第05章红外光谱分析.ppt
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《红外光谱解析方法》课件
确定分子结构 鉴别化合物
反应机理研究 生物大分子研究
红外光谱能够提供分子中官能团 和化学键的信息，有助于确定分 子的结构。
红外光谱可以用于研究化学反应 机理，通过分析反应前后红外光 谱的变化可以推断出反应过程和 机理。
02
红外光谱解析方法分类
Chapter
基线校正法
基线校正法是一种常用的红外光谱解析方法，主要用 于消除基线漂移和噪声干扰，提高光谱的准确性和可
傅里叶变换法
傅里叶变换法是一种通过傅里 叶变换将时域信号转换为频域 信号，从而解析红外光谱的方
法。
傅里叶变换法能够将复杂的光 谱信号分解为多个简单的正弦 波和余弦波的叠加，便于解析
和识别各种成分的特征峰。
傅里叶变换法需要高精度的光 谱仪和计算机硬件，因此成本 较高。
傅里叶变换法的优点是能够准 确解析各种成分的特征峰，适 用于复杂混合物和生物样品的 分析。
《红外光谱解析方法》ppt课件
目录
• 红外光谱解析方法简介 • 红外光谱解析方法分类 • 红外光谱解析步骤 • 红外光谱解析实例 • 红外光谱解析的未来发展
01
红外光谱解析方法简介
Chapter
红外光谱的基本原理
红外光谱的产生
红外光谱是由于分子振动和转动能级跃迁而产生的 ，不同物质具有不同的能级分布，因此红外光谱具 有特征性。
生物大分子的红外光谱解析在研究其结构和功能方面具有 重要作用。通过分析生物大分子的红外光谱，可以了解其 分子结构和分子间的相互作用，进而研究其在生命过程中 的功能和作用机制。例如，在蛋白质的红外光谱中，可以 观察到蛋白质二级结构的信息，这对于研究蛋白质的结构 和功能具有重要意义。
05
红外光谱解析的未来发展
第五章 红外吸收光谱分析法2PPT课件
Ev Ev1 Ev2 h
(动画)
(2)必须是引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收光谱。
电场
不耦合 无偶极矩变化
无红外吸收
磁场
红外吸收
耦合
交变磁场
分子固有振动
a
偶极矩变化 （能级跃迁）
2020/10/31
8
二、红外吸收光谱产生的条件
如：单原子分子、同核双原子分子：He、Ne、N2、O2、Cl2、 H2 没有红外活性 极性分子具有红外活性，HCl，H2O
2020/10/31
2
2020/10/31
振动能级跃迁的能量： ΔE振动 ≈ 0.05～1 eV λ振动≈ 25 ～1.25 m 转动能级跃迁的能量： ΔE转动 ≈ 0.005～0.050 eV λ转动 ≈ 25 0～25 m
电子能级跃迁的能量： ΔE电子≈ 1～20 eV 200-800 nm
3
y
x
非线形分子：振动自由度= 3N-6
每个振动自由度对应于红外光谱图上的一个基频吸收带
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13
（2）振动基本类型 伸缩振动
振动类型 变形振动
对称性伸缩振动 νs 反对称性伸缩振动 νas
面内变形振动
剪式振动 δs 平面摇摆 ρ
面外变形振动
扭曲振动 τ 垂直摇摆 ω
伸缩振动的k比变形振动k大；因此伸缩振动出现在红外 吸收光谱的高波数区，变形振动出现在红外吸收光谱的低 波数区。
C-C(1430) < C-N(1330)< C-O(1280)(力常数相近）单位：cm-1 kCC (2222) >kC=C (1667) > kC-C (1429)（质量相近）单位：cm-1
红外光谱分析ppt
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。
2015年11月5日
16
广西大学16林学院 张一甫
2.3 红外光谱图的三要素
1) 峰位
分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一定范围，如： C=O的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。
收某些频率的辐射，并转化为分的振动或转动能量，引起
偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激
发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又
2015年11月5日
5
广西大学林学院 张一甫
表1：红外光区的划分
区域名称
近红外区
泛频区
中红外区
基本振动区
波长(µm)
0.75-2.5 2.5-25
波数(cm-1)
13158-4000 4000-400
能级跃迁类型
OH、NH、CH键 的倍频吸收
分子振动/伴随转动
远红外区
分子转动区
25-300
400-10
分子转动
红外光区分成三个区:近红外区、中红外区、远红外区。
其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红
外区的红外光谱。 波长与波数的关系：
(cm1)
正已烷的 红外光谱图
2015年11月5日
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广西大学林学院 张一甫
2.2 多原子分子的振动
对于多原子分子，由于一个原子同时与几个其它原子形成化学键， 振动相互牵连,不易直观加以解释，但可以把它的振动分解为许多简单 的基本振动，即简正振动。一般分成两类：伸缩振动和变形振动。
a. 伸缩振动(νs νas ）
非对称分子：有偶极矩，红外活性。
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2.3 红外光谱图的三要素
1) 峰位
分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一定范围，如： C=O的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。
收某些频率的辐射，并转化为分的振动或转动能量，引起
偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激
发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又
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表1：红外光区的划分
区域名称
近红外区
泛频区
中红外区
基本振动区
波长(µm)
0.75-2.5 2.5-25
波数(cm-1)
13158-4000 4000-400
能级跃迁类型
OH、NH、CH键 的倍频吸收
分子振动/伴随转动
远红外区
分子转动区
25-300
400-10
分子转动
红外光区分成三个区:近红外区、中红外区、远红外区。
其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红
外区的红外光谱。 波长与波数的关系：
(cm1)
正已烷的 红外光谱图
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2.2 多原子分子的振动
对于多原子分子，由于一个原子同时与几个其它原子形成化学键， 振动相互牵连,不易直观加以解释，但可以把它的振动分解为许多简单 的基本振动，即简正振动。一般分成两类：伸缩振动和变形振动。
a. 伸缩振动(νs νas ）
谱图分析课件第5章红外光谱
➢共轭效应对键能和键长有影响，因此对力常数 k 也有影 响。
羰基的伸缩振动频率在 1715 cm-1。当羰基与C=C产生共 轭作用效应时，其振动频率降至 1675 ∼ 1680 cm-1。这是 因为共轭效应使C=O键的键长有所增加，双键性降低。
振动的量子力学处理
（薛定谔方程）简谐振动方式的振动能级为：
36
5.5 官能团的特征频率
5.5.1 官能团具有特征吸收频率 有机分析的对象是多原子分子，而多原子分子具有大
量的简正振动数。虽然实际测得的红外吸收谱峰数目远小 于其简正振动数，但一个化合物仍具有较多的红外吸收 峰，若要将每个吸收峰归属于一个具体的振动形式是困难 的。因此化学家们通过大量标准样品的测试，从实践的观 点总结出了一定的官能团总对应有一定的特征吸收，归纳 出各种官能团的特征频率表，这对从谱图推 测分子结构具 有重要的意义。
➢弯曲振动或变形振动(bending vibration)，以δ表示， 为垂直于化学键方向的振动，只改变键角而不影响键 长，它的吸收频率相对在低波数区。
17
例如：H2O分子的三种振动形式：
对称伸缩振动 不对称伸缩振动
弯曲振动
18
19
CO2分子的四种振动形式
线性分子，33-5=4，四个基本振动形式
羰基与别的双键共轭，其π 电子的离域增大，从而减小了 双键的键级， 使其双键性降低，亦即振动频率降低。
π −π 共轭
p −π 共轭
➢偶极场效应(Field effect)
不同原子或基团不是通过化学键，而是以它们的静电场通过 空间相互作 用，产生相互极化，从而引起相应键红外吸收谱带的 位移。
卤代酮的不同构象
2. 峰强
红外吸收谱带的强度主要由两个因素决定： ➢能级跃迁的概率。基频跃迁概率大，吸收峰较强；倍频跃迁概率很
红外光谱分析全解课堂PPT
红外分光光度计测量分辨率主要决定于狭缝的宽 度，光谱狭缝宽度愈小，仪器的分辨率愈好。所以为 提高仪器的分辨率，应尽可能使狭缝的宽度小。
29
图4-16是聚苯乙烯膜C—H伸缩振动吸收区分辨率与狭 缝宽度的关系。由于狭缝宽不仅分辨率降低，而且谱带形 状和强度也发生变化。
30
2．测量准确度 指仪器记录的样品真实透过度的准确程度。影响测
由于检测器产生的信号很微小，因此，必须将信 号放大，才能记录成红外光谱。
28
三、红外分光光度计的操作性能及影响因素
1．分辨率 分辨率是仪器的重要性能之一，它表示仪器分开
相邻光谱波数（或波长）的能力。普通红外分光光度 计的分辨率至少应为2cm-1或1cm-1，更精密的仪器， 如付里叶变换光谱仪的分辨率可达到0.1cm-1，甚至 更小。
振动光谱分类
定义： 所谓振动光谱是指物质由于吸收了能量而引
起其分子或原子内部基团振动的能量改变所产生 的光谱。 分类：
主要包括红外吸收光谱和激光拉曼光谱。 如果用的光源是红外光谱范围，即0.781000µm，就是红外吸收光谱。如果用的是强单色 光，例如激光，产生的是激光拉曼光谱。
1
第一节 红外光谱的基本原理
9
（5）谱带的划分：
10
11
高岭石{Al4[Si4O10](OH)8 }红外吸收光谱
透过率/%
80 70 60 50 40 30 20 10
0 -10
4000
3500
3000
2500
2000
波 数/cm-1
1500
1000
80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 500
12
三、红外光谱产生的原理
光源 单色器 检测器 电子放大器 记录系统
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图4-16是聚苯乙烯膜C—H伸缩振动吸收区分辨率与狭 缝宽度的关系。由于狭缝宽不仅分辨率降低，而且谱带形 状和强度也发生变化。
30
2．测量准确度 指仪器记录的样品真实透过度的准确程度。影响测
由于检测器产生的信号很微小，因此，必须将信 号放大，才能记录成红外光谱。
28
三、红外分光光度计的操作性能及影响因素
1．分辨率 分辨率是仪器的重要性能之一，它表示仪器分开
相邻光谱波数（或波长）的能力。普通红外分光光度 计的分辨率至少应为2cm-1或1cm-1，更精密的仪器， 如付里叶变换光谱仪的分辨率可达到0.1cm-1，甚至 更小。
振动光谱分类
定义： 所谓振动光谱是指物质由于吸收了能量而引
起其分子或原子内部基团振动的能量改变所产生 的光谱。 分类：
主要包括红外吸收光谱和激光拉曼光谱。 如果用的光源是红外光谱范围，即0.781000µm，就是红外吸收光谱。如果用的是强单色 光，例如激光，产生的是激光拉曼光谱。
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第一节 红外光谱的基本原理
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（5）谱带的划分：
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高岭石{Al4[Si4O10](OH)8 }红外吸收光谱
透过率/%
80 70 60 50 40 30 20 10
0 -10
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波 数/cm-1
1500
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80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 500
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三、红外光谱产生的原理
光源 单色器 检测器 电子放大器 记录系统
红外光谱分析课件
除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差频峰 （ 1-2，21-2， ）等，这些峰多数很弱，一般不容易辨 认。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。
7
2.2.2 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。
24
影响基团频率位移的具体因素
❖ 电子效应 ❖ 空间效应 ❖ 氢键
25
1）电子效应
a．诱导效应：通过静电诱导作用使分子中电子云分布发生变
化引起K的改变，从而影响振动频率。
R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ;
R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COF C=0 1920cm-1 ;
4
2.2 红外光谱的基本原理
2.2.1 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。
1） E红外光=ΔE分子振动 或υ红外光=υ分子振动
2） 红外光与分子之间有偶合作用：分子振动时其偶极矩(μ) 必须发生变化，即Δμ≠0。
8
(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
K化学键的力常数，与键能和键长有关， （为m双1+原m2子）的折合质量 =m1m2/
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。
35
还有一种氢键是发生在OH或NH与C=O之间的，如羧 酸以此方式形成二聚体：
7
2.2.2 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。
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影响基团频率位移的具体因素
❖ 电子效应 ❖ 空间效应 ❖ 氢键
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1）电子效应
a．诱导效应：通过静电诱导作用使分子中电子云分布发生变
化引起K的改变，从而影响振动频率。
R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COCl C=0 1800cm-1 ;
R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COF C=0 1920cm-1 ;
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2.2 红外光谱的基本原理
2.2.1 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。
1） E红外光=ΔE分子振动 或υ红外光=υ分子振动
2） 红外光与分子之间有偶合作用：分子振动时其偶极矩(μ) 必须发生变化，即Δμ≠0。
8
(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
K化学键的力常数，与键能和键长有关， （为m双1+原m2子）的折合质量 =m1m2/
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。
35
还有一种氢键是发生在OH或NH与C=O之间的，如羧 酸以此方式形成二聚体：
红外光谱分析教学PPT课件
红外吸收光谱一般用T ~ 曲线或T ~ （波数）曲线 表示。纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上 则为谷；横坐标是波长（单位为µm ），或 （波数） （单位为cm-1）。
11
第一节
概述
波长与 波数之间的关系为： （波数） / cm-1 =104 /（ / µm ） 中红外区的 波数范围是4000 ~ 400 cm-1 。
9
第一节
概述
合物以及含氢原子团化合物的定量分析。 中红外光区吸收带（2.5 ~ 25µm ）是绝大多数有机化
合物和无机离子的基频吸收带（由基态振动能级（=0）跃迁 至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰）。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，
频率计算公式
式中k为化学键的力常数，定 义为将两原子由平衡位置伸 长单位长度时的恢复力
24
第二节
基本原理
（单位为N•cm-1）。
单键、双键和三键的力常数分别近似为5、10和15 N•cm-1；c为光速（2.9981010cm •s-1），为折合质量， 单位为g，且
根据小球的质量和相对原子质量之间的关系，上式 可写成：
子振动能级差为0.05 ~ 1.0eV，比转动能级差（0.0001
0.05eV）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避 免地伴随转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱， 但为讨论方便，以双原子分子振动光谱为例，说明红外 光谱产生的条件。
若把双原子分子（A-B）的两个原子看作两个小球，
15
第二节
基本原理
18
11
第一节
概述
波长与 波数之间的关系为： （波数） / cm-1 =104 /（ / µm ） 中红外区的 波数范围是4000 ~ 400 cm-1 。
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第一节
概述
合物以及含氢原子团化合物的定量分析。 中红外光区吸收带（2.5 ~ 25µm ）是绝大多数有机化
合物和无机离子的基频吸收带（由基态振动能级（=0）跃迁 至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰）。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，
频率计算公式
式中k为化学键的力常数，定 义为将两原子由平衡位置伸 长单位长度时的恢复力
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第二节
基本原理
（单位为N•cm-1）。
单键、双键和三键的力常数分别近似为5、10和15 N•cm-1；c为光速（2.9981010cm •s-1），为折合质量， 单位为g，且
根据小球的质量和相对原子质量之间的关系，上式 可写成：
子振动能级差为0.05 ~ 1.0eV，比转动能级差（0.0001
0.05eV）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避 免地伴随转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱， 但为讨论方便，以双原子分子振动光谱为例，说明红外 光谱产生的条件。
若把双原子分子（A-B）的两个原子看作两个小球，
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第二节
基本原理
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4）定量分析； 5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 6）分析速度快；
7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。
5
5.2 基本原理 1. 产生红外吸收的条件
分子吸收辐射并产生振转跃迁必须满足两个条件： 条件一：辐射光子的能量应满足分子跃迁所需要的能量。
根据量子力学原理，分子振动能量Ev 是量子化的，即
原子质量。
1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)（质量相近）
2）质量m大，化学键的振动波数低，如:
mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1)(力常数k相近）
1302
k Ar'
EV=（V+1/2）h
为分子振动频率，V为振动量子数，其值取 0，1，2，… 分子中不同振动能级差为
EV=(V1+1/2)h -(V0+1/2)h = Vh 也就是说，只有当EV=Ea或者a=V 时，才有可能发生振转 跃迁。例如当分子从基态（V=0）跃迁到第一激发态（V=1），此 时V=1，即a= 。发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两
外吸收；
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是共轭体系的有机物， 而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。因此，除了单原 子和同核原子如Ne、He、O2、H2等之外几乎所有有机化合物在红外光谱区均 有吸收。
3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度 确定分子基团、分子结构；
Ar'
m1m2 m1 m2
9
例如：HCl分子k=5.1 N/cm，则HCl的振动频率为：
1302
k Ar'
1302 5.1/[(35.51.0) /(35.5 1.0)]
2993 cm1
=1
实测值为2885 .9cm1
对于C-H：k=5 mdyn/Å; =2920 cm-1 对于C=C，k=10 mdyn/Å, =1683 cm-1
主要用于化合物鉴定及分子结构表征，有时也用于定量分析。
2
红外光谱的表示方法： 红外光谱以T~或T~ 来表示，下图为苯甲酮的红外光谱。
纵坐标为吸收强度；横坐标为波长 （m）和波数1/ （cm-1）。也
可以用峰数、峰位、峰形和峰强来描述。
~
注意换算公式： / cm1 104 /( / m)
3
2. 红外光区划分
无偶极矩变化 （=0）
无红外吸收
(非红外活性)
磁场
偶极矩变化 （0）
红外吸收
(红外活性)
交变电磁辐射
分子固有振动
a
偶极子：分子由于其构成分子的各原子的 电负性的不同，显示不同的极性，成为偶 极子。用偶极矩（µ）表示分子极性大小。
µ不断变化 d不断变化 µ = qd
7
2. 分子振动 1）双原子分子振动
杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。 简正振动
整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且 频率及位相相同，此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振 动的线性组合。 简正振动基本形式 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。 变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称
根据小球质量和相对原子质量之间的关系，式1可以写成式2 ：
m1m2
m1 m2
N
1/ A
2
2c
k Ar'
式中：NA为阿伏加德罗常数，6.022×1023；Ar' 为原子折合相对原子质量
1302
k Ar'
Ar'
m1m2 m1 m2
8
某些键的伸缩力常数（N/cm）
影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数 k 和
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！
6
条件二：辐射与物质之间必须有耦合（Coupling）作用。
电场
为满足红外吸收光谱条件，分子振动必须伴随偶极矩变化。能量
转移的机理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。当辐射频率与偶极子频率相匹时，分子 才与辐射相互作用（振动耦合）。
第五章 红外光谱法
（Infra-red Analysis, IR）
5.1 概述
5.2 基本原理 1. 产生红外吸收的条件 2. 分子振动 3. 谱带强度 4. 振动频率 5. 影响基团频率的因素
5.3 红外光谱仪器 5.4 试样制备 5.5 应用简介
1
5.1 概述
1. 定义： 红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频
率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子 振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发 态，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，即为红外光谱。
连续h ( I0 ) M 分子振动转动 跃迁 M * It
它只对红外光谱辐射的选择性吸收，能反映分子内部结构在振 动-转动光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从红外光谱的波形、 波峰的强度和位置及其数目，研究物质的内部结构。
红外光谱 (0.75~1000m)
近红外(泛频） (0.75~2.5 m) 13158~4000/cm-1
中红外(振动区) (2.5~25 m)
4000~400/cm-1
远红外(转动区) (25-1000 m) 400~10/cm-1
倍频 分子振动转动 （常用区）
分子转动
4
3. 红外光谱特点 1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红
对于C-C，k=5 mdyn/Å； =1190 cm-1 =6
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 吸收峰强度跃迁几率偶极矩变化；吸收峰强度 偶极矩的平方；偶 极矩变化——结构对称性：对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大
m1m2
m1 m2 10
2）多原子分子 多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复
分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比） 作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述（胡克定律）：
( 频率 ) 1 k .......... .或 (波数 ) 1 k
2
2c
k为化学键的力常数（N/cm) ; c =3 1010cm/s; 双原子折合质量为单位 g。
7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。
5
5.2 基本原理 1. 产生红外吸收的条件
分子吸收辐射并产生振转跃迁必须满足两个条件： 条件一：辐射光子的能量应满足分子跃迁所需要的能量。
根据量子力学原理，分子振动能量Ev 是量子化的，即
原子质量。
1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)（质量相近）
2）质量m大，化学键的振动波数低，如:
mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1)(力常数k相近）
1302
k Ar'
EV=（V+1/2）h
为分子振动频率，V为振动量子数，其值取 0，1，2，… 分子中不同振动能级差为
EV=(V1+1/2)h -(V0+1/2)h = Vh 也就是说，只有当EV=Ea或者a=V 时，才有可能发生振转 跃迁。例如当分子从基态（V=0）跃迁到第一激发态（V=1），此 时V=1，即a= 。发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两
外吸收；
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是共轭体系的有机物， 而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。因此，除了单原 子和同核原子如Ne、He、O2、H2等之外几乎所有有机化合物在红外光谱区均 有吸收。
3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度 确定分子基团、分子结构；
Ar'
m1m2 m1 m2
9
例如：HCl分子k=5.1 N/cm，则HCl的振动频率为：
1302
k Ar'
1302 5.1/[(35.51.0) /(35.5 1.0)]
2993 cm1
=1
实测值为2885 .9cm1
对于C-H：k=5 mdyn/Å; =2920 cm-1 对于C=C，k=10 mdyn/Å, =1683 cm-1
主要用于化合物鉴定及分子结构表征，有时也用于定量分析。
2
红外光谱的表示方法： 红外光谱以T~或T~ 来表示，下图为苯甲酮的红外光谱。
纵坐标为吸收强度；横坐标为波长 （m）和波数1/ （cm-1）。也
可以用峰数、峰位、峰形和峰强来描述。
~
注意换算公式： / cm1 104 /( / m)
3
2. 红外光区划分
无偶极矩变化 （=0）
无红外吸收
(非红外活性)
磁场
偶极矩变化 （0）
红外吸收
(红外活性)
交变电磁辐射
分子固有振动
a
偶极子：分子由于其构成分子的各原子的 电负性的不同，显示不同的极性，成为偶 极子。用偶极矩（µ）表示分子极性大小。
µ不断变化 d不断变化 µ = qd
7
2. 分子振动 1）双原子分子振动
杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。 简正振动
整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且 频率及位相相同，此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振 动的线性组合。 简正振动基本形式 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。 变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称
根据小球质量和相对原子质量之间的关系，式1可以写成式2 ：
m1m2
m1 m2
N
1/ A
2
2c
k Ar'
式中：NA为阿伏加德罗常数，6.022×1023；Ar' 为原子折合相对原子质量
1302
k Ar'
Ar'
m1m2 m1 m2
8
某些键的伸缩力常数（N/cm）
影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数 k 和
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！
6
条件二：辐射与物质之间必须有耦合（Coupling）作用。
电场
为满足红外吸收光谱条件，分子振动必须伴随偶极矩变化。能量
转移的机理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。当辐射频率与偶极子频率相匹时，分子 才与辐射相互作用（振动耦合）。
第五章 红外光谱法
（Infra-red Analysis, IR）
5.1 概述
5.2 基本原理 1. 产生红外吸收的条件 2. 分子振动 3. 谱带强度 4. 振动频率 5. 影响基团频率的因素
5.3 红外光谱仪器 5.4 试样制备 5.5 应用简介
1
5.1 概述
1. 定义： 红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频
率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子 振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发 态，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，即为红外光谱。
连续h ( I0 ) M 分子振动转动 跃迁 M * It
它只对红外光谱辐射的选择性吸收，能反映分子内部结构在振 动-转动光谱区域内吸收能力的分布情况，可以从红外光谱的波形、 波峰的强度和位置及其数目，研究物质的内部结构。
红外光谱 (0.75~1000m)
近红外(泛频） (0.75~2.5 m) 13158~4000/cm-1
中红外(振动区) (2.5~25 m)
4000~400/cm-1
远红外(转动区) (25-1000 m) 400~10/cm-1
倍频 分子振动转动 （常用区）
分子转动
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3. 红外光谱特点 1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红
对于C-C，k=5 mdyn/Å； =1190 cm-1 =6
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 吸收峰强度跃迁几率偶极矩变化；吸收峰强度 偶极矩的平方；偶 极矩变化——结构对称性：对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大
m1m2
m1 m2 10
2）多原子分子 多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复
分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比） 作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述（胡克定律）：
( 频率 ) 1 k .......... .或 (波数 ) 1 k
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2c
k为化学键的力常数（N/cm) ; c =3 1010cm/s; 双原子折合质量为单位 g。