红外光谱分析1-第五篇
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由于各种物质分子内部结构的不同，分子的能级也千差万别，各种 能级之间的间隔也互不相同，这样就 决定了它们对不同波长光线的 选择吸收
如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一 波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作 图，得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线
例题: 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 k 1307 k 1307 9.6 1650cm1
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。
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，
为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）
当波长用µm 表示时，波数和波长之间的关系为： σ =104/ λ （cm-1）
T~λ曲线 →
前密后疏
T ~σ曲线 →
前疏后密
光量子能量
为什么产生？
➢ 分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的 能量，属于一定的能级 ➢ 电子由于受到光、热、电的激发，从一个能级转移到另一个能级，称 为跃迁 ➢ 当这些电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到 另一个能量较高的能级。由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复 杂，分子吸收光谱也就比较复杂 ➢ 在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振 动和分子绕重心的转动。而振动能和转动能，按量子力学计算是不连续 的，即具有量子化的性质
红外光谱分析1
王飞，13867486120
1. 概述
电磁波位置
红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光 和微波之间的一段电磁波
分区
根据实验技术和应用的不同，将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
区域名称 近红外区 泛频区
波长(µm) 0.75-2.5
➢ 分子的转动能级变化△Er大约比分子的振动能级变化△Ev小10倍或 100倍，一般小于0.05eV。假设分子的转动能级变化△Er为0.005eV， 则为5eV的电子能级间隔的0.1%。当发生电子能级和振动能级之间的 跃迁时，必然会发生转动能级之间的跃迁。由于得到的谱线彼此间的 波长间隔只有250nm ×0.1% = 0.25nm，如此小的间隔使它们连在一 起，呈现带状，称为带状光谱
某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能 力的分布情况，可以从波形、波峰的强度和位置及其数 目，研究物质的内部结构
分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时， 不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹 的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种 光谱称为红外吸收光谱
右图是双原子分子的能级示 意图，图中EA和EB表示不同 能量的电子能级，在每个电 子能级中因振动能量不同而 分为若干个 = 0、1、2、 3…… 的 振 动 能 级 ， 在 同 一 电子能级和同一振动能级中， 还因转动能量不同而分为若 干个J = 0、1、2、3……的 转动能级。
吸收光谱
物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地 吸收那些能量相当于该分子振动能变化△Ev 、转动能变化△Er以及 电子运动能量变化△Ee总和的辐射
一般所说的红外光谱大都是指这一范围的光谱
几个概念
光的传播过程中波长频率和光速之间有如下的关系： λγ=C 式中λ-波长，cm；γ-频率，s-1；C-光速，cm/s；C=3×1010cm/s。
通常红外波段表示波长的单位是微米（µm）。但红外光谱中更习 惯于使用波数来表示吸收谱带的位置，其符号记作σ，代表每厘米 距离中包括的电磁波的数目。波数和波长之间的关系： σ =1/λ=γ/C
红外吸收光谱是一种分子吸收光谱
2. 双原子分子的红外吸收
红外吸收光谱产生的条件
应满足两个条件： （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
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
波尔方程
一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化△E为其振动能变化 △Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee的总和，即
E EV Er Ee
式中△Ee最大，一般在1～20eV之间。现假设△Ee为5eV，其相应的波 长为：
hc Ee
6.621034 J s 3.01010 cm s1 51.61019 J
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。
某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数k越大）原子折合质量 越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
中红外区 基本振动区 2.5-Fra Baidu bibliotek5
波数(cm-1) 13158-4000
能级跃迁类型
OH、NH、CH键 的倍频吸收
4000-400
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
中红外区
中红外区（2.5～25µm；4000～400 cm-1）能很好地 反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构 方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种 问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最 广的区域
2.5105cm 250nm
➢ 分子的振动能级变化△Ev大约比电子运动能量变化△Ee小10倍，一般 在0.05～1eV之间。如果分子的振动能级变化△Ev为0.1eV，即为5eV 的电子能级间隔的2%。因此在发生电子能级之间跃迁的同时，必然 会发生振动能级之间的跃迁，得到一系列的谱线，相互波长的间隔是 250nm× 2% = 5nm，而不是250nm单一的谱线
如果改变通过某一吸收物质的入射光的波长，并记录该物质在每一 波长处的吸光度（A），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作 图，得到的谱图称为该物质的吸收光谱或吸收曲线
例题: 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 k 1307 k 1307 9.6 1650cm1
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。
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，
为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）
当波长用µm 表示时，波数和波长之间的关系为： σ =104/ λ （cm-1）
T~λ曲线 →
前密后疏
T ~σ曲线 →
前疏后密
光量子能量
为什么产生？
➢ 分子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的 能量，属于一定的能级 ➢ 电子由于受到光、热、电的激发，从一个能级转移到另一个能级，称 为跃迁 ➢ 当这些电子吸收了外来辐射的能量，就从一个能量较低的能级跃迁到 另一个能量较高的能级。由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复 杂，分子吸收光谱也就比较复杂 ➢ 在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振 动和分子绕重心的转动。而振动能和转动能，按量子力学计算是不连续 的，即具有量子化的性质
红外光谱分析1
王飞，13867486120
1. 概述
电磁波位置
红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光 和微波之间的一段电磁波
分区
根据实验技术和应用的不同，将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
区域名称 近红外区 泛频区
波长(µm) 0.75-2.5
➢ 分子的转动能级变化△Er大约比分子的振动能级变化△Ev小10倍或 100倍，一般小于0.05eV。假设分子的转动能级变化△Er为0.005eV， 则为5eV的电子能级间隔的0.1%。当发生电子能级和振动能级之间的 跃迁时，必然会发生转动能级之间的跃迁。由于得到的谱线彼此间的 波长间隔只有250nm ×0.1% = 0.25nm，如此小的间隔使它们连在一 起，呈现带状，称为带状光谱
某物质的吸收光谱反映了它在不同的光谱区域内吸收能 力的分布情况，可以从波形、波峰的强度和位置及其数 目，研究物质的内部结构
分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时， 不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹 的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种 光谱称为红外吸收光谱
右图是双原子分子的能级示 意图，图中EA和EB表示不同 能量的电子能级，在每个电 子能级中因振动能量不同而 分为若干个 = 0、1、2、 3…… 的 振 动 能 级 ， 在 同 一 电子能级和同一振动能级中， 还因转动能量不同而分为若 干个J = 0、1、2、3……的 转动能级。
吸收光谱
物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地 吸收那些能量相当于该分子振动能变化△Ev 、转动能变化△Er以及 电子运动能量变化△Ee总和的辐射
一般所说的红外光谱大都是指这一范围的光谱
几个概念
光的传播过程中波长频率和光速之间有如下的关系： λγ=C 式中λ-波长，cm；γ-频率，s-1；C-光速，cm/s；C=3×1010cm/s。
通常红外波段表示波长的单位是微米（µm）。但红外光谱中更习 惯于使用波数来表示吸收谱带的位置，其符号记作σ，代表每厘米 距离中包括的电磁波的数目。波数和波长之间的关系： σ =1/λ=γ/C
红外吸收光谱是一种分子吸收光谱
2. 双原子分子的红外吸收
红外吸收光谱产生的条件
应满足两个条件： （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
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
波尔方程
一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化△E为其振动能变化 △Ev、转动能变化△Er以及电子运动能量变化△Ee的总和，即
E EV Er Ee
式中△Ee最大，一般在1～20eV之间。现假设△Ee为5eV，其相应的波 长为：
hc Ee
6.621034 J s 3.01010 cm s1 51.61019 J
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。
某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数k越大）原子折合质量 越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
中红外区 基本振动区 2.5-Fra Baidu bibliotek5
波数(cm-1) 13158-4000
能级跃迁类型
OH、NH、CH键 的倍频吸收
4000-400
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
中红外区
中红外区（2.5～25µm；4000～400 cm-1）能很好地 反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构 方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种 问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最 广的区域
2.5105cm 250nm
➢ 分子的振动能级变化△Ev大约比电子运动能量变化△Ee小10倍，一般 在0.05～1eV之间。如果分子的振动能级变化△Ev为0.1eV，即为5eV 的电子能级间隔的2%。因此在发生电子能级之间跃迁的同时，必然 会发生振动能级之间的跃迁，得到一系列的谱线，相互波长的间隔是 250nm× 2% = 5nm，而不是250nm单一的谱线