红外光谱分析法
伸缩振动
弯曲振动 面内弯曲振动
弯曲振动 面外弯曲振动
3. 分子振动形式的个数(分子振动自由度 f=3N-6(5)) 分子振动自由度 意义：估算红外吸收峰个数 估算红外吸收峰个数 实际观察到的红外吸收峰的数目，往往少于振动形式的数目， 减少的原因主要有： (1)不产生偶极矩变化的振动 不产生偶极矩变化的振动没有红外吸收，不产生红外吸收峰。 不产生偶极矩变化的振动 （红外非活性振动，CO2分子的 s 1388cm-1） 红外非活性振动， 分子的v 红外非活性振动 分子的 cm (2)有的振动形式不同 振动形式不同，但振动频率相同 振动频率相同，吸收峰在红外光谱 振动形式不同 振动频率相同 图中同一位置出现，只观察到一个吸收峰，这种现象称为简并 简并。 简并 (CO2分子δ面内, γ面外 667cm-1) 667cm CO 分子δ (3)吸收峰太弱 ， 仪器不能分辨 吸收峰太弱， 吸收峰太弱 仪器不能分辨，或者超过了仪器可以测定的 波长范围。
X－H H 4000cm-1～2500cm-1 =O， X =O，N，C
☆★指纹区1500cm ☆★指纹区1500cm-1~600cm-1 指纹区
指纹区可以表示整个分子的特征 整个分子的特征，用来鉴别烯烃的取代程度 烯烃的取代程度、 指纹区 整个分子的特征 烯烃的取代程度 提供化合物的顺反构型 顺反构型信息；确定苯环的取代基类型 苯环的取代基类型等。 顺反构型 苯环的取代基类型
☆多原子分子的偶极矩与键的偶极矩和分子的
对称性有关
非对称分子
对称分子
是所有键的偶极矩的矢量和！！ 是所有键的偶极矩的矢量和！！
与UV比较，IR的特点：IR频率范围小、吸收峰数目多、吸收 曲线复杂、吸收强度弱。 ★IR峰出现的频率位置由振动能级差决定 ☆★吸收峰的个数与分子振动自由度 分子振动自由度的数目有关 分子振动自由度 ☆★☆吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩变化的 大小和能级跃迁的几率 C=O、Si－O、C－Cl、C－F 等基团极性较强，其吸收较强 C－N，C－H 等极性较弱的基团，吸收谱带的强度较弱
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K化学键的力常数，与键能和键长有关，
为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）
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。
表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型: 力常数: 峰位:
—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
三、分子中基团的基本振动形式 1．两类基本振动形式
伸缩振动 亚甲基：
变形振动 亚甲基
２．峰位、峰数与峰强
（1）峰位 化学键的力常数k 越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）； 反之，出现在低波数区（高波长区）。 例１ 水分子
第九章 红外吸收光
谱分析法
第一节 红外光谱分析
基本原理
一、概述
二、红外光谱与有机 化合物结构
三、分子中基团的基 本振动形式
四、影响峰位变化的 因素
一、概述
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
二、红外光谱与有机化合物结构
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度， 横坐标为波长λ （ μm ） 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位， 峰形，峰强来描述。
结束
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500 1620-1590
1650
3400 1650-1620
HO O
C H3C
O-H 伸缩
OCH3 2835
HO 3705-3125
内容选择：
第一节 红外基本原理 第二节 红外光谱仪器 第三节 红外光谱与分子结构 第四节 红外谱图解析
四、影响峰位变化的因素
化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部 结构和外部因素影响。各种化合物中相同基团的特征吸收并 不总在一个固定频率上。
1．内部因素
（1）电子效应 a．诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（兰移）
R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ; F-COF C=0 1920cm-1 ;
场效应；空间位阻；环张力
CH
3060-3030 cm-1
2900-2800 cm-1
1576cm-1 1611cm-1 1644cm-1
CH C H2
2
C H2 C H2
1781cm-1 1678cm-1 1657cm-1
1651c键)：对峰位，峰强产 生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动。
（2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化时， 无红外吸收。
（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相 差越大（极性越大），吸收峰越强； 例2 CO2分子
（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基 频峰； （5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰， 倍频峰；
R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COF C=0 1920cm-1 ; R-CONH2 C=0 1928cm-1 ;
ｂ．共轭效应
O H3C C CH3
O C CH3
1715 cm -1 1685 cm -1
O
O
C CH3
C
1685 cm -1 1660 cm -1
规律：
（２）空间效应
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。
(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
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数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。
例题: 由表中查知C=C键的k=9.5 9.9 ,令其为9.6, 计算波数值
v 1 1 k 1307 k
2c
1307 9.6 1650cm1 12 / 2
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
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。
对称分子：没有偶极矩， 辐射不能引起共振，无红外活 性。
如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩， 红外活性。 偶极子在交变电场中的作用 示意图