仪器分析 (第三版 魏培海)第二章 红外吸收光谱法

非线性分子：
线性分子：
【例题2-2】 试计算CO2的振动自由度，分 析其振动类型。
解：CO2是由3个原子构成的线性分子，因此， 其振自由度为：
三、红外光谱产生的条件
1．辐射光子具有的能量与发生振动跃 迁所需的跃迁能量相等
EV
(v
1 )h
2
只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与 分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐 射，产生红外吸收光谱。
2．分子振动引起瞬间偶极矩变化
有当分子内的振动引起偶极矩变化（△≠0）时才能产 生红外吸收，该分子称之为红外活性的；△=0的分子振动 不能产生红外吸收，称为非红外活性的。同核双原子分子如 H2、O2、N2等其振动过程中偶极矩始终为0，因此没有红外活 性，不会产生红外吸收光谱。
讨论
谱峰数常常少于理论计算出的振动数，原因： ➢ =0的振动不产生红外吸收, 如CO2； ➢ 谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； ➢ 仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。
本章能力目标
➢能根据基团频率判断官能团的存在； ➢能掌握固体及液态样品的制备技术； ➢能操作常用的红外光谱仪 。
第一节 红外吸收光谱法的基本原理
红外光谱(IR)的产生
样品受到的红外光照射时，分子吸收其中 一些频率的辐射，发生振-转能级的跃迁, 分子的偶极矩发生变化，相应于这些区域
的透射光强减弱，记录百分透过率 T% 对
波数或波长的曲线，即得红外光谱。
一、双原子分子的振动
1．双原子分子的简谐振动
键力常数k
HCl振动示意图
2．振动频率
基本振动频率或波数：
K：键力常数（达因·厘米-1,dyn·cm-1）； C：光速（2.9981010cm·s-1）； ：双原子折合质量（g）
公式简化
：相对原子质量单位； k：（N·cm-1）。 NA：阿伏加德罗常数（6.022×1023mol-1）
➢基团频率和特征吸收峰对于分子结构鉴 定具有重要意义。
二、红外光谱区域的划分
➢ 红外光谱仪的工作范围： 4000～400cm-1，常见官能团都在这
个区域内产生吸收带。 ➢红外光谱区划分：
基团频率区（4000～1300 cm-1） 指纹区（1300～400cm-1）
1．基团频率区（4000～1300cm-1）
（1）伸缩振动
只有键长发生变化而键角不变的振动 称。伸缩振动分为对称伸缩和反对称伸缩 振动。
水分子的伸缩振动。其中（a）为对称伸缩振动 (3652cm-1)；(b)为反对称伸缩振动(3756cm-1)
（2）变形振动
指基团键角发生周期变化而键长不变的振 动。变形振动分为面内变形和面外变形振动。
同一基团的变形振动频率比伸缩振动的 频率要低。
苯衍生物的C=C
苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现 C-H和C=C键的面内 变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。
对称伸缩振动（Vs） 伸缩振动
振
反对称伸缩振动（Vas）
动
的
剪式振动（δ）
类
面内变形
型
面内摇摆振动（ρ）
变形振动
面外摇摆振动（ω）
面外变形
扭曲变形振动（τ）
简单振动的类型
2．振动的理论数
N原子分子在红外光谱图上可以出现一个以上 的基频吸收峰，理论上，吸收峰的数目等于分子 的振动的数目（振动自由度）。
“十二五”职业教育国家规划教材
仪器分析
（第三版）
魏培海 曹国庆 主编
第二章 红外吸收光谱法
“十二五”职业教育国家规划教材
红外吸收光谱: 物质的分子受到频率连续变 化的红外光照射时，吸收了某些特定频率的 红外光，发生了分子振动能级和转动能级的 跃迁而形成的光谱。
红外吸收光谱法: 利用红外光谱进行定性定 量分析的方法。
四、红外光谱的表示方法
红外吸收光谱一般用T～曲线或T～ 表示
光谱的基本要素：
光谱的形状、峰的位置、峰的数目和峰 的强度，与分子的结构有密切关系。
峰的位置： 与化学键的力常数、原子折合质量有关；
峰的数目： 与分子中振动数目、光谱产生的条件有关；
峰的强度： 与振动的类型、化学基团的含量等有关。
第二节 基团频率和特征吸收峰
一、基团频率 二、红外光谱区域的划分 三、常见官能团的特征吸收频率 四、基团频率的影响因素
一、基团频率
数据分析： C—H伸缩振动 ：2800-3300cm-1 O－H伸缩振动： 3200～3650 cm-1 N－H伸缩振动： 3100～3500cm-1
➢基团频率: 能代表基团存在，并有较高 强度的吸收谱带称为基团频率，其所在 的位置一般又称为特征吸收峰。
【例题2-1】HCl分子的健力常数为5.1牛 顿·厘米-1，试估计该分子的振动频率。
解： m1 m2 35.51.0 0.97
m1 m2 35.5 1.0
K=5.1N/cm
1304 k 1304 5.1 2984cm1
0.97
（实测值为2886cm-1）
讨论
➢力常数越大，折合质量越小，化学键的 振动频率（波数）越高。
特点 ➢光谱来源：分子振动和转动； ➢样品：气态、液态、固态样品； ➢应用：结构分析。
本章教学内容
➢红外吸收光谱法的基本原理； ➢红外吸收与物质结构的关系； ➢红外光谱仪器； ➢红外吸收光谱法应用；
本章知识目标
➢了解红外光谱产生的原因； ➢掌握伸缩振动振动频率或波数与键力常数及
折合质量的关系 ➢理解基团频率及其影响因素 ➢熟悉红外光谱仪的构成及特点 ➢了解红外光谱法在物质结构分析中的应用
（1）X—H伸缩振动区 (4000 ～2500cm-1）； （2）三键和累积双键伸缩振动区（2500～
1900cm-1）； （3）双键伸缩振动区（1900～1200 cm-1）。
X-H伸缩振动区：4000-2500cm-1
三键及累积双键区（2500~1900cm-1）
双键伸缩振动区（1900~1200cm-1） C
➢C-C、C=C、C≡C三种碳-碳键的折合原 子量相同，而键力常数依次为单键＜双 键＜叁键，所以波数也依次增大。
➢C-C、C-H、 O-H都属于单键，键力常数 相因近此，O-而H键折的合振原动子频量率O最-H＜大。C-H＜C-C ，
二、多原子分子的振动
1．振动的基本形式 双原子分子只有简单的伸缩振动; 多原子分子的振动分解成许多简单的 基本振动。