傅里叶红外光谱分析PPT课件
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傅里叶红外光谱分析
德国布鲁克TENSOR27
程德军
2021/4/2
.
1
•时间安排 总共1小时
•理论25分钟 •操作讲解10分钟 •学生实验25分钟
2021/4/2
.
2
1 傅里叶红外光谱原理 2 德国布鲁克TENSOR27 3 红外制样 4 结构分析初步知识
2021/4/2
.
3
1 傅里叶红外光谱原理
1.1、概述
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
近红外区 中红外区 远红外区
2021/4/2
.
4
2021/4/2
.
5
红外光谱与有机化合物结构
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度，
横坐标为波长λ （ m ） 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位， 峰形，峰强来描述。
例2 CO2分子
（有一种振动无红外 活性）
(动画)
（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基 频峰；
（5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰， 倍频峰；
2021/4/2
.
15
C2H4O
1730cm-1 1165cm-1
H
O
C
CH
H 2720cm-1
H
（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。
.
10
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 12 1c k13 k 0 7 131 0 9./6 2 2 716c5 m 10
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
2021/4/2
.
11
1.3、分子中基团的基本振动形式
basic vibration of the group in molecular
.
9
表 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。
2021/4/2
（1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）； 反之，出现在低波数区（高波长区）。 例１ 水分子 （非对称分子）
(动画)
（2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变 化时，无红外吸收。
2021/4/2
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14
峰位、峰数与峰强
（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相 差越大（极性越大），吸收峰越强；
2021/4/2
.
17
2、仪器类型与结构
2021/4/2
.
18
2.1、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型
干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
2021/4/2
.
19
2.1.1. 内部结构
2021/4/2
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20
2021/4/2
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21
2.2.2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框（图动画）
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23
傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
（动画）
2021/4/2
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24
迈克尔干涉仪工作原理图 （动画）
2021/4/2
.
25
2.2.4. 色散型红外光谱仪主要部件 (1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的 中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm；
室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年；
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
2021/4/2
.
22
2.2.3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与 特点
光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通过 试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变 换解析成普通的谱图。
特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用； (2)不需要分光，信号强，灵敏度很高； (3)仪器小巧。
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
(2) 单色器
光栅；傅立叶变换红外光谱仪不需要分光；
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26
(3) 检测器
真空热电偶；不wenku.baidu.com导体构成回路时的温差电现象
（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
2021/4/2
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1.4、红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption bend
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 吸收峰强度跃迁几率偶极矩变化
吸收峰强度 偶极矩的平方
偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 符号：s(强)；m(中)；w(弱) 红外吸收峰强度比紫外吸收峰小2～3个数量级；
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
2021/4/2
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6
1.2、红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
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。
2021/4/2
.
8
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）
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。
2021/4/2
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。
偶极子在交变电场中的作用示 意图
(动画)
2021/4/2
.
7
分子振动方程式
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。
1．两类基本振动形式
伸缩振动 亚甲基：
(动画)
变形振动 亚甲基
2021/4/2
.
12
伸缩振动 甲基：
甲基的振动形式
对称 υs(CH3) 2870 ㎝-1
不对称 υas(CH3) 2960㎝-1
变形振动 甲基
对称δs(CH3)1380㎝-1
不对称δas(CH3)1460㎝-1
2021/4/2
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２．峰位、峰数与峰强
德国布鲁克TENSOR27
程德军
2021/4/2
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1
•时间安排 总共1小时
•理论25分钟 •操作讲解10分钟 •学生实验25分钟
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1 傅里叶红外光谱原理 2 德国布鲁克TENSOR27 3 红外制样 4 结构分析初步知识
2021/4/2
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1 傅里叶红外光谱原理
1.1、概述
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
近红外区 中红外区 远红外区
2021/4/2
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红外光谱与有机化合物结构
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度，
横坐标为波长λ （ m ） 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位， 峰形，峰强来描述。
例2 CO2分子
（有一种振动无红外 活性）
(动画)
（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基 频峰；
（5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰， 倍频峰；
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C2H4O
1730cm-1 1165cm-1
H
O
C
CH
H 2720cm-1
H
（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。
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10
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 12 1c k13 k 0 7 131 0 9./6 2 2 716c5 m 10
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
2021/4/2
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1.3、分子中基团的基本振动形式
basic vibration of the group in molecular
.
9
表 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。
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（1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）； 反之，出现在低波数区（高波长区）。 例１ 水分子 （非对称分子）
(动画)
（2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变 化时，无红外吸收。
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峰位、峰数与峰强
（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相 差越大（极性越大），吸收峰越强；
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2、仪器类型与结构
2021/4/2
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2.1、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型
干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
2021/4/2
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2.1.1. 内部结构
2021/4/2
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2.2.2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框（图动画）
2021/4/2
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傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
（动画）
2021/4/2
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迈克尔干涉仪工作原理图 （动画）
2021/4/2
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2.2.4. 色散型红外光谱仪主要部件 (1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的 中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm；
室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年；
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
2021/4/2
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2.2.3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与 特点
光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通过 试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变 换解析成普通的谱图。
特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用； (2)不需要分光，信号强，灵敏度很高； (3)仪器小巧。
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
(2) 单色器
光栅；傅立叶变换红外光谱仪不需要分光；
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(3) 检测器
真空热电偶；不wenku.baidu.com导体构成回路时的温差电现象
（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
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1.4、红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption bend
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 吸收峰强度跃迁几率偶极矩变化
吸收峰强度 偶极矩的平方
偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 符号：s(强)；m(中)；w(弱) 红外吸收峰强度比紫外吸收峰小2～3个数量级；
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
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1.2、红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
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。
2021/4/2
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8
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）
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。
2021/4/2
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。
偶极子在交变电场中的作用示 意图
(动画)
2021/4/2
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7
分子振动方程式
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。
1．两类基本振动形式
伸缩振动 亚甲基：
(动画)
变形振动 亚甲基
2021/4/2
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伸缩振动 甲基：
甲基的振动形式
对称 υs(CH3) 2870 ㎝-1
不对称 υas(CH3) 2960㎝-1
变形振动 甲基
对称δs(CH3)1380㎝-1
不对称δas(CH3)1460㎝-1
2021/4/2
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２．峰位、峰数与峰强