红外光谱实验报告

1.基本原理
1.1概述
红外光谱法又称“红外分光光度分析法”。

简称“IR”，是分子吸收光谱的一种。

它利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的一法。

被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。

对红外光谱进行剖析，可对物质进行定性分析。

化合物分子中存在着许多原子团，各原子团被激发后，都会产生特征振动，其振动频率也必然反映在红外吸收光谱上。

据此可鉴定化合物中各种原子团，也可进行定量分析。

1.2方法原理
1.2.1红外光谱产生条件
每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。

当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。

分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。

分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。

但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。

所以分子的红外光谱属带状光谱。

分子越大，红外谱带也越多
总之，要产生红外光谱需要具备以下两个条件：
a.辐射应绝缘且能满足物质产生振动跃迁所需要的能量；
b.辐射与物质见又相互耦合作用，分子啊在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变。

1.2.2应用范围
红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能用该方法进行分析，无机、有机、高分子化合物也都可检测。

红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。

红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。

利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。

由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。

此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。

红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。

另外，在化学反应的机理研究上，红外光谱也发挥了一定的作用。

但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。

红外光谱不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性的判据，而且还可以作为表征和鉴别化学物种的方法。

1.2.3定性分析
红外光谱是物质定性的重要的方法之一。

它的解析能够提供许多关于官能团的信息，可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构。

其定性分析有特征性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便、分析成本低等优点。

传统的利用红外光谱法鉴定物质通常采用比较法，即与标准物质对照和查阅标准谱图的方法，但是该方法对于样品的要求较高并且依赖于谱图库的大小。

如果在谱图库中无法检索到一致的谱图，则可以用人工解谱的方法进行分析，这就需要有大量的红外知识及经验积累。

大多数化合物的红外谱图是复杂的，即便是有经验的专家，也不能保证从一张孤立的红外谱图上得到全部分子结构信息，如果需要确定分子结构信息，就要借助其他的分析测试手段，如核磁、质谱、紫外光谱等。

尽管如此，红外谱图仍是提供官能团信息最方便快捷的方法。

1.2.4定量分析
定量分析依据是比尔定律：ecl=logI0/I或A=ecl。

如果有标准样品，并且标准样品的吸收峰与其它成分的吸收峰重叠少时，可以采用标准曲线法以及解联立方程的办法进行单组分、多组分定量。

对于两组分体系，可采用比例法。

但是由于具有谱图复杂，相邻峰重叠多，峰形窄、洗手池厚度不易确定等缺点，红外光谱法一般不用作定量分析。

2.仪器构成
红外光谱仪是由光源、样品室、单色器以及检测器等部分组成。

本实验使用的仪器是尼高力6700型红外光谱仪，见图1。

图1.红外光谱仪
2.1光源
一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观察分子的振动能级跃迁，测定红外吸收光谱，需要能量较小的光源。

黑体辐射是最接近理想光源的连续辐射。

满足此要求的红外光源是稳定的固体在加热时产生的辐射。

常见的有光源有：能能斯特灯、碳化硅棒、白纸线圈。

2.2检测器
红外检测器有热检测器、热电检测器和光电导检测器三种。

前两种用于色散型仪器中，后两种在傅立叶变换红外光谱仪中多见。

2.3傅立叶变换红外光谱仪
如图2所示，光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。

两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器。

动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差d，产生干涉。

干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测。

傅立叶变换红外光谱仪的检测器有TGS，MCT等。

图2.傅立叶变换红外光谱仪构成
傅立叶红外变换光谱仪具有如下优点：
（1）大大提高了谱图的信噪比(throughput or Jaquinot advantage)。

FT-IR 仪器所用的光学元件少，无狭缝和光栅分光器，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比大。

（2）波长(数)精度高(±0.01cm-1)，重现性好。

（3）分辨率高。

（4）扫描速度快(multiplex or Fellgett advantage)。

傅立叶变换仪器动镜一次运动完成一次扫描所需时间仅为一至数秒,可同时测定所有的波数区间。

而色散型仪器在任一瞬间只观测一个很窄的频率范围,一次完整的扫描需数分钟。

3.分析过程
3.1样品处理技术
针对液体样品、固体样品分别有液膜法、溶液法和压片法、薄膜法。

针对气体样品也有专门的处理方法。

3.1.1液体样品
（1）液膜法
液体样品常用液膜法。

该法适用于不易挥发(沸点高于80℃)的液体或粘稠溶液。

使用两块KBr或NaCl盐片。

将液体滴1-2滴到盐片上，用另一块盐片将其夹住，用螺丝固定后放入样品室测量。

若测定碳氢类吸收较低的化合物时，可在中间放入夹片(spacer，约0.05-0.1mm厚)，增加膜厚。

测定时需注意不要让气泡混入，螺丝不应拧得过紧以免窗板破裂。

使用以后要立即拆除，用脱脂棉沾氯仿、丙酮擦净。

（2）溶液法
溶液法适用于挥发性液体样品的测定。

使用固定液池，将样品溶于适当溶剂中配成一定浓度的溶液(一般以10%w/w左右为宜)，用注射器注入液池中进行测定。

所用溶剂应易于溶解样品，是非极性，不与样品形成氢键，溶剂的吸收不与样品吸收重合。

常用溶剂为CS2、CCl4、CHCl3等。

3.1.2 固体样品
（1）压片法
固体样品常用压片法，它也是固体样品红外测定的标准方法。

将固体样品0.5mg～1.0mg与150mg左右的KBr一起粉碎，用压片机压成薄片。

薄片应透明均匀。

（2）薄膜法
该法适用于高分子化合物的测定。

将样品溶于挥发性溶剂后倒在洁净的玻璃板上，在减压干燥器中使溶剂挥发后形成薄膜，固定后进行测定。

常见盐片的红外透明范围为：KBr(400 cm-1)，NaCl(650 cm-1)，CsI(150 cm-1)等。

3.1.3气体样品
气体样品的测定可使用窗板间隔为2.5cm～10cm的大容量气体池，如图3所示。

抽真空后，向池内导入待测气体。

测定气体中的少量组分时使用池中的反射镜，其作用是将光路长增加到数十米。

气体池还可用于挥发性很强的液体样品的测定。

图3.气体池
3.2谱图分析
3.2.1红外光谱的三个重要特征
（1）谱带位置
谱带的位置是指示一定基团存在的最有用的特征，由于若干不同的集团可能在相同的频率区出现，做出判断时要特别慎重。

（2）形状
有时候从谱带的形状也可能得到相关基团的有关信息，这些对于坚定特殊基团的存在很有用。

（3）相对强度
由于分子中极性较强的集团产生强的吸收带，有时我们可以根据相对强度进行分析。

3.2.2同一基团振动峰
任一官能团由于存在伸缩振动（某些官能团同时存在对称和反对称伸缩振动）和多种弯曲振动，会在红外谱图的不同区域显示出几个相关吸收峰。

所以，只有当几处应该出现吸收峰的地方都显示吸收峰时，就可以得出该官能团存在的结论。

以甲基为例，在2960、2870、1460、1380 cm-1处都应有C-H的吸收峰出现。

以长链CH2为例，2920、2850、1470、720 cm-1处都应出现吸收峰。

3.2.3谱图解析顺序
根据质谱、元素分析结果得到分子式。

由分子式计算不饱和度U。

U=四价元素数-（一价元素数/2）+（三价元素数/2）+ 1。

然后先观察官能团区，找出存在的官能团，再看指纹区。

如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置。

根据官能团及化学合理性，拼凑可能的结构。

最后是进一步的确认需与标样、标准谱图对照及结合其它仪器分析手段得出的结论。