仪器分析第八章红外吸收光谱法.pptVIP

第八章 红外吸收光谱法 (Infrared absorption spectrum,IR) 学习目的 通过本章学习，应明确红外吸收光谱研究的对象，理解红外光谱基本原理，掌握红外光谱产生的条件以及主要基团的特征吸收频率，掌握红外光谱仪的基本结构及其功能，了解红外光谱的应用。 本章主要内容 8.1红外吸收光谱法概述 8.2红外吸收光谱法基本原理 8.3基团频率和特征吸收 8.4红外吸收光谱仪 8.5红外吸收光谱法的应用 8.1红外吸收光谱法概述 红外吸收光谱法又称红外分光光度法，简称红外，属于分子光谱，带状，用于研究分子振动能级跃迁。IR是利用物质分子对红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来进行结构鉴定、定性和定量分析的一种分析方法。 具体地说：IR谱是根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知化合物的结构，依照特征吸收峰的强度来进行定量分析。因此，常把IR谱中峰的位置、强度、峰形称为红外吸收光谱的三要素。 IR已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。 红外光谱区域：习惯上按红外线的波长，将红外光谱分成三个区域 红外光谱 红外光谱图表示法： 纵坐标：百分透过率，（T﹪） 横坐标：吸收频率，（σ：cm-1） 8.2红外吸收光谱法基本原理 一、红外吸收光谱产生的条件 红外吸收光谱是由分子振动能级跃迁（同时伴随分子转动能级跃迁）而产生的。物质吸收电磁辐射应满足两个条件：①能级间的能量差等于辐射能，即ΔE=hν；②辐射与物质之间有偶合作用。因此产生红外吸收光谱的第一个条件为： 红外辐射的光子所具有的能量EL恰好等于分子振动能级间的能量差ΔE时，则分子将吸收红外辐射而跃迁至激发态，即 ΔE振动= EL ① 例如：对于双原子分子A—B，可以近似看作沿键轴方向的简谐振动。量子力学证明，分子振动的总能量Ev为 Ev = (v+1/2)hν振 ② 由②式分子振动能级间的能量差为： ΔEv=Δv·hν振动（ Δv =±1，±2‥） ③ 当满足第一个条件时，分子则吸收红外辐射，由基态振动能级（v=0）跃迁至不同的振动激发态产生吸收峰（吸收带）。 由基态振动能级跃迁至第一振动激发态，即v 0→1时所产生的吸收峰称为基频峰。由于Δv =1，所以ν振动=νL。即基频峰的振动频率（位置）等于双原子分子的振动频率。 对于多原子分子，在红外谱图中有许多吸收峰，其中每个基团都有其特征的基频峰。 在红外谱图中，除基频峰外，还有倍频峰、合频峰及差频峰。 基频峰v 0→1 Δv=1(νL=ν)最强 二倍频峰v 0→2 Δv=2(νL=2ν)较弱 三倍频峰v 0→3 Δv=3(νL=3ν)很弱 合频峰(ν1+ν2, 2ν1+ν2)很弱 差频峰(ν1-ν2, 2ν1-ν2)很弱 例如氯化氢分子的振动频率为8.658×10-13 s-1，在发生Δv=1的能级跃迁时，吸收频率为8.658×10-13s-1的红外线，即波数为2886cm-1的红外线。 上例说明，氯化氢分子的振动频率为2886cm-1，基频峰的位置为2886cm-1。 二倍频峰：5668.0cm-1 三倍频峰：8347cm-1 四倍频峰：10923cm-1 红外吸收光谱产生的第二个条件是：分子在振动过程中必须有偶极矩的变化，即偶极矩的变化μ≠0（ μ =q·d）。 对于极性分子（或基团），分子内的原子处于不断振动状态，d的瞬时值不断变化，则分子的μ也发生变化，即μ≠0。 对于对称非极性分子，由于其正负电荷中心重叠，d=0，故分子中原子的振动并不引起μ的改变，即μ=0。如O2、N2等。 因此，红外光谱产生的第二个条件，实质上是外界辐射迁移它的能量到分子中去。而这种能量的转移是通过偶极矩的变化来实现的。 由上可见，并非所有的振动都会产生红外吸收，只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收带，这种振动称为红外活性（infrared active），反之则称为非红外活性（infrared inactive）。 综上所述，当一定频率的红外光照射物质分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基团就吸收一定频率的红外光产生振动跃迁，检测记录下来就获得物质的红外吸收光谱图。 二、分子振动方程 分子振动方程是以双原子分子为例，由经典力学中的Hooke定律导出： ν=1303√K/μ （cm-1） ④ 式中：k—以N/cm为单位表示的化学键的力常数 μ—以2个原子的摩尔质量表示的折 合质量 1303—等于