红外吸收光谱分析PPT课件

主要内容主要内容一一 概述概述二二 红外吸收基本理论红外吸收基本理论 三三 红外吸收光谱分析方法和应用红外吸收光谱分析方法和应用 第第1页页/共共27页页 红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法。一、红外光区的划分及主要应用一、红外光区的划分及主要应用 一、概述一、概述 第第2页页/共共27页页红外光谱在可见光和微波光区之间，其波长范围约红外光谱在可见光和微波光区之间，其波长范围约0.781000m。习惯上按红外光波长，将红外光谱分成。习惯上按红外光波长，将红外光谱分成三个区域：三个区域：近红外（泛频区）近红外（泛频区） 0.782.5m 120004000cm-1 中红外（基本振动区）中红外（基本振动区） 2.550m 4000200cm-1远红外（转动区）远红外（转动区） 501000m 20010cm-1第第3页页/共共27页页二、红外光谱法特点二、红外光谱法特点 红外光谱不涉及分子的电子能级，主要是振动能红外光谱不涉及分子的电子能级，主要是振动能级跃迁和转动能级的跃迁。级跃迁和转动能级的跃迁。2. 2. 涉及绝大多数有机物。涉及绝大多数有机物。3 3、红外光谱的结构信息丰富。、红外光谱的结构信息丰富。4 4、物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗、物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗伯比尔定律，可以定量分析，但一般只做结构分析。伯比尔定律，可以定量分析，但一般只做结构分析。 5 5、非破坏性分析。、非破坏性分析。第第4页页/共共27页页三、红外光谱图表示方法三、红外光谱图表示方法以透射比以透射比T为纵坐标，以波长为纵坐标，以波长（ m ）或波数）或波数1/（ ，cm-1）为横坐标作图得到红外吸收光谱图。）为横坐标作图得到红外吸收光谱图。从红外光谱图上得到的信息：峰的数目峰的形状从红外光谱图上得到的信息：峰的数目峰的形状峰的位置峰的强度峰的位置峰的强度第第5页页/共共27页页二、红外吸收基本理论二、红外吸收基本理论 一、一、分子的振动与振动能级分子的振动与振动能级1、对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟、对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。 这里弹簧的这里弹簧的k值就相当于化学键的强度（值就相当于化学键的强度（N/cm）。）。第第6页页/共共27页页二、分子的振动方式二、分子的振动方式 构成分子的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置构成分子的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置做相对运动，从而产生振动！原子与原子之间的相对运做相对运动，从而产生振动！原子与原子之间的相对运动无非有两种情况，即：键长发生变化（伸缩振动），动无非有两种情况，即：键长发生变化（伸缩振动），键角发生变化（弯曲振动）键角发生变化（弯曲振动）对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动对于双原子分子：没有弯曲振动，只有一个伸缩振动第第7页页/共共27页页伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基伸缩振动有对称和不对称伸缩以亚甲基CH2为例为例对于多原子分子来说，对于多原子分子来说，包括伸缩振动和弯曲振动。包括伸缩振动和弯曲振动。n ns Vas第第8页页/共共27页页弯曲振动：键角发生变化而键长不变弯曲振动：键角发生变化而键长不变弯曲振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。弯曲振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。r rd d第第9页页/共共27页页面外弯曲振动面外弯曲振动w wt t第第10页页/共共27页页三、分子的振动自由度三、分子的振动自由度分子振动形式的多少称为振动的自由度。如果一个分子分子振动形式的多少称为振动的自由度。如果一个分子有有N N个原子，在三维空间里个原子，在三维空间里N N个原子的总运动自由度为个原子的总运动自由度为3N3N。（1 1）平动：分子作为一个整体在空间平移。）平动：分子作为一个整体在空间平移。分子在空间的运动形式有三种：平动，转动，振动。分子在空间的运动形式有三种：平动，转动，振动。第第11页页/共共27页页（2 2）转动：分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。）转动：分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。对于线形分子：对于线形分子：有两种转动方式，转动自由度为有两种转动方式，转动自由度为2 2第第12页页/共共27页页对于非线形分子：对于非线形分子：有三种转动方式，转动自由度为有三种转动方式，转动自由度为3 3第第13页页/共共27页页（3 3）振动）振动对于有对于有N N个原子的分子来说，振动自由度个原子的分子来说，振动自由度= =运动自由度运动自由度平动自由度转动自由度平动自由度转动自由度对于线性分子：振动自由度对于线性分子：振动自由度3N5对于非线性分子：振动自由度对于非线性分子：振动自由度3N6苯，苯，3N3N6 63030种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收种，实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰！说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰峰！说明：不单苯，许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远小于其振动自由度（理论计算值）。数目要远小于其振动自由度（理论计算值）。第第14页页/共共27页页原因原因:(1):(1)相同频率的峰重叠（相同频率的峰重叠（2 2）频率接近或峰弱，仪器）频率接近或峰弱，仪器检测不出（检测不出（3 3）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（）有些吸收峰落在仪器的检测范围之外（4 4）并不是所有的振动都产生红外吸收。并不是所有的振动都产生红外吸收。那什么情况下的振那什么情况下的振动产生红外吸收？动产生红外吸收？光是电磁波，分子也有电场（偶极矩），分子中的原子光是电磁波，分子也有电场（偶极矩），分子中的原子在振动时，偶极矩会发生变化。红外吸收的产生是由于在振动时，偶极矩会发生变化。红外吸收的产生是由于分子电场和红外光电场的相互耦合作用。分子电场和红外光电场的相互耦合作用。第第15页页/共共27页页分子吸收红外辐射必须同时满足三个条件：分子吸收红外辐射必须同时满足三个条件：（1 1）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。）辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。（2 2）只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红）只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射。外辐射。（3 3）分子的振动频率与红外辐射的频率相同时才能发）分子的振动频率与红外辐射的频率相同时才能发生红外吸收。生红外吸收。a a、对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红、对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性，如：外活性，如：N N2 2、O O2 2、C Cl l2 2 等。等。b b、非对称分子：有偶极矩，红外活性。、非对称分子：有偶极矩，红外活性。第第16页页/共共27页页跃迁几率和偶极矩的变化值跃迁几率和偶极矩的变化值（1 1）从基态向第一激发态跃迁几率大，基频峰一般较强，）从基态向第一激发态跃迁几率大，基频峰一般较强，而倍频峰一般较弱而倍频峰一般较弱（2 2）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强）对于基频峰：偶极矩变化越大的振动，吸收峰越强原子的电负性相差越大，即键的极性越大，偶极矩变化原子的电负性相差越大，即键的极性越大，偶极矩变化越大：越大：C-ClC-Cl比比C CH H强强偶极矩比较：不对称伸缩偶极矩比较：不对称伸缩对称伸缩，伸缩对称伸缩，伸缩弯曲弯曲分子的对称性越差，偶极矩变化越大分子的对称性越差，偶极矩变化越大第第17页页/共共27页页五、基团振动与红外吸收光谱五、基团振动与红外吸收光谱（1 1）各种基团的振动频率不一样，因此其对红外光的）各种基团的振动频率不一样，因此其对红外光的吸收频率也不一样。每种基团都有特征的红外吸收光谱，吸收频率也不一样。每种基团都有特征的红外吸收光谱，无论该基团是在什么样的分子结构中。无论该基团是在什么样的分子结构中。（2 2）同一基团在不同的化学环境中其吸收峰会发生变）同一基团在不同的化学环境中其吸收峰会发生变化。如羰基化。如羰基C CO O，红外吸收峰在，红外吸收峰在1700cm-11700cm-1附近附近R RC COH 1730 OH 1730 ； R RC CO OOH 1760OH 1760R RC CO OOR 1740 OR 1740 ； R RC CO ONH2 1690NH2 1690第第18页页/共共27页页几个名词术语几个名词术语（1 1）基频峰：基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从基分子吸收一定频率红外线，振动能级从基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰；态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰；基频峰是红外基频峰是红外主要吸收峰主要吸收峰（2 2）倍频峰：倍频峰：分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激分子的振动能级从基态跃迁至第二振动激发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰。发态、第三振动激发态等高能态时所产生的吸收峰。（3 3）组频峰：组频峰：振动之间相互作用产生的吸收峰振动之间相互作用产生的吸收峰（4 4）泛频峰：泛频峰：倍频峰组频峰倍频峰组频峰（5 5）特征峰：特征峰：可用于鉴别官能团存在的吸收峰。可用于鉴别官能团存在的吸收峰。（6 6）相关峰：相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的特征峰系的特征峰第第19页页/共共27页页红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域红外光谱可分为基频区和指纹区两大区域（1）基频区）基频区(40001350cm-1)又称为特征区或官能团又称为特征区或官能团区，其特征吸收峰可作为鉴定基团的依据。区，其特征吸收峰可作为鉴定基团的依据。特点：吸收峰稀疏，易辨认，一般为伸缩振动产生。特点：吸收峰稀疏，易辨认，一般为伸缩振动产生。XH伸缩振动区伸缩振动区 (4000 2500cm-1)三键及累积双键区三键及累积双键区(25001900cm-1)双键伸缩振动区双键伸缩振动区 (19001200cm-1)第第20页页/共共27页页（2）指纹区）指纹区(1350600 cm-1）指纹区的吸收峰是由于指纹区的吸收峰是由于CN，CO，CS等单键和等单键和C=S，S=O等双键的伸缩振动以及分子骨架中多数基团等双键的伸缩振动以及分子骨架中多数基团的变形振动所引起。的变形振动所引起。 特点：各种单键的强度接近，相邻单键之间相互作用，特点：各种单键的强度接近，相邻单键之间相互作用，吸收光谱复杂；弯曲振动的能级差小，谱带结构细微差吸收光谱复杂；弯曲振动的能级差小，谱带结构细微差别，在指纹区有反映。别，在指纹区有反映。第第21页页/共共27页页 三、三、 红外吸收光谱分析方法红外吸收光谱分析方法红外光谱仪由光源（硅碳棒）、吸收池、干涉仪、红外光谱仪由光源（硅碳棒）、吸收池、干涉仪、计算机、检测器和记录仪组成。计算机、检测器和记录仪组成。第第22页页/共共27页页制样气体样品：一般灌注于玻璃气槽内测定，样品池两端黏合能透红外光的窗片，抽成真空再灌注试样测定。液体试样：溶液法和液膜法。溶液法是将液体试样溶在适当的红外溶剂中（CS2，CCl4，CHCl3等）然后注入固定池中进行测定。液膜法是在可拆池两窗之间，滴入几滴试样使之形成一层薄的液膜。固体试样：压片法、糊状法和薄膜法。压片法通常按照固体样品和KBr为1：100研磨，用高压机压成透明片后再进行测定。糊状法就是把试样研细滴入几滴悬浮剂（石蜡油），继续研磨成糊状然后进行测定。薄膜法主要用于高分子化合物的测定，通常将试样溶解在沸点低易挥发的溶剂中，然后倒在玻璃板上，待溶剂挥发成膜后再用红外灯加热干燥进一步除去残留的溶剂，制成的膜直接插入光路进行测定。第第23页页/共共27页页红外吸收光谱分析方法红外吸收光谱分析方法计算给出化学式化合物的不饱和度U=1+n4+(n3-n1)/2, n1,n3,n4分别表示含有一价、三价和四价原子的数目。将整个红外光谱划分成特征官能团区（40002500cm-1）和指纹区（1333667cm-1），从高频到低频检查吸收峰存在的情况，找到化合物可能类别和主要官能团。将官能团划分成三波段：40002500cm-1该区域的吸收峰表征有氢原子官能团，如羟基羧基，再看相应基团的吸收峰确定官能团；25002000cm-1反映了含三键的化合物以及X-H（S、Si、B、P）基团的存在；20001333cm-1反映了含有双键的化合物。第第24页页/共共27页页将指纹区分为两个区：1333990cm-1区包括了C-O、C-N、C-P、C-Si、P-O等单键的伸缩振动吸收和C=S、S=O、P=O等键的伸缩振动吸收获变形吸收；在900667cm-1区内的吸收可以指示（CH2）4，反映双键的取代程度、构型、苯环上取代基的位置等。确定了类型和可能含有的官能团后，按类查表；最后与标准图谱对照。第第25页页/共共27页页红外吸收光谱的应用红外吸收光谱的应用 （1）官能团定性分析 （2）有机化合物结构分析（3）跟踪化学反应 （4）定量分析；基本依据是朗伯-比尔定律，A=bc，式中A为吸光度,为摩尔吸光系数,b样品槽厚度,c样品浓度第第26页页/共共27页页感谢您的观看。感谢您的观看。第第27页页/共共27页页