红外光谱-上师-杨.优秀PPT.ppt

第五章 红外光谱分析 Infrared Spectrometry(IR)1 什么是红外吸取光谱分析？2 为什么做红外吸取光谱分析？3 怎样做红外吸取光谱分析？4 不同分子红外吸取光谱图的特征5 基团频率 11 定义定义 红外吸取光谱是物质的分子吸取了红外辐射后，引起分子的振红外吸取光谱是物质的分子吸取了红外辐射后，引起分子的振动动-转动能级的跃迁而形成的光谱，也称振转动能级的跃迁而形成的光谱，也称振-转光谱。转光谱。利用红外光谱利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸取光谱法。进行定性定量分析的方法称之为红外吸取光谱法。2 红外光区的划分红外光区的划分 第一节第一节 概概 述述 红外光区红外光区(0.751000 m)远红外远红外(转动区转动区)(25-1000 m)中红外中红外(振动区振动区)(2.525 m)近红外近红外(泛频）泛频）(0.752.5 m)倍频倍频分子振动转动分子振动转动分子转动分子转动分区及波长范围分区及波长范围 跃迁类型跃迁类型（常用区）（常用区）23 红外光谱的获得及表示红外光谱的获得及表示 用频率连续变更的红外光照射样品，样品分子吸取某些频率的辐射，用频率连续变更的红外光照射样品，样品分子吸取某些频率的辐射，使振使振-转转能级从基态跃迁到激发态，能级从基态跃迁到激发态，相应于这些吸取区域的透射光强度减弱。相应于这些吸取区域的透射光强度减弱。记记录百分录百分透过率透过率T%对波数对波数1/（cm-1）或波长）或波长 （m）的曲线，即红外光谱。）的曲线，即红外光谱。波长波长 与波与波数之间的关系为：数之间的关系为：波数波数/cm-1=104/（/m）中红外区的波数范围是中红外区的波数范围是4000 400 cm-1。33 红外光谱的获得及表示红外光谱的获得及表示 用频率连续变更的红外光照射样品，样品分子吸取某些频率的辐射，用频率连续变更的红外光照射样品，样品分子吸取某些频率的辐射，使振使振-转转能级从基态跃迁到激发态，能级从基态跃迁到激发态，相应于这些吸取区域的透射光强度减弱。相应于这些吸取区域的透射光强度减弱。记记录百分录百分透过率透过率T%对波数对波数1/（cm-1）或波长）或波长 （m）的曲线，即红外光谱。）的曲线，即红外光谱。波长波长 与波与波数之间的关系为：数之间的关系为：波数波数/cm-1=104/（/m）中红外区的波数范围是中红外区的波数范围是4000 400 cm-1。红外光谱以红外光谱以T 或或T 1/来表示，下图为苯酚的红外光谱。来表示，下图为苯酚的红外光谱。T(%)4其次节其次节 红外光谱产生的条件红外光谱产生的条件 满足两个条件：满足两个条件：(1)(1)能量匹配：辐射光子具有的能量与发生振动跃迁能量匹配：辐射光子具有的能量与发生振动跃迁 所需的能量相等所需的能量相等 (2)(2)辐射与物质间有相互偶合作用：分子振动必需伴辐射与物质间有相互偶合作用：分子振动必需伴 随偶极矩的变更随偶极矩的变更 5 对称分子：对称分子：偶极矩为零，辐射不能引起共振，无红外活性。偶极矩为零，辐射不能引起共振，无红外活性。如：如：N2、O2、Cl2 等。等。非对称分子：非对称分子：有偶极矩，红外活性。有偶极矩，红外活性。HCl,H2O 偶极子在交变电场中的作用示意图偶极子在交变电场中的作用示意图61.1.分子振动方程式分子振动方程式 双原子分子的简谐振动及其频率双原子分子的简谐振动及其频率 化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧第三节第三节 基本原理基本原理K：化学键的力常数，与键能和键长有关，化学键的力常数，与键能和键长有关，：双原子的折合质量双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）发生振动能级跃迁须要能量的大小取决于键两端原子的折合质量发生振动能级跃迁须要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。和键的力常数，即取决于分子的结构特征。72、分子中基团的基本振动形式、分子中基团的基本振动形式两类基本振动形式（以亚甲基为例）两类基本振动形式（以亚甲基为例）变形振动变形振动基团键角发基团键角发生周期变化生周期变化而键长不变而键长不变的振动的振动 原子沿键轴方向伸原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化缩，键长发生变化而键角不变的振动而键角不变的振动 伸缩振动伸缩振动8例例1水分子水分子3 3峰位、峰数与峰强峰位、峰数与峰强（1）峰位）峰位 化学键的力常数化学键的力常数k 越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸取峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。吸取峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。（2）峰数）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极距变更时，无红外吸取。峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极距变更时，无红外吸取。（3）峰强）峰强 瞬间偶极矩变更大，吸取峰强；键两端原子电负性相差越大（极瞬间偶极矩变更大，吸取峰强；键两端原子电负性相差越大（极 性越大性越大)，吸取峰越强。，吸取峰越强。9例例2 CO2分子分子10第四节第四节 红外吸取光谱与分子结构的关系红外吸取光谱与分子结构的关系一、基团频率区和指纹区一、基团频率区和指纹区1 基团频率基团频率 在有机物的红外光谱中，同一类型的化在有机物的红外光谱中，同一类型的化学键的振动频率特别接近，学键的振动频率特别接近，总是出现在一个总是出现在一个较窄的范围内，如羰基总是在较窄的范围内，如羰基总是在18701650 cm-1出现强吸取峰。这个与确定结构单元相出现强吸取峰。这个与确定结构单元相联系的振动频率称为基团频率。基团频率主联系的振动频率称为基团频率。基团频率主要取决于基团本身，但又随基团要取决于基团本身，但又随基团 所处分子环所处分子环境的不同而发生移动，境的不同而发生移动，据此可以推想分子结据此可以推想分子结构。构。112 基团频率区基团频率区基团频率位于基团频率位于4000670cm-1之间，可分为四个区。之间，可分为四个区。X-H伸缩振动区伸缩振动区（4000-2500cm-1）叁键及累积双键区（叁键及累积双键区（25001900cm-1）双键伸缩振动区（双键伸缩振动区（19001200cm-1）X-Y伸缩振动区伸缩振动区X-H变形振动区变形振动区(98%98%），通通常常在在分分析析前前，样样品品须须要要纯化；纯化；对于对于GC-FTIR GC-FTIR 则无此要求。则无此要求。2 2）试样不含有水（水可产生红外吸取且可侵蚀盐窗）；）试样不含有水（水可产生红外吸取且可侵蚀盐窗）；3 3）试样浓度或厚度应适当，以使）试样浓度或厚度应适当，以使T T 在合适范围。在合适范围。制样方法制样方法 液体或溶液试样液体或溶液试样1 1）沸点低易挥发的样品：液体池法。）沸点低易挥发的样品：液体池法。2 2）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。3 3）固体样品可溶于）固体样品可溶于CS2CS2或或CCl4CCl4等无强吸取的溶剂中。等无强吸取的溶剂中。35 固体试样1）压片法：12mg样+200mg KBr干燥处理研细：粒度小 于 2 m（散射小）混合压成透亮薄片干脆测定；2）石蜡糊法：试样磨细与液体石蜡混合夹于盐片间；石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于探讨饱和烷烃。3）薄膜法：高分子试样加热熔融涂制或压制成膜；或溶于低沸点溶剂涂渍于盐片挥发除溶剂 样品量少时，接受光束聚光器并配微量池。36二、红外光谱定性分析的一般过程二、红外光谱定性分析的一般过程1.试样的纯化试样的纯化 通过各种分别手段如分馏、萃取、重结晶、层析等提纯试样，并加以干通过各种分别手段如分馏、萃取、重结晶、层析等提纯试样，并加以干 燥，得到干燥的纯物质。否则会引起燥，得到干燥的纯物质。否则会引起“误诊误诊”。2.了解试样的来源、性质及其它试验资料了解试样的来源、性质及其它试验资料 可以缩小结构的推想范围。依据试样的元素分析值及相对分子质量得出可以缩小结构的推想范围。依据试样的元素分析值及相对分子质量得出的分子式，可以计算不饱和度，进而估计分子结构式中是否含有双键、的分子式，可以计算不饱和度，进而估计分子结构式中是否含有双键、三键及芳香环，并可验证光谱解析结果的合理性。沸点、熔点等性质三键及芳香环，并可验证光谱解析结果的合理性。沸点、熔点等性质可作为光谱分析的旁证。可作为光谱分析的旁证。373.用适当的方法制样，记录红外吸取光谱图。用适当的方法制样，记录红外吸取光谱图。4.谱图解析谱图解析5.与标准谱图比照，通过其它定性方法进一步确证：与标准谱图比照，通过其它定性方法进一步确证：UV-V is、MS、NMR、Raman等。等。38 红外光谱分析的特点红外光谱分析的特点红外吸取只有振红外吸取只有振-转跃迁，能量低；转跃迁，能量低；应应用用范范围围广广：除除单单原原子子分分子子及及单单核核分分子子外外，几几乎乎全全部部有有机机物均有红外吸取；物均有红外吸取；分分子子结结构构更更为为精精细细的的表表征征：通通过过IRIR谱谱的的波波数数位位置置、波波峰峰数数目及强度确定分子基团、分子结构；目及强度确定分子基团、分子结构；定量分析；定量分析；固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；分析速度快。分析速度快。与色谱等联用（与色谱等联用（GC-FTIRGC-FTIR）具有强大的定性功能。）具有强大的定性功能。39思索1 红外吸取光谱分析与紫外可见吸取光谱分析有什红外吸取光谱分析与紫外可见吸取光谱分析有什么异同？么异同？从原理、仪器、应用上进行比较从原理、仪器、应用上进行比较2 查阅常见几种有机物的红外光谱图，对谱图进行查阅常见几种有机物的红外光谱图，对谱图进行分析对比，确定相关官能团的吸取峰分析对比，确定相关官能团的吸取峰40 方方 法法 紫外紫外-可可见见光光谱谱分析分析 红红外光外光谱谱分析分析 不不 同同 点点吸收波吸收波长长紫外紫外-可可见见波波长长红红外波外波长长跃跃迁能迁能级级电电子能子能级级振振-转转能能级级检测检测目目标标共共轭链轭链官能官能团团光源光源钨钨灯，灯，氘氘灯灯能斯特灯能斯特灯,硅碳棒硅碳棒检测检测器器光光电电倍增管倍增管热电热电偶偶,半半导导体体仪仪器排序器排序光源光源-样样品池品池-单单色器色器-检检测测器器光源光源-单单色器色器-样样品池品池-检检测测器器样样品要求品要求均匀透明的液体或溶液均匀透明的液体或溶液 纯纯固体、液体、气体固体、液体、气体应应用用无机物定量，有机物的无机物定量，有机物的定性、定量和定性、定量和结结构分析构分析有机物的有机物的结结构分析构分析 相相 同同 点点原理原理都是分子吸收光都是分子吸收光谱谱，都符合吸收定律，都符合吸收定律 A=A=bcbc应应用用都可都可进进行有机物的定性、定量和行有机物的定性、定量和结结构分析构分析仪仪器器仪仪器器组组成部件基本相同成部件基本相同红外光谱分析与紫外红外光谱分析与紫外-可见吸取光谱比较可见吸取光谱比较41原子吸取光谱仪结构原子吸取光谱仪结构分子吸取光谱仪结构分子吸取光谱仪结构42