红外光谱分析 红外吸收光谱法

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1、红外吸收光谱法◆红外光谱原理◆红外分光光度计及样品样品制备◆红外光谱分析在制浆造纸中的应用第一节红外光谱原理一.基本概念1.红外光区划分：近红外区：0.75~2.5m，13333~4000/cm,泛音区（用于研究单键的倍频、组频吸收），可用于蛋白质、水分、淀粉、油、类脂、农产品中的纤维素等的定量分析，还可用于气体混合物的定量分析。中红外区，：2.5~25m，4000~400/cm,基频振动区（各种基团基频振动吸收），可用于气体、固体、液体纯净物或化合物的定性、定量分析。远红外区：25m以上，转动区（价

2、键转动、晶格转动），课用于纯无机或金属有机化合物的定性分析。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以通常所指的红外光谱法是在中红外光谱区进行的光谱分析法。2.基本概念a..偶极矩：当化学键两端的电子电负性不同时，电中性的分子便产生负电中心的分离，成为极性分子，极性大小用偶极矩μ衡量，μ＝r×q，即正、负电荷中心间的距离r和电荷中心所带电量q的乘积。b.基频：常温下分子处于最低振动能级，此时叫基态，V=0。从基态V0跃迁到第一激发态V=1，V0V1产生的吸收带较强，叫基频或基峰。c.倍频：从基态跃迁到第

3、二激发态甚至第三激发态，V0V2或V0V3的跃迁产生的吸收带依次减弱，叫倍频吸收，用21等表示。3.红外光光谱的产生条件：红外光谱是由于分子振动能级（同时伴随转动能级）跃迁而产生的，物质吸收红外辐射应满足两个条件：（1）辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相等；（2）辐射与物质之间有偶合作用，即有偶极矩的变化。4.谱图结构IR光谱表示法：横坐标为吸收波（m），或吸收频率（波数/cm）纵坐标常用百分透过率T%表示从谱图可得信息：1吸收峰的位置2吸收峰的强度3吸收峰的形状(尖峰、宽峰、肩峰)5.红

4、外光谱的特点（1）红外光谱不破坏样品。（2）红外光谱特征性高。由于红外光谱信息多，可以对不同结构的化合物给出特征性的谱图，从“指纹区”就可以确定化合物的异同。（3）分析时间短。采用傅里叶变换红外光谱仪在一秒钟以内就可完成扫描，为快速分析的动力学研究提供了十分有用的工具。（4）所需样品用量少，且可以回收。红外光谱分析一次用样量约1~5mg，有时甚至可以只用几十微克。1.双原子分子振动图1谐振子振动示意图用虎克定律来表示振动频率、原子质量和键力常数之间的关系：υ=二.化学键的振动（1）K为键力常数，其含义是两个

5、原子由平衡位置伸长0.1nm(lA0)后的回复力，单位是dyn/cm。μ’为折合质量。μ’=m1m2/（m1+m2）(m为原子质量)原子质量用相对原子量代替:m1=M1/N,m2=M2/N。M1、M2为原子量，N为阿佛加德罗常数。将π、c和N的数值代入(2)式，并指定将键力常数中的105代入。≈1307≈1307(cm-1)==Cm-1(2)μ为折合原子量μ=由此式可见，影响基本振动频率的直接因素是相对原子质量和化学键的力常数。2.多原子分子振动对于多原子分子中的每个化学键也可以看成一个谐振子。以亚甲基的分

6、子振动为例，将振动分为伸缩振动和变形振动。跃迁时能级变化的大小为：>>δ。能级变化大的出峰在高频区，即波数值大；能级变化小的出峰在低频区，即波数值小。谱带的位置(波数)由能级变化的大小确定。谱带的位置(波数)也就是振动时吸收红外线的波数。谱带的强度主要由两个因素决定：一是跃迁的几率，跃迁的几率大，吸收峰也就强。二是振动中偶极矩变化的程度。瞬间偶极矩变化越大，吸收峰越强。跃迁的几率与振动方式有关:基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强；倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低，使峰强反而很弱。3

7、、振动的量子化处理根据量子力学，其分子的振动能E＝(υ+1/2)hv振在光谱学中，体系从能量E变到能量E1＇，要遵循一定的规则，即选择定则，谐振子振动能级的选择定则△υ＝±1。由选择定则可知，振动能级跃迁只能发生在相邻的能级间。根据选择定则：可得任一相邻能级间能量差为：当照射的电磁辐射能正好能使振动能级跃迁时：由式看出：分子固有振动频率也就是它所能吸收的辐射光的频率。由于振动能级是量子化的，因此分子振动将只能吸收一定的能量，吸收能量后，从而使振动的振幅加大。这种吸收的能量将取决于键力常数（k）与两端连接的原

8、子的质量，即取决于分子内部的特征。这就是红外光谱可以测定化合物结构的理论依据。4.基本振动的理论数与吸收峰简正振动的数目称为振动自由度，每个振动自由度相应于红外光谱图上一个基频吸收峰。每个原子在空间都有三个自由度，如果分子由n个原子组成，其运动自由度就有3n个，这3n个运动自由度中，包括3个分子整体平动自由度，3个分子整体转动自由度，剩下的是分子的振动自由度。对于非线性分子振动自由度为3n－6，但对于线性分子，其