红外光谱分析法ppt课件.ppt

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1、第4章红外光谱法(InfraredAnalysis,IR)4.1概述4.2基本原理1.产生红外吸收的条件2.分子振动3.谱带强度4.振动频率5.影响基团频率的因素4.3红外光谱仪器4.4试样制备4.5应用简介4.1概述1.定义:红外光谱又称分子振动转动光谱,属分子吸收光谱。主要用于化合物鉴定及分子结构表征,亦可用于定量分析。红外光谱的表示方法:红外光谱以T~或T~来表示,下图为苯酚的红外光谱。T(%)注意换算公式:2.红外光区划分红外光谱(0.75~1000m)远红外(转动区)(25-1000

2、m)中红外(振动区)(2.5~25m)近红外(泛频)(0.75~2.5m)倍频分子振动转动分子转动分区及波长范围跃迁类型(常用区)13158~4000/cm-1400~10/cm-14000~400/cm-13.红外光谱特点1)红外吸收只有振-转跃迁,能量低;2)应用范围广:除单原子分子及单核分子外,几乎所有有机物均有红外吸收;3)分子结构更为精细的表征:通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构;4)定量分析;5)固、液、气态样均可用,且用量少、不破坏样品;6)分析速度快。7)

3、与色谱等联用(GC-FTIR)具有强大的定性功能。4.2基本原理1.产生红外吸收的条件分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件:条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。根据量子力学原理,分子振动能量Ev是量子化的,即EV=(V+1/2)h为分子振动频率,V为振动量子数,其值取0,1,2,…分子中不同振动能级差为EV=Vh也就是说,只有当EV=Ea或者a=V时,才可能发生振转跃迁。例如当分子从基态(V=0)跃迁到第一激发态(V=1),此时V=1,即a=条件二:辐射与物质

4、之间必须有耦合作用磁场电场交变磁场分子固有振动a偶极矩变化(能级跃迁)耦合不耦合红外吸收无偶极矩变化无红外吸收2.分子振动1)双原子分子振动分子的两个原子以其平衡点为中心,以很小的振幅(与核间距相比)作周期性“简谐”振动,其振动可用经典刚性振动描述:k为化学键的力常数(dyn/cm);c=31010cm/s;为双原子折合质量如折合质量以原子质量为单位;k以mdyn/Å为单位。则有:例如:HCl分子k=5.1mdyn/Å,则HCl的振动频率为:对于C-H:k=5mdyn/Å;=2920cm-

5、1对于C=C,k=10mdyn/Å,=1683cm-1对于C-C,k=5mdyn/Å;=1190cm-1=1=6影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数k和原子质量。k大,化学键的振动波数高,如:kCC(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)(质量相近)质量m大,化学键的振动波数低,如:mC-C(1430cm-1)

6、化的,分子中各基团之间、化学键之间会相互影响,即分子振动的波数与分子结构(内因)和所处的化学环境(外因)有关。2)多原子分子多原子分子的振动更为复杂,但可将其分解为多个简正振动来研究。简正振动基本形式伸缩振动:原子沿键轴方向伸缩,键长变化但键角不变的振动。变形振动:基团键角发生周期性变化,但键长不变的振动。又称弯曲振动或变角振动。下图给出了各种可能的振动形式(以甲基和亚甲基为例)。理论振动数(峰数)设分子的原子数为n,对非线型分子,理论振动数=3n-6如H2O分子,其振动数为3×3-6=3对

7、线型分子,理论振动数=3n-5如CO2分子,其理论振动数为3×3-5=4非线型分子:n个原子有板有3n个自由度,但有3个平动和3个绕轴转动无能量变化;线型分子:n个原子有板有3n个自由度,但有3个平动和2个绕轴转动无能量变化。理论上,多原子分子的振动数应与谱峰数相同,但实际上,谱峰数常常少于理论计算出的振动数,这是因为:a)偶极矩的变化=0的振动,不产生红外吸收,如CO2;b)谱线简并(振动形式不同,但其频率相同);c)仪器分辨率或灵敏度不够,有些谱峰观察不到。以上介绍了基本振动所产生的谱峰,即

8、基频峰(V=±1允许跃迁)。在红外光谱中还可观察到其它峰跃迁禁阻峰:倍频峰:由基态向第二、三….振动激发态的跃迁(V=±2、±3.);合频峰:分子吸收光子后,同时发生频率为1,2的跃迁,此时产生的跃迁为1+2的谱峰。差频峰:当吸收峰与发射峰相重叠时产生的峰1-2。泛频峰可以观察到,但很弱,可提供分子的“指纹”。泛频峰3.谱带强度分子对称度高,振动偶极矩小,产生的谱带就弱;反之则强。如C=C,C-C因对称度高,其振动峰强度小;而C=X,C-X,因对称性低

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