傅立叶红外光谱定性分析.ppt

实验实验9 傅立叶红外光谱定性分析傅立叶红外光谱定性分析 实验实验9 傅立叶红外光谱定性分析方法傅立叶红外光谱定性分析方法一、实验目的一、实验目的二、实验原理二、实验原理三、实验仪器及用品三、实验仪器及用品四、实验步骤四、实验步骤五、实验注意事项五、实验注意事项六、思考与作业六、思考与作业一、实验目的一、实验目的1、掌握红外光谱定性分析的基本原理、掌握红外光谱定性分析的基本原理2、掌握红外光谱法对试样的要求及制样技、掌握红外光谱法对试样的要求及制样技术术3、了解透射红外光谱法的原理及应用、了解透射红外光谱法的原理及应用4、学会红外光谱定性分析方法、学会红外光谱定性分析方法二、实验原理二、实验原理 红外吸收光谱红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行物质测试的方法。对振动和分子转动等信息进行物质测试的方法。利用物质分子对红外辐射的吸收，并由其振动及转动运利用物质分子对红外辐射的吸收，并由其振动及转动运动引起偶极矩的净变化，使得分子由基态振动和转动能级跃动引起偶极矩的净变化，使得分子由基态振动和转动能级跃迁到激发态，获得分子的振动迁到激发态，获得分子的振动-转动光谱，即红外吸收光谱。转动光谱，即红外吸收光谱。它反映了分子中各基团的振动特征。它反映了分子中各基团的振动特征。由于不同由于不同分子的振动能级和转动能级不同，能级间的能分子的振动能级和转动能级不同，能级间的能量差值不同，不同物质对红外光的吸收波长必然不同。所以量差值不同，不同物质对红外光的吸收波长必然不同。所以根据物质的红外吸收波长就可对物质进行定性分析。根据物质的红外吸收波长就可对物质进行定性分析。同时，同时，物质对红外辐射的吸收符合朗伯物质对红外辐射的吸收符合朗伯-比尔定律，故可用于定量分比尔定律，故可用于定量分析。析。实验原理实验原理1、红外吸收的条件、红外吸收的条件 1）某红外光刚好能满足物质振动能级跃迁时所需）某红外光刚好能满足物质振动能级跃迁时所需要的要的能量能量。2）红外光与物质之间有）红外光与物质之间有耦合作用耦合作用。即分子的振动。即分子的振动必须是能引起偶极矩变化的红外活性振动。必须是能引起偶极矩变化的红外活性振动。在常温下，绝大多数分子处于基态，由基态跃迁到第一激在常温下，绝大多数分子处于基态，由基态跃迁到第一激发态所产生的吸收谱带称为基频谱带。即基频谱带的频率与分发态所产生的吸收谱带称为基频谱带。即基频谱带的频率与分子振动频率相等。子振动频率相等。当物质受到频率当物质受到频率连续变化的红外光照连续变化的红外光照射时，分子吸收了某射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由些频率的辐射，并由其振动或转动运动引其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动产生分子振动和转动能级从基态到激发态能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外强度减弱。记录红外光的百分透射比（吸光的百分透射比（吸光度）与波数或波长光度）与波数或波长的关系曲线，就得到的关系曲线，就得到红外吸收光谱。红外吸收光谱。2、红外吸收光谱、红外吸收光谱官能团具有特征吸收频率官能团具有特征吸收频率 基团频率基团频率 在不同的分子中，和一个特定的基团在不同的分子中，和一个特定的基团 有关的振动频率基本上是相同的。有关的振动频率基本上是相同的。实验原理实验原理实验原理实验原理3、影响基团频率发生位移的因素：、影响基团频率发生位移的因素：内部因素：内部因素：电子效应电子效应 包括诱导效应、共轭效应和中介效应，它们都是由于化包括诱导效应、共轭效应和中介效应，它们都是由于化学键的电子分布不均匀引起的。学键的电子分布不均匀引起的。氢键效应氢键效应 氢键对红外光谱的主要作用是使峰变宽，使基团频率发氢键对红外光谱的主要作用是使峰变宽，使基团频率发生位移。生位移。振动的耦合效应振动的耦合效应 两个化学键或基团的振动频率相近（或相等），两个化学键或基团的振动频率相近（或相等），位置上直接位置上直接相连或接近时相连或接近时，它们之间的相互作用使原来的谱带分裂成，它们之间的相互作用使原来的谱带分裂成两个峰，一个频率比原来的谱带高，一个频率低于原来谱带，这就称两个峰，一个频率比原来的谱带高，一个频率低于原来谱带，这就称为振动耦合。为振动耦合。外部因素：外部因素：物态的影响物态的影响（包括试样的（包括试样的状态、粒度、温度状态、粒度、温度）和）和溶剂溶剂（溶剂和溶（溶剂和溶质的相互作用不同，因此测得光谱吸收带的频率也不同）的影响；样质的相互作用不同，因此测得光谱吸收带的频率也不同）的影响；样品的品的制样方法制样方法也会引起红外光谱吸收频率的改变。也会引起红外光谱吸收频率的改变。实验原理实验原理4、红外光谱吸收区域的划分、红外光谱吸收区域的划分:1）3750-2500cm-1区，此区为各类区，此区为各类A-H单键的伸缩振动区单键的伸缩振动区（包括（包括C-H、O-H、X-H的吸收带）。的吸收带）。3000cm-1以上为不饱和碳的以上为不饱和碳的C-H键伸缩振动键伸缩振动区，而区，而3000cm-1以下为饱和碳的以下为饱和碳的C-H键伸缩振动区。键伸缩振动区。2）2500-2000cm-1区，是三键和累积双键的伸缩振动区，区，是三键和累积双键的伸缩振动区，包括碳碳包括碳碳叁键，碳氮三键，叁键，碳氮三键，C=C=O等基团以及等基团以及X-H基团化合物的伸缩振动。基团化合物的伸缩振动。3）2000-1300cm-1区，是双键伸缩振动区，区，是双键伸缩振动区，C=O键在此区有一强吸键在此区有一强吸收峰，其位置按酸酐、酯、醛酮、酰胺等不同而异。在收峰，其位置按酸酐、酯、醛酮、酰胺等不同而异。在1650-1550cm-1处还有处还有N-H键的弯曲振动吸收峰。键的弯曲振动吸收峰。4）1300-667cm-1区，包括区，包括C-H键的弯曲振动。键的弯曲振动。此曲在鉴别链的长短、此曲在鉴别链的长短、烯烃双键取代强度、构型基本换取待机位置等方面可提供有用的信息。烯烃双键取代强度、构型基本换取待机位置等方面可提供有用的信息。三、实验仪器及用品三、实验仪器及用品（一）（一）IRPrestige-21型傅立叶变换红外光谱仪型傅立叶变换红外光谱仪 1、产品简介、产品简介 该仪器利用一个该仪器利用一个迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪获得入射光的干涉图，通过数学运算获得入射光的干涉图，通过数学运算（傅立叶变换）把干涉图变为红外光谱图。（傅立叶变换）把干涉图变为红外光谱图。操作简便的软件操作简便的软件IRSolutionIRSolution。具有如下参数：具有如下参数：1 1）波束范围波束范围 4700-340cm4700-340cm-1-1(标准配置标准配置)2 2）分辨率分辨率 0.50.5、1 1、2 2、4 4、8 8、16cm16cm-1-1（中红外、近红外），（中红外、近红外），2 2、4 4、8 8、16cm16cm-1-1（远红外）（远红外）3 3）S/NS/N（信噪比）（信噪比）大于大于4000040000：1 1 实验仪器实验仪器2、仪器结构组成、仪器结构组成 2、傅立叶变换红外光谱仪组成部件、傅立叶变换红外光谱仪组成部件 Fourier变换变换 红外光谱仪红外光谱仪 没有色散元件，主要由光没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检测器、干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。计算机和记录仪组成。核心部分为核心部分为Michelson干涉仪，它将光源发出的信号干涉仪，它将光源发出的信号以干涉图的形式送往计算机进行以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换数学处理，变换数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。最后将干涉图还原成光谱图。它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分。计算机两部分。3、干涉图包含光源的全部频率和与该频率相对应的强度信息，所干涉图包含光源的全部频率和与该频率相对应的强度信息，所以如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品以如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品能吸收特征波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相能吸收特征波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。包括每个频率强度信息的干涉图，可借数应地产生一些变化。包括每个频率强度信息的干涉图，可借数学上的学上的Fourier变换技术对每个频率的光强进行计算，从而得到变换技术对每个频率的光强进行计算，从而得到吸收强度（或透过率）随波数（或波长）变化的普通光谱图。吸收强度（或透过率）随波数（或波长）变化的普通光谱图。Fourier变换变换 红外光谱仪工作原理红外光谱仪工作原理仪器中的仪器中的Michelson干涉仪的作用是将光源发出的光分成两光干涉仪的作用是将光源发出的光分成两光束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。当两束光的光程差为当两束光的光程差为/2的偶数倍，则落在检测器上的相干光的偶数倍，则落在检测器上的相干光相互叠加产生明线；相反，为相互叠加产生明线；相反，为/2的奇数倍时，相干光相互抵消，的奇数倍时，相干光相互抵消，产生暗线。此为单色光的干涉图产生暗线。此为单色光的干涉图由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并向两边迅速衰减的对称干涉图。的是具有中心极大，并向两边迅速衰减的对称干涉图。（1）扫描速度极快扫描速度极快 Fourier变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息，一般变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息，一般只要只要1s左右左右即可。因此，它可用于测定不稳定物质的红外光谱。而色散型红即可。因此，它可用于测定不稳定物质的红外光谱。而色散型红外光谱仪，在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围，一次完整扫描通常外光谱仪，在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围，一次完整扫描通常需要需要8、15、30s等。等。（2）具有很高的分辨率具有很高的分辨率 通常通常Fourier变换变换 红外光谱仪分辨率达红外光谱仪分辨率达0.10.005 cm-1，而一般棱镜，而一般棱镜型的仪器分辨率在型的仪器分辨率在1000 cm-1处有处有3 cm-1，光栅型红外光谱仪分辨率也只有，光栅型红外光谱仪分辨率也只有0.2cm-1。（3）灵敏度高灵敏度高 因因Fourier变换变换 红外光谱仪不用狭缝和单色器，反射镜面又大，故能量红外光谱仪不用狭缝和单色器，反射镜面又大，故能量损失小，到达检测器的能量大，可检测损失小，到达检测器的能量大，可检测10-8g数量级的样品。数量级的样品。除此之外，还有除此之外，还有光谱范围宽光谱范围宽（100010 cm-1）；）；测量精度高，测量精度高，重复性可达重复性可达0.1%；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响；特别适合于与气相色谱联机或研究化学反应的热效应的影响；特别适合于与气相色谱联机或研究化学反应机理等。机理等。4、傅立叶红外光谱仪的突出优点、傅立叶红外光谱仪的突出优点实验仪器实验仪器5、傅立叶红外光谱仪的基本操作、傅立叶红外光谱仪的基本操作1）打开打开红外光谱仪的红外光谱仪的电源电源开关。开关。2）点击电脑屏幕打开）点击电脑屏幕打开IRsolution工作站软件。工作站软件。3）点击测定，使屏幕转到测定界面。之后）点击测定，使屏幕转到测定界面。之后初始化初始化仪器。仪器。4）制备溴化钾空白片和样品压片。）制备溴化钾空白片和样品压片。5）将压制好的溴化钾）将压制好的溴化钾空白片空白片（不含样品的溴化钾空片）放入光谱仪（不含样品的溴化钾空片）放入光谱仪样品样品仓仓内的样品架上。内的样品架上。6）点击测定按钮下的背景按钮，输入光谱名称，确认）点击测定按钮下的背景按钮，输入光谱名称，确认采集参比背景光谱。采集参比背景光谱。7）背景谱图采集完毕后，将）背景谱图采集完毕后，将待测样品待测样品片放入光谱仪内，关上仓盖。片放入光谱仪内，关上仓盖。8）软件可按要求）软件可按要求对谱图对谱图进行各种进行各种分析处理，分析处理，从文件菜单中选择打印，将从文件菜单中选择打印，将谱图以不同形式谱图以不同形式打印出报告打印出报告。9）退出退出系统。系统。实验仪器实验仪器5、仪器使用注意事项、仪器使用注意事项 1、仪器一定要安装在稳定牢固的实验台上，、仪器一定要安装在稳定牢固的实验台上，远离振远离振动源动源。2、供试品测试完毕后应及时取出，长时间放置在样品、供试品测试完毕后应及时取出，长时间放置在样品室中会污染光学系统，引起性能下降。样品室应保持室中会污染光学系统，引起性能下降。样品室应保持干燥，应及时更换干燥，应及时更换干燥剂。干燥剂。3、所用的、所用的试剂、试样试剂、试样保持干燥，用完后及时保持干燥，用完后及时放入干燥放入干燥器器中。中。5、压片模具及液体吸收池等红外附件，使用完后应及、压片模具及液体吸收池等红外附件，使用完后应及时时擦拭干净擦拭干净，必要时清洗，保存在干燥器中，以免锈，必要时清洗，保存在干燥器中，以免锈蚀。蚀。6、光路中有激光，开机时严禁眼睛进入光路。、光路中有激光，开机时严禁眼睛进入光路。7、测定完毕，要及时做好仪器使用、测定完毕，要及时做好仪器使用登记记录登记记录。实验用品（二）实验器具：（二）实验器具：玛瑙研钵玛瑙研钵 筛网筛网2um SHIMADZU压片磨具组合压片磨具组合（三）药品：（三）药品：KBr粉末、未知样品、无水乙醇粉末、未知样品、无水乙醇 四、实验步骤四、实验步骤（一）样品的制备（一）样品的制备(a)固体样品制样固体样品制样 固体样品制样由压模进行，压模固体样品制样由压模进行，压模的构造如图所示：的构造如图所示：压模由压杆和压舌组成。压舌压模由压杆和压舌组成。压舌的直径为的直径为13mm，两个压舌的表面，两个压舌的表面光洁度很高，以保证压出的薄片表光洁度很高，以保证压出的薄片表面光滑。因此，使用时要注意样品面光滑。因此，使用时要注意样品的的粒度、湿度和硬度粒度、湿度和硬度，以免损伤压，以免损伤压舌表面的光洁度。舌表面的光洁度。组装压模时，将其中一个压舌光组装压模时，将其中一个压舌光洁面朝上放在底座上，并装上压片洁面朝上放在底座上，并装上压片套圈，加入研磨后的样品，再将另套圈，加入研磨后的样品，再将另一压舌光洁面朝下压在样品下，轻一压舌光洁面朝下压在样品下，轻轻转动以保证样品面平整，最后顺轻转动以保证样品面平整，最后顺序放在压片套筒、弹簧和压杆，通序放在压片套筒、弹簧和压杆，通过液压器加压力至过液压器加压力至95pa，保持，保持5min。样品制备技术样品制备技术(b)液体样品制样液体样品制样液体池组成：后框架、垫片、后窗片、间隔片、前窗片和前框架液体池组成：后框架、垫片、后窗片、间隔片、前窗片和前框架 7 个个部分。部分。一般后框架和前框架由金属材料制成；前窗片和后窗片为氯化钠、一般后框架和前框架由金属材料制成；前窗片和后窗片为氯化钠、溴化钾等晶体薄片；间隔片常由铝箔和聚四氟乙烯等材料制成，起着固溴化钾等晶体薄片；间隔片常由铝箔和聚四氟乙烯等材料制成，起着固定液体样品的作用，厚度为定液体样品的作用，厚度为 0.012mm。在液体池装样操作过程中，应在液体池装样操作过程中，应注意注意以下几点：以下几点：灌样时要防止气泡；灌样时要防止气泡；样品要充分溶解，不应有不溶物进入液体池内；样品要充分溶解，不应有不溶物进入液体池内；装样品时不要将样品溶液外溢到窗片上。装样品时不要将样品溶液外溢到窗片上。目前以中红外区（目前以中红外区（4000400cm-1）应用最为广泛，一般的光学材）应用最为广泛，一般的光学材料为氯化钠（料为氯化钠（4000600 cm-1）、溴化钾（）、溴化钾（4000400 cm-1）；这些）；这些晶体很容易吸水使表面发乌，影响红外光的透过。因此，所用的容片应晶体很容易吸水使表面发乌，影响红外光的透过。因此，所用的容片应放在干燥器内，要在湿度小的环境下操作。放在干燥器内，要在湿度小的环境下操作。四、实验步骤四、实验步骤（二）实验内容与方法（二）实验内容与方法1、扫描背景谱图、扫描背景谱图 1）背景试样的制备）背景试样的制备 称取烘干的称取烘干的KBr粉末粉末0.5g，倒入玛瑙研钵中研磨，倒入玛瑙研钵中研磨10分钟，过筛分钟，过筛(2m)，过筛后的药品质量应在，过筛后的药品质量应在0.05-0.08g之间，放到压片磨具中压片，之后装入样品池。之间，放到压片磨具中压片，之后装入样品池。2）扫描背景谱图，保存。）扫描背景谱图，保存。2、扫描样品谱图、扫描样品谱图 1）待测试样的制备）待测试样的制备 称取烘干的待测样品称取烘干的待测样品0.005g放入研钵中，加入放入研钵中，加入0.5gKBr粉粉末混匀，倒入玛瑙研钵中研磨末混匀，倒入玛瑙研钵中研磨10分钟，过筛分钟，过筛(2m)，之后压，之后压片。片。2）扫描样品谱图。）扫描样品谱图。3、谱图处理及图谱检索（识别）、谱图处理及图谱检索（识别）将待测试样的扫描谱图与标准谱图相比较，确定未知组分。将待测试样的扫描谱图与标准谱图相比较，确定未知组分。4、在实验预习报告上记录在实验预习报告上记录待测试样扫描谱图待测试样扫描谱图的最大吸收波长的最大吸收波长及其强度，画出吸收峰，确定待测组分。及其强度，画出吸收峰，确定待测组分。填写实验报告并上交。填写实验报告并上交。5、清洗、清洗 测量结束后，用无水乙醇将研钵，压片器具清洗干测量结束后，用无水乙醇将研钵，压片器具清洗干净，置于干燥器内。净，置于干燥器内。四、实验步骤四、实验步骤五、实验注意事项五、实验注意事项 (1)必须严格按照仪器操作规程进行操作；必须严格按照仪器操作规程进行操作；实验未涉及的命令禁止乱动；实验未涉及的命令禁止乱动；(2)软件不会自动保存数据，所有的数据要保存都必须点击软件不会自动保存数据，所有的数据要保存都必须点击 “Save”进行保存，否则数据丢失。进行保存，否则数据丢失。(3)谱图处理时，平滑参数不要选择太高，否则会影响谱图谱图处理时，平滑参数不要选择太高，否则会影响谱图的分辨率。的分辨率。六、思考与作业六、思考与作业 1、红外吸收光谱法对固体试样的要求有哪些？为什么？、红外吸收光谱法对固体试样的要求有哪些？为什么？2、用压片法制样时，为什么要求研磨到颗粒度在、用压片法制样时，为什么要求研磨到颗粒度在2m左右？左右？3、红外光谱法能否直接对混合物进行定性分析？为什么？、红外光谱法能否直接对混合物进行定性分析？为什么？4、编写预习报告、编写预习报告预习报告内容：一、实验目的预习报告内容：一、实验目的 二、实验原理二、实验原理 三、实验用品三、实验用品 四、实验步骤四、实验步骤 五、实验结果处理五、实验结果处理