红外吸收光谱分析

关于力常数k: 化学键的强度可以用k来形象描述，同类原子组成的化学 键，折合质量相同，频率取决于k.
如：－C－C－，k=5 N/cm,频率＝1190 cm-1
－C＝C－, 10 －C≡C－ , 15 1685 2062
如果化学键相同，原子质量决定频率。 如：C－H， 2920 C－C， 1190 对于双原子分子（谐振子）的振动能量：要用量子力学 来处理
第二节
红外吸收基本理论
一、分子的振动与振动能级 1、谐振子（harmonic oscillator） 对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双
原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。
弹簧的力常数k来代表化学键的强度（N/cm）。
谐振子的振动频率（经典力学的计算方法） 根据虎克定律：
三、红外光谱图表示方法
以透射比T％为纵坐标，以波长λ（ μm ）或波数1/λ
（ σ，cm-1）为横坐标作图得到红外吸收光谱图。
从红外光谱图上得到的信息： 峰的数目：与分子中基团有关 峰的形状：宽窄；结构定性的辅助手段 峰的位置：结构定性的主要依据 峰的强度：高低，结构定性的辅助手段，可作为
定量依据
ns
symmetric
nas
asymmetric
再看一下弯曲振动：键角发生变化而键长不变 两类：面内弯曲振动
d
scissoring
r
wagging
面外弯曲振动
w
rocking
t
twisting/torsion
三、分子的振动自由度 分子振动形式的多少称为振动的自由度，换句话说，振 动自由度就是分子的独立的振动数目。 如何计算分子的振动自由度？
讨论:
（1）振动能级之间的能级差能量较小，分子在振动能级
之间跃迁吸收红外光辐射；
（ 2）从 v=0 跃迁至 v ＝ 1 产生的吸收谱线称为基本谱带或 基频峰； （3）从v＝0跃迁至v＝2产生的吸收谱带称为倍频峰，跃 迁至 v＝ 2 称为第一倍频峰， v ＝ 3称为第二倍频峰；倍频 峰的频率不是基频峰的整数倍，而是略小。 （4）基频峰跃迁几率大，峰最强，倍频峰较弱
例如：
H2，双原子分子，3N－5＝1
H2O，三原子分子，非线性，3Βιβλιοθήκη Baidu－6＝3 （动画）
vs
vas
d
CO2,三原子分子，线性，3N－5＝4 (动画)
+
-
+
d
t
例如：苯，3N－6＝30种，实际上苯的红外谱图上只有几 个吸收峰！
说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目
要远小于其振动自由度（理论计算值）。
注意： （1）对于双原子分子，其振动频率可以采用经典力学的 方法计算，但振动的能量是量子化的，必须根据量子力 学的方法处理。
（2）能级等间隔，都是hv。
（3）双原子分子（谐振子）的振动能级的跃迁选律 （Vibrational Selection Rule）：Dn = ±1
2、非谐振子 实际上双原子分子不是理想的谐振子，原因有俩： （1）电子云的排斥，两个原子靠的越近，斥力越大； （2）两个原子之间的距离增大到一定程度后，分子解离。 因此双原子分子应该看成是非谐振子。从势能图上看区 别！
二、分子的振动方式 构成分子的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置 做相对运动，从而产生振动！原子与原子之间的相对运
动无非有两种情况，即：键长发生变化（伸缩振动，
Stretch），键角发生变化（弯曲振动，Bend） 1、对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动
2、对于多原子分子来说，情况比较复杂 伸缩振动：change in bond length 弯曲振动：change in bond angle 先看一下伸缩振动：也两种情况：对称和不对称伸缩 以亚甲基－CH2为例(动画)
主要内容
第一节 概述
第二节 红外吸收基本理论
第三节
第四节
红外吸收光谱仪
红外吸收光谱分析
第一节
概
述
红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的 一种光谱分析方法。 一、红外光区的划分及主要应用
红外光谱在可见光和微波光区之间，其波长范围约 0.78～1000μm。根据能量与可见光的接近程度，习惯上 按红外光波长，将红外光谱分成三个区域： 近红外（泛频区） λ 0.78～2.5μm
σ12000～4000cm-1
中红外（基本振动区）λ 2.5～50μm σ 4000～200cm-1 远红外（转动区） λ 50～1000μm σ 200～10cm-1
二、红外光谱法特点 ⒈ 红外光谱不涉及分子的电子能级，主要是振动能级 跃迁（当然还有转动能级的跃迁）。 2. 涉及绝大多数有机物； 3、红外光谱的结构信息丰富； 4、物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗
原因:(1)相同频率的峰重叠，即简并；（2）频率接近或
峰弱，仪器检测不出；（3）有些吸收峰落在仪器的检测 范围之外；（4）并不是所有的振动都产生红外吸收！ 那么什么情况下的振动产生红外吸收？
我们在光学导论提到过，光是电磁波（电场＋磁场） 分子也有电场（偶极矩），分子中的原子在做振动时，偶 极矩会发生变化。 红外吸收的产生是由于分子电场和红外光电场的相互耦合 作用！
有两种转动方式，转动自由度为2
对于非线形分子：
有三种转动方式，转动自由度为3
（3）振动 因此：对于有N个原子的分子来说，总的运动自由度＝平 动自由度＋转动自由度＋振动自由度＝3N 振动自由度＝运动自由度－平动自由度－转动自由度
对于线性分子：振动自由度＝3N－5
对于非线性分子：振动自由度＝3N－6
伯－比尔定律，可以定量分析，但一般只做结构分析。
5、非破坏性分析。
IR
UV
起源 分子振动能级伴随转动能级跃迁 分子外层价电子能级跃迁 适用 所有红外吸收的有机化合物 具n-π*跃迁有机化合物 具π-π*跃迁有机化合物
特征性 特征性强
用途 鉴定化合物类别 鉴定官能团 推测结构
简单、特征性不强
定量 推测有机化合物共轭骨架
1 、如果一个分子有 N个原子，在三维空间里（x,y,z)，
每个原子的运动自由度为 3 ， N 个原子的总运动自由度
（运动数目）＝3N。
2、分子在空间的运动形式有三种：平动，转动，振动 （1）平动：分子作为一个整体在空间平移。
有三种平动方式，平动自由度为3
（2）转动：分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。 对于线形分子：