红外光谱法 PPT课件
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第十二章 红 外 光 谱 法 (IR)
概述
0.78～2.5μm 近红外区 分子振动 (1.7～0.5ev）
一、红外光区
2.5～25 μm
中红外区
分子振动 (0.5～0.025ev）
25 ～1000μm
远红外区分子转动 (0.025～1.2×10-4ev）
二、红外光谱仪的波长测定范围
2.5～25 μ m（4000～400cm-1)，为中红外区, 为振—转光谱。
例: 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 2 c
k k 1307 u u
9.6 1307 1650cm 1 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652cm-1
㈡ 分子中基团的基本振动形式
两类基本振动形式：
⒈伸缩振动
第一节 红外吸收光谱的基本原理
一、分子振动能级和振动形式
1．双原子分子的简谐振动（谐振子模型）
谐振子简谐振动过程位能U与原子间距离r及平 衡距离re间的关系：
2 1 U K r re 2
其中：K 为化学键力常数（N/cm） 当r ＝ re 时， U ＝0 当r ＞re 或r ＜re 时，U ≠0 又振动过程分子的总能量: Ev＝U +T 则：当r ＝ re 时， U ＝0，Ev＝T 当r 很大 时， T ＝0, Ev＝U 量子力学证明，分子振动过程的总能量为：
② K越大表明化学键的强度大。 u:折合原子质量，m1、m2为A、B原子质量
1 K 2 u m1 m2 u m1 m2
因为：
1
1
c K u
2 c
所以当用A、B的折合相对原子质量u′代替折合原子质量u:
1302
K u'
讨论：
①K↑,u′↓,ν↑ ② u′相同的同类原子，K↑,ν↑。
T/%～σ 曲线，吸收峰向下。
σ 单位：cm-1,σ (cm-1)=104/λ (µm)
六、红外光谱与紫外光谱的区别
⒈起源不同：
紫外光谱—电子光谱
红外光谱—振动-转动光谱
⒉特征性不同：
红外光谱的特征性比紫外光谱强。
紫外光谱主要是分子的π 电子或 n 电子跃迁产生的吸收光谱，多数紫外 光谱较简单，特征性较差。
⒉振动频率
Hooke定律推导出谐振子振动频率：
K 化学键力常数，与键能和键长及键的种类有关。 ① 同种原子组成的化学键 单键：（4～6）C-C 5N/cm, σ =1190cm-1；双键：（8～12）C=C 10 N/cm，σ =1683cm-1； 叁键：（12～18）炭炭叁键15 N/cm,σ =2062cm-1。
⒉分子的振动自由度 多原子分子在红外光谱图上，可以出现一个以 上的基频吸收带，基频吸收带的数目等于分子的 振动自由度。 即振动自由度是分子基本振动的数目，即分子 的独立振动数。 用振动自由度可以估计分子的基频峰的可能数 目。 振动自由度= 3N －〔平动自由度+转动自由度〕
⒊分子平动和转动自由度 ① 分子的质心可以沿x、y和z三个坐标方向平移， 故分子的平动自由度等于3。
红外吸收光谱是振动-转动光谱。每个官能团都有几种 振动形式，在红外区相应产生几个吸收峰，光谱复杂，特 征性强。
3.吸收强度：比紫外可见光谱小2～ 3个数量级。
4.适用范围不同 紫外吸收光谱法： ①只适用于研究芳香族或具有共轭的不饱和脂肪族化合 物及某些无机物。 ②测定对象的物态为溶液，极少数为蒸气。 ③主要用于定量分析 红外吸收光谱法： ①结构上不受限制，在中红外光区能测得所有有机化合 物的特征光谱，还可用于研究某些无机物。 ②测定对象的物态为液态、固态以及气态。 ③主要用于定性鉴别及测定有机化合物的分子结构。
EV
1 (V ) hv 2
ν 可取0，1，2，…，称为振动量子数。谐振子跃迁选律为 △ν =±1，据此双原子分子只产生一条共振谱带。 V=0时， 1
EV
2
hvHale Waihona Puke Baidu
此时振动能为零点能。
由于振动能级是量子化的，吸收的光子的能量hν 必须等于振动能级的能量差⊿EV： hν =⊿EV = (Vn+1/2) hν－(Vi+1/2) hν = (Vn－ Vi) hν = ⊿V﹒hν 即： ν= ⊿V﹒ν 结论： 如把双原子分子视为谐振子，发生能级跃迁时所吸 收的红外线频率νL 只能是谐振子振动频率ν的⊿V倍。 V = 0为基态，跃迁至第一激发态V = 1，νL = ν， 此时所产生的吸收峰为基频峰。
键类型 —CC — > —C = C — > —C－C — 力常数 15 10 5 峰位 2060cm-1 1680cm-1 1190cm-1 ③ K 相同，u′↓,ν↑
键类型 —C－H > —C－C — u′ 1 6 峰位 2910cm-1 1190cm-1 ④含氢原子单键的振动吸收峰一般都出现在高波数区 见书238页基频峰分布略图
②只有原子在空间的位置发生改变的转动，才能
形成一个自由度。
线性分子共有3个平动自由度，2 个转动自由度。
非线性分子共有3个平动自由度，3 个转动自由度。
线性分子围绕x和y轴的转动,引起原子的位置改
变，因此各形成一个转动自由度。分子绕z轴转动， 原子的位置没有改变，不能形成转动自由度。
x z x y z y 线性分子平动和转动自由度
x
z
y
非线性分子平动和转动自由度
三、红外光谱学
研究红外辐射与物质分子间作用的学科。
四、用途
⒈进行分子结构的基础研究 测定分子键长、键角、推断分子的立体构型； ⒉进行化学组分的定性和定量分析； ⒊进行有机化合物的结构鉴定。
五、红外吸收光谱的表示法
红外吸收光谱与紫外吸收光谱的表示方法不同。
采用： T～ σ 或 T～λ
目前多采用
紫外吸收光谱用A～λ
⒉弯曲振动、变形振动
㈢分子的振动自由度
⒈分子的总自由度 分子的总自由度等于确定分子中各原子在空 间的位置所需坐标的总数。 在空间确定一个原子的位置，需要3个坐标， 当分子由N个原子组成时，则需要3N个坐标或 自由度才能确定其3N个原子的位置。 对于N个原子构成的分子整体，其分子自由 度的总数，应该等于平动、转动和振动自由度 的总和。 3N =平动自由度+转动自由度+振动自由度
概述
0.78～2.5μm 近红外区 分子振动 (1.7～0.5ev）
一、红外光区
2.5～25 μm
中红外区
分子振动 (0.5～0.025ev）
25 ～1000μm
远红外区分子转动 (0.025～1.2×10-4ev）
二、红外光谱仪的波长测定范围
2.5～25 μ m（4000～400cm-1)，为中红外区, 为振—转光谱。
例: 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 2 c
k k 1307 u u
9.6 1307 1650cm 1 12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652cm-1
㈡ 分子中基团的基本振动形式
两类基本振动形式：
⒈伸缩振动
第一节 红外吸收光谱的基本原理
一、分子振动能级和振动形式
1．双原子分子的简谐振动（谐振子模型）
谐振子简谐振动过程位能U与原子间距离r及平 衡距离re间的关系：
2 1 U K r re 2
其中：K 为化学键力常数（N/cm） 当r ＝ re 时， U ＝0 当r ＞re 或r ＜re 时，U ≠0 又振动过程分子的总能量: Ev＝U +T 则：当r ＝ re 时， U ＝0，Ev＝T 当r 很大 时， T ＝0, Ev＝U 量子力学证明，分子振动过程的总能量为：
② K越大表明化学键的强度大。 u:折合原子质量，m1、m2为A、B原子质量
1 K 2 u m1 m2 u m1 m2
因为：
1
1
c K u
2 c
所以当用A、B的折合相对原子质量u′代替折合原子质量u:
1302
K u'
讨论：
①K↑,u′↓,ν↑ ② u′相同的同类原子，K↑,ν↑。
T/%～σ 曲线，吸收峰向下。
σ 单位：cm-1,σ (cm-1)=104/λ (µm)
六、红外光谱与紫外光谱的区别
⒈起源不同：
紫外光谱—电子光谱
红外光谱—振动-转动光谱
⒉特征性不同：
红外光谱的特征性比紫外光谱强。
紫外光谱主要是分子的π 电子或 n 电子跃迁产生的吸收光谱，多数紫外 光谱较简单，特征性较差。
⒉振动频率
Hooke定律推导出谐振子振动频率：
K 化学键力常数，与键能和键长及键的种类有关。 ① 同种原子组成的化学键 单键：（4～6）C-C 5N/cm, σ =1190cm-1；双键：（8～12）C=C 10 N/cm，σ =1683cm-1； 叁键：（12～18）炭炭叁键15 N/cm,σ =2062cm-1。
⒉分子的振动自由度 多原子分子在红外光谱图上，可以出现一个以 上的基频吸收带，基频吸收带的数目等于分子的 振动自由度。 即振动自由度是分子基本振动的数目，即分子 的独立振动数。 用振动自由度可以估计分子的基频峰的可能数 目。 振动自由度= 3N －〔平动自由度+转动自由度〕
⒊分子平动和转动自由度 ① 分子的质心可以沿x、y和z三个坐标方向平移， 故分子的平动自由度等于3。
红外吸收光谱是振动-转动光谱。每个官能团都有几种 振动形式，在红外区相应产生几个吸收峰，光谱复杂，特 征性强。
3.吸收强度：比紫外可见光谱小2～ 3个数量级。
4.适用范围不同 紫外吸收光谱法： ①只适用于研究芳香族或具有共轭的不饱和脂肪族化合 物及某些无机物。 ②测定对象的物态为溶液，极少数为蒸气。 ③主要用于定量分析 红外吸收光谱法： ①结构上不受限制，在中红外光区能测得所有有机化合 物的特征光谱，还可用于研究某些无机物。 ②测定对象的物态为液态、固态以及气态。 ③主要用于定性鉴别及测定有机化合物的分子结构。
EV
1 (V ) hv 2
ν 可取0，1，2，…，称为振动量子数。谐振子跃迁选律为 △ν =±1，据此双原子分子只产生一条共振谱带。 V=0时， 1
EV
2
hvHale Waihona Puke Baidu
此时振动能为零点能。
由于振动能级是量子化的，吸收的光子的能量hν 必须等于振动能级的能量差⊿EV： hν =⊿EV = (Vn+1/2) hν－(Vi+1/2) hν = (Vn－ Vi) hν = ⊿V﹒hν 即： ν= ⊿V﹒ν 结论： 如把双原子分子视为谐振子，发生能级跃迁时所吸 收的红外线频率νL 只能是谐振子振动频率ν的⊿V倍。 V = 0为基态，跃迁至第一激发态V = 1，νL = ν， 此时所产生的吸收峰为基频峰。
键类型 —CC — > —C = C — > —C－C — 力常数 15 10 5 峰位 2060cm-1 1680cm-1 1190cm-1 ③ K 相同，u′↓,ν↑
键类型 —C－H > —C－C — u′ 1 6 峰位 2910cm-1 1190cm-1 ④含氢原子单键的振动吸收峰一般都出现在高波数区 见书238页基频峰分布略图
②只有原子在空间的位置发生改变的转动，才能
形成一个自由度。
线性分子共有3个平动自由度，2 个转动自由度。
非线性分子共有3个平动自由度，3 个转动自由度。
线性分子围绕x和y轴的转动,引起原子的位置改
变，因此各形成一个转动自由度。分子绕z轴转动， 原子的位置没有改变，不能形成转动自由度。
x z x y z y 线性分子平动和转动自由度
x
z
y
非线性分子平动和转动自由度
三、红外光谱学
研究红外辐射与物质分子间作用的学科。
四、用途
⒈进行分子结构的基础研究 测定分子键长、键角、推断分子的立体构型； ⒉进行化学组分的定性和定量分析； ⒊进行有机化合物的结构鉴定。
五、红外吸收光谱的表示法
红外吸收光谱与紫外吸收光谱的表示方法不同。
采用： T～ σ 或 T～λ
目前多采用
紫外吸收光谱用A～λ
⒉弯曲振动、变形振动
㈢分子的振动自由度
⒈分子的总自由度 分子的总自由度等于确定分子中各原子在空 间的位置所需坐标的总数。 在空间确定一个原子的位置，需要3个坐标， 当分子由N个原子组成时，则需要3N个坐标或 自由度才能确定其3N个原子的位置。 对于N个原子构成的分子整体，其分子自由 度的总数，应该等于平动、转动和振动自由度 的总和。 3N =平动自由度+转动自由度+振动自由度