仪器分析第8章-红外光谱法

第8章红外光谱分析法

教学时数：6学时

教学要求：

1、理解产生红外吸收的条件。

2、了解分子的振动类型，红外光谱中吸收峰增减的原因。

3、理解影响吸收峰的位置、峰数、峰强的主要因素。

4、掌握基团频率和特征吸收峰，主要有机化合物的红外吸收光谱特征。

5、理解影响基团频率位移的因素

6、掌握红外吸收光谱法的定性、定量方法。

7、了解红外光谱的构造与红外制样技术。

教学重点与难点：

重点：红外吸收的条件，影响吸收峰强度的因素，基团频率和特征吸收峰，典型有机化合物的红外光谱主要特征，定性分析。

难点：分子的振动，影响基团频率的因素，结构推断。

§8-1 概述

一、分子光谱与红外光区的划分

E分子= E电子+E振动+ E转动

其中E电子属于紫外，可见研究的范围，分子的振动，转动光谱属于红

外光谱研究的范围。其波长范围约为0.75—1000nm 根据仪器技术及应用不同，习惯上把红外光谱分成三个区：

1、近红外区（λ=0.75—2.5μm ）

主要低能电子跃迁，含氢原子团的倍频吸收，用于研究稀土及其它过渡金属化合物，含氢（-OH 、N-N 、C-H ）原子团的吸收

2、中红外区（λ=2.5 —25μm ）

大多有机化合物及无机离子的基频吸收带出现在该光区，主要由分子的振动和转动跃迁引起的，最适用于定性定量分析，且仪器及分析测试技术最成熟。

3、远红外区（λ= 25—1000μm ）

主要是分子的纯转动能级跃迁以及晶体振动很少应用。红外光谱中一般以波数表示谱带的位置，而不是用波长

σ（cm 1-）=)

(1cm λ 二、 红外光谱研究的对象及特点

1、研究对象：

红外光谱是振动—转动光谱，但它只能研究震动中伴有偶极矩变化的化合物。 极性分子 有偶极矩变化—红外 μ≠0

非极性分子μ=0

振动—转动光谱无偶极矩变化—拉曼光谱

凡极性分子，振动时都可发生偶极矩变化

2、特点

①研究范围广除单原子和同核双原子分子，几乎都有红外吸收

②分析特征性强凡结构不同的化合物，红外光谱必不同

③气、液、固样品皆可，用量少，分析速度快，不破坏样品

§8-2 红外光谱的基本原理

一、双原子分子的振动

任何分子都是由原子通过化学键联结而组成的。分子中的原子与化学键都处于不断地运动中。

分子的振动运动可近似地看成一些用弹簧连接着的小球运动，以双原子为例。则可把其看做两个小球，它们之间的伸缩振动可近似看成沿轴方向的简谐运动。

该体系的振动频率由经典力学（虎克定律）可导出

二、红外吸收光谱产生的条件：

1、如果辐射体系发射出的光量子的能量满足振动跃迁所需的能量 γh E E ==∆振 振γγ•∆=V 1±=∆ 、2±、3±

2、分子在振动过程中必须有偶极矩的变化——红外活性

小结：

双原子分子

同核双原子分子 偶极矩不变化 无红外活性 如：O2

极性双原子分子 有红外活性 如HCl

多原子分子 不管是对称的还是非对称的都具有红外活性；

3、影响峰数减少的因素：

从理论上计算，线形分子的振动自由度为 3N-5

非线形分子的震动自由度为：3N-6 但大多数化合物在红外光谱上出现的峰数远小于理论值，这是因为：

（1）振动过程中不发生偶极矩变化，不产生红外吸收。

（2）由于分子对称性的缘故，某些震动频率相同，彼此简并‘

（3）强峰往往覆盖与它相近而弱而窄的峰

（4）仪器无法区别频率十分接近或吸收很弱的峰

（5）有些吸收或在仪器检测范围之外

总之，分子的对称性越强，简并情况越多如CO2、线形分子、吸收峰

3N-5=9-5=4 单只出现667cm-1 2349cm-1两个基本吸收峰。

三、红外吸收峰的强度

振动能级的跃迁几率基频跃迁几率大

1、影响强度的因素

振动过程偶极矩的变化

由于第一激发态的跃迁几率远大于被频峰

2、吸收峰的强度与分子震动时偶极矩变化的平方成正比。

影响偶极矩变化因素有：

（1）连续原子的电负性差异如C=O常常是红外中最强吸收峰而C=C 相对强度较弱，

有时还可能不出现

（2）分子对称性

γ〉的强度

（3）振动的形式伸缩振动峰强〉变形振动s

asγ

（4）其它因素如费米共振，形成氢键等以及与偶极矩较大基团共轭等，也会影响峰强

1

A=lg

T

四、红外吸收中的常用几个术语

倍频峰

1、基频峰与泛频峰差频峰

合频峰

2、特征峰与相关峰：反用于鉴定原子几团存在并有较高强度的峰，称为特征峰把另一些相互依存而又可以相互佐证的峰称为相关峰。

§8-3基团频率和特征吸收峰

物质的红外光谱，是其分子结构的反映。红外光谱实质上就是根据各种基团的特征来推测其结构。

特征吸收：指基团在特定的红外区域有吸收，且其它部分对次吸收位置影响较小，并有较强的吸收谱带的吸收称为特征吸收。（官能团吸收）

其他的吸收称为相关吸收。

一、官能团区

范围4000-1300cm-1 ，由伸缩振动产生，基团的特征吸收峰，一般在此范围，吸收峰较稀，基团鉴定最有价值的区域。

官能团区可分为三个波段

1. 4000——2500cm-1区X-H伸缩振动区（X=C、O、N等）有H 原子存在，如

O-H（3700——3200cm-1）COO-H(3600——3500cm-1)N-H（3500——3300cm-1）

C-H(3300cm-1)