红外光谱原理及解析
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只有当 Ea= EV 时，才可能发生振转跃迁。
2020/3/17
有机波谱解析2015-1
6
条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用
＝q×r
正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩 μ=r×q。它是一个矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心 。偶极矩的单位是D（德拜）。
红外活性振动：当分子振动时，只有偶极矩发生变化的振 动才产生红外吸收，这种振动称为红外活性振动。
第三章 红外吸收光谱
【基本内容】 红外光谱的基本知识、重要吸收区段以及在结构研 究中的应用。
【基本要求】 掌握：红外光谱提供的信息与化合物结构间的相
互关系以及重要吸收区段。 熟悉：红外光谱在化合物结构解析中的应用。
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有机波谱解析2015-1
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一、概述
1.1.红外光谱的发展
1) 1947年，第一代双光束红外光谱，棱镜 2) 20世纪60年代，第二代，光栅 3) 70年代后期，第三代，干涉型傅里叶变换红外光谱仪 4) 近年来，第四代激光红外分光光度计。
双原子分子 N = 2，振动自由度 = 3×2-5 = 1 三原子分子 N = 3，振动自由度 = 3×3-6 = 3 －非线性
N = 3，振动自由度 = 3×3-5 = 4 －线性
分子振动自由度数目越大，红外光谱中峰的数目越多。
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有机波谱解析2015-1
m1 m2
K: 化学键的力常数, N·m-1
µ:化学键的折合质量, kg
m1、m2: 化学键连结的两个原子核的质量,kg
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吸收频率用波数（ν）表示
1 1 k c 2c
1307 k( 1 1 ) M1 M 2
c: 光速, 3×1010cm/s K: N·m-1 µ:原子折合质量 kg
物质吸收辐射实质上是外界辐射转移它的能量到分子中去，而 这种能量的转移是通过偶极矩的变化来实现的。
偶极矩变化越大，活性越强，吸收强度越大。
某些极性键如CO2在振动时可以产生瞬间偶极矩的变化，也 会产生红外吸收。
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有机波谱解析2015-1
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2.3 分子的振动类型
键角不变, 键长改变
振动类型
伸缩振动
弯曲振动
键长不变, 键角改变
反对称 伸缩振动
(νas)
对称 伸缩振动
(νs)
H HH H
C
C
面内弯曲(δ面内)
面外弯曲(δ面外)
剪式振动 平面摇摆 非平面摇摆 扭曲振动
+ ++ H H H H H HH H
C
wenku.baidu.com
C
C
C
高频区
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亚甲基的振动形式
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2.5 分子振动方程式
双原子分子的振动方式: 伸缩振动.
如果把双原子分子粗略地看 成弹簧谐振子, 那么化学键的 伸缩振动就是两个原子核在键 轴方向上的简谐振动.
K
m1
m2
双原子分子伸缩振动示意图
根据虎克定律
1 K 2
m1 m2
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1.3. 红外光区划分
红外光谱 (0.75~1000m)
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近红外(泛频） (0.75~2.5 m)
中红外(振动区) (2.5~25 m)
用于研究单键的倍频、组频 吸收,（如0-H,N-H,C-H键。 ）这个区域的吸收很弱
绝大多数基团的基频振动吸收 分子振动转动
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
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查表知C=C键 9.6, 计算波数值
v
1
1
2c
k
1307
k
1307 9.6 1650cm-1 12 / 2
正己烯vC=C ＝1652 cm-1
选择性吸收与能级 跃迁相对应的 特定频率的光
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2.2.振动能级跃迁 ——红外光谱产生的条件
条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。 根据量子力学原理，分子振动能量Ev 是量子化的， 即
E V =（V+1/2）h
-分子振动频率，
V-振动量子数，值取 0，1，2，…
远红外(转动区) (25-1000 m)
分区及波长范围
分子转动
价键转动、晶格转动
跃迁类型
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二.化学键的振动
2.1.化学建的振动 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
电子激发态
4
转动跃迁
3
2 振动跃迁
1
电 子 跃 迁
电子基态
平动能Et: 能级差小, 近似地看成能量变化是连续的
已知C=O键 k=12,
v 求 C=O
12+16 v 1307 12×16 1725 cm－1
键类型: 力常数: 峰位:
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—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
转动能Er: 能级差(3.5×10-3~ 5×10-2eV)
振动能Eν: 能级差(5×10-2~ 1eV)
电子能Ee: 能级差(1~ 20eV)
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能量变化 量子化
4
2. 吸收光谱
强相 用频率连续变化的单色光度 对
照射
光谱
ν1
ν
仪器记录
吸收 有机物分子
透过
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低频区
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2.4.振动自由度
多原子基团有更多的振动形式，可以出现一个以上基频振 动吸收带,吸收带的数目与分子的自由度有关。
自由度的数目等于分子中所有原子在空间的位置所需要坐 标的总数。
3N = 平动 + 转动 + 振动
振动自由度 = 3N – 6 － 非线性分子 振动自由度 = 3N – 5 -- 线性分子
1.2. 红外光谱法特点
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
均有红外吸收； 3）红外光谱特征性强－“分子指纹光谱”。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； 4）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 5）分析速度快，快速测量时可达到60张谱/秒 6）光谱数据积累较多。
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条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用
＝q×r
正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积，叫做偶极矩 μ=r×q。它是一个矢量，方向规定为从负电荷中心指向正电荷中心 。偶极矩的单位是D（德拜）。
红外活性振动：当分子振动时，只有偶极矩发生变化的振 动才产生红外吸收，这种振动称为红外活性振动。
第三章 红外吸收光谱
【基本内容】 红外光谱的基本知识、重要吸收区段以及在结构研 究中的应用。
【基本要求】 掌握：红外光谱提供的信息与化合物结构间的相
互关系以及重要吸收区段。 熟悉：红外光谱在化合物结构解析中的应用。
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一、概述
1.1.红外光谱的发展
1) 1947年，第一代双光束红外光谱，棱镜 2) 20世纪60年代，第二代，光栅 3) 70年代后期，第三代，干涉型傅里叶变换红外光谱仪 4) 近年来，第四代激光红外分光光度计。
双原子分子 N = 2，振动自由度 = 3×2-5 = 1 三原子分子 N = 3，振动自由度 = 3×3-6 = 3 －非线性
N = 3，振动自由度 = 3×3-5 = 4 －线性
分子振动自由度数目越大，红外光谱中峰的数目越多。
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K: 化学键的力常数, N·m-1
µ:化学键的折合质量, kg
m1、m2: 化学键连结的两个原子核的质量,kg
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吸收频率用波数（ν）表示
1 1 k c 2c
1307 k( 1 1 ) M1 M 2
c: 光速, 3×1010cm/s K: N·m-1 µ:原子折合质量 kg
物质吸收辐射实质上是外界辐射转移它的能量到分子中去，而 这种能量的转移是通过偶极矩的变化来实现的。
偶极矩变化越大，活性越强，吸收强度越大。
某些极性键如CO2在振动时可以产生瞬间偶极矩的变化，也 会产生红外吸收。
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2.3 分子的振动类型
键角不变, 键长改变
振动类型
伸缩振动
弯曲振动
键长不变, 键角改变
反对称 伸缩振动
(νas)
对称 伸缩振动
(νs)
H HH H
C
C
面内弯曲(δ面内)
面外弯曲(δ面外)
剪式振动 平面摇摆 非平面摇摆 扭曲振动
+ ++ H H H H H HH H
C
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C
C
C
高频区
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2.5 分子振动方程式
双原子分子的振动方式: 伸缩振动.
如果把双原子分子粗略地看 成弹簧谐振子, 那么化学键的 伸缩振动就是两个原子核在键 轴方向上的简谐振动.
K
m1
m2
双原子分子伸缩振动示意图
根据虎克定律
1 K 2
m1 m2
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1.3. 红外光区划分
红外光谱 (0.75~1000m)
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近红外(泛频） (0.75~2.5 m)
中红外(振动区) (2.5~25 m)
用于研究单键的倍频、组频 吸收,（如0-H,N-H,C-H键。 ）这个区域的吸收很弱
绝大多数基团的基频振动吸收 分子振动转动
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
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查表知C=C键 9.6, 计算波数值
v
1
1
2c
k
1307
k
1307 9.6 1650cm-1 12 / 2
正己烯vC=C ＝1652 cm-1
选择性吸收与能级 跃迁相对应的 特定频率的光
有机波谱解析2015-1
5
2.2.振动能级跃迁 ——红外光谱产生的条件
条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。 根据量子力学原理，分子振动能量Ev 是量子化的， 即
E V =（V+1/2）h
-分子振动频率，
V-振动量子数，值取 0，1，2，…
远红外(转动区) (25-1000 m)
分区及波长范围
分子转动
价键转动、晶格转动
跃迁类型
有机波谱解析2015-1
3
二.化学键的振动
2.1.化学建的振动 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
电子激发态
4
转动跃迁
3
2 振动跃迁
1
电 子 跃 迁
电子基态
平动能Et: 能级差小, 近似地看成能量变化是连续的
已知C=O键 k=12,
v 求 C=O
12+16 v 1307 12×16 1725 cm－1
键类型: 力常数: 峰位:
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15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
转动能Er: 能级差(3.5×10-3~ 5×10-2eV)
振动能Eν: 能级差(5×10-2~ 1eV)
电子能Ee: 能级差(1~ 20eV)
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能量变化 量子化
4
2. 吸收光谱
强相 用频率连续变化的单色光度 对
照射
光谱
ν1
ν
仪器记录
吸收 有机物分子
透过
2020/3/17
有机波谱解析2015-1
低频区
9
2.4.振动自由度
多原子基团有更多的振动形式，可以出现一个以上基频振 动吸收带,吸收带的数目与分子的自由度有关。
自由度的数目等于分子中所有原子在空间的位置所需要坐 标的总数。
3N = 平动 + 转动 + 振动
振动自由度 = 3N – 6 － 非线性分子 振动自由度 = 3N – 5 -- 线性分子
1.2. 红外光谱法特点
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
均有红外吸收； 3）红外光谱特征性强－“分子指纹光谱”。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； 4）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 5）分析速度快，快速测量时可达到60张谱/秒 6）光谱数据积累较多。