红外光谱实验报告

红外光谱实验报告

一、实验原理：

1、红外光谱法特点：

由于许多化合物在红外区域产生特征光谱，因此红外光谱法广

泛应用于这些物质的定性和定量分析，特别是对聚合物的定性

分析，用其他化学和物理方法较为困难，而红外光谱法简便易

行，特别适用于聚合物分析。

2、红外光谱的产生和表示

红外光谱定义：分子吸收红外光引起的振动能级跃迁和转动能级跃

迁而产生的吸收信号。

分子发生振动能级跃迁需要的能量对应光波的红外区域分类为：

i.近红外区：10000-4000cm-1

ⅱ.中红外区：4000-400cm-1——最为常用，大多数化合物的化键振

动能级的跃迁发生在这一区域。

ⅲ.远红外区：400-10cm-1

产生红外吸收光谱的必要条件：

1）分子振动：只有在振动过程中产生偶极矩变化时才能吸收红外辐射。

ⅰ.双原子分子的振动：（一种振动方式）理想状态模型——把两个

原子看做由弹簧连接的两个质点，用此来

描述即伸缩振动；

图1 双原子分子的振动模型

ⅱ.多原子分子的振动：（简正振动，依据键长和键角变化分两大类）

伸缩振动：对称伸缩振动

反对称伸缩振动

弯曲振动：面内弯曲：剪切式振动

（变形振动）平面摇摆振动

面外弯曲振动：扭曲振动

非平面摇摆振动

※同一种键型，不对称伸缩振动频率大于对称伸缩振动频率，伸缩振动频率大于弯曲振动频率。

※当振动频率和入射光的频率一致时，入射光就被吸收，因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一特定范围内出现吸收峰。ⅲ.分子振动频率：

基频吸收（强吸收峰）：基态到第一激发态所产生分子振动

的振动频率。

倍频吸收（弱吸收峰）：基态到第二激发态，比基频高一倍

处弱吸收，振动频率约为基频两倍。

组频吸收（复合频吸收）：多分子振动间相互作用，2个或2

个以上基频的和或差。

※由于E振动>E转动，分子吸收红外光，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，必然伴随着转动能级的跃迁，因此红外光谱图是

正负效应叠加，呈曲线而非直线

ⅳ.分子振动自由度：基本振动的数目称为振动自由度。

⊙在含有n个原子的分子中，一般非线性分子应有3n-6个自

由度；线性型分子有3n-5个自由度

2）：只有当红外线的能量恰好等于激发某一化学键从基态跃迁到激发态的某种振动能级所需要的能量时，这

样的红外线才能被样品吸收。

※形成红外谱带：一束连续改变波长的红外光照射，通过样品的红外光在某些能引起分子振动的波数范围内（峰位）被吸收，

引起透光率下降，吸收强度（峰强度）的增加。

3、红外光谱及其表示方法：

红外光谱所研究的是分子中原子的相对振动，也可归结为化学键的振动。不同的化学键或官能团，其振动能级从基态跃迁到激发态所需要的能量不同，因此要吸收不同的红外光。物理吸收不同的红外光，将在不同波长上出现吸收峰。红外光谱就是这样形成的。

红外光谱的表示方法如下图所示：

典型的红外光谱。横坐标为波数(cm-1，最常见)或波长( m)，纵坐标为透光率或吸光度。

红外波段通常分为近红外（13300～4000cm-1）、中红外（4000～400cm-1）和远红外（400～10cm-1）。其中研究最为广泛的是中红外区。

4、红外图谱的分析：

红外光谱图：纵坐标吸光度，横坐标为波数；谱图用峰数、峰位、峰形、峰强描述；

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：特征峰强度；

※理论上，每个振动自由度在红外光谱区均产生一个吸收峰，但实际的红外图谱中峰的数目少于自由度，原因：

1）只有偶极矩变化的振动才会产生红外吸收；

2）频率完全相同的振动导致峰重叠彼此简并；

3）强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而窄的吸收峰；

4）某些振动吸收强度极弱或者超出记录范围；

※决定峰强的因素：分子振动对称性：对称性增大，偶极矩变化减小，强度

降低；

基团极性：极性增大，偶极矩变化增大，强度上升；

分子振动能级跃迁几率：跃迁几率升高，强度增大；

样品浓度：浓度增加，强度增大；

※影响频率位移：

内部因素：诱导效应：取代基电负性越大诱导效应显著

谱带向高频位移

共轭效应：稳定性增强，谱带向低频位移，吸收强度增

加

键应力影响：振动频率随环的原子个数减少而增加；

氢键效应：伸缩振动：氢键越强，谱带越宽，吸收强度

越大，低频位移。

弯曲振动：氢键越强，谱带越窄，吸收强度

越小，高频位移。

偶合效应：频率相同或相近的基团结合，分裂成两峰

费米共振：一个基团倍频和合频与另一个基团基频相近，

对称性同，产生共振和使谱带分裂外部因素：由外界物理因素，三态、溶液、折射率、粒度影响。

※红外图谱的四个大区

一些简单官能团的特征峰：

1.烷烃：C-H伸缩振动（3000-2850cm-1）；C-H弯曲振动（1465-1340cm-1）

一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的频率吸收。

2.烯烃：烯烃C-H伸缩（3100-3010cm-1）;C=C伸缩(1675-1640 cm-1);

烯烃C-H面外弯曲振动（1000-675cm-1）。

3.芳烃:3100-3000cm-1芳环上C-H伸缩振动;1600-1450cm-1 C=C

骨架振动;880-680cm-1 C-H面外弯曲振动);

芳香化合物重要特征：一般在1600，1580，1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。880-680cm-1,C-H面外弯曲振动吸收,依苯环

上取代基个数和位置不同而发生变化 ,在芳香化合物红外谱图分析中,常常用此频区的吸收判别异构体。

4.醇和酚:主要特征吸收是O-H和C-O的伸缩振动吸收。

自由羟基O-H的伸缩振动：3650-3600cm-1,为尖锐的吸收峰。

分子间氢键O-H伸缩振动：3500-3200cm-1,为宽的吸收峰;

C-O 伸缩振动：1300-1000cm-1;O-H 面外弯曲：769-659cm-1

红外光谱的应用：红外光谱在高分子研究中是一种很有用的手段，目前

普遍的应用有下述几方面：

1)分析与鉴别高聚物：因红外操作简单，谱图的特征性强，因此是

鉴别高聚物很理想的方法。用红外光谱不仅可区分不同类型的高

聚物，而且对某些结构相近的高聚物，也可以依靠指纹图谱来区

分。

2)高聚物反应的研究：用红外光谱特别是傅里叶变换红外光谱，可

直接对高聚物反应进行原位测定，从而研究高分子反应动力学，

包括聚合反应动力学和降解、老化过程的反应机理等。