红外吸收光谱分析 (2)2精选文档.ppt
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1、红外吸收光外吸收光谱分析分析本讲稿第一页,共五十七页红外吸收光谱红外吸收光谱1.发展历史发展历史 2.分析原理分析原理 3.仪器简介仪器简介 4.应用应用 本讲稿第二页,共五十七页红外光谱分析的发展历史红外光谱分析的发展历史1800年英国天文学家赫谢尔在用温度计测定太阳可见光区域内外温度时发现,红色光以外黑暗部分的温度比可见光的高,从而认识到可见光谱长波末端还有一个红外光区,这种人肉眼无法分辨的红外光,称为红外辐射或红外线。化学家着重研究物质对不同红外辐射的吸收强度,来推断物质的组成和结构。利用物质对红外光区辐射的选择性吸收特性来分析分子中有关基团结构的性质、含量信息的分析方法。于1936年制
2、成了世界上第一台棱镜分光的单光束手录式红外光谱仪。本讲稿第三页,共五十七页商品红外光谱仪的发展历史商品红外光谱仪的发展历史第一代第二代第三代第四代40年代中到50年代末,棱镜作为分光元件,电子管放大元件-色散型红外光谱仪60年代,光栅为色散元件,晶体管为放大器件-色散型红外光谱仪70年代,干涉分光,计算机处理的傅里叶变换红外光谱仪-干涉红外光谱仪70年代末,激光红外光谱,是未来的发展方向,省去了分光装置本讲稿第四页,共五十七页红外吸收光谱红外吸收光谱1.发展历史发展历史 2.分析原理分析原理 3.仪器简介仪器简介 4.应用应用 本讲稿第五页,共五十七页红外区域的划分红外区域的划分0.75100
3、0m0.752.5m近红外区:泛频区近红外区:泛频区2.525m中红外区:大部分有机物的基中红外区:大部分有机物的基团振动频率在此区域。团振动频率在此区域。251000m远红外区:转动和重原子振远红外区:转动和重原子振动动本讲稿第六页,共五十七页分子振动的基本类型分子振动的基本类型伸缩振动变形振动123456本讲稿第七页,共五十七页分子振动的频率分子振动的频率或 分子振动过程中,同一类型的振动频率十分接近,它们总是出现在某一范围内,但是相互又有区别,即所谓特征频率或基团频率。在特征频率区,不同化合物的同一种官能团吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内,但不是一个固定波数,具体出现在哪里与基团所处
4、的环境有关。本讲稿第八页,共五十七页产生红外吸收的条件产生红外吸收的条件红外光谱产生的条件 E红外光=E分子振动或红外光=分子振动红外光与分子之间有偶合作用:分子振动时其偶极矩()必须发生变化,即0。能级跃迁规律:振动量子数(V)变化为1时,跃迁几率最大。从基态(V=0)到第一振动激发态(V=1)的跃迁最重要,产生的吸收频率称为基频。本讲稿第九页,共五十七页基团频率区的划分基团频率区的划分 分区依据:分区依据:由于有机物数目庞大,而组成有机物由于有机物数目庞大,而组成有机物的基团有限;基团的振动频率取决于的基团有限;基团的振动频率取决于K K 和和 m,同,同种基团的频率相近。种基团的频率相近
5、。划分方法划分方法 氢键区氢键区基团特征频率区基团特征频率区 叁键区和累积双键区叁键区和累积双键区 双键区双键区 指纹区指纹区 单键区单键区本讲稿第十页,共五十七页区域名称区域名称 频率范围频率范围基团及振动形式基团及振动形式 氢键区氢键区 40002500cm-1 OH、CH、NH 等的伸缩振动等的伸缩振动 叁键和叁键和 C C、C N、N N和和累积双键区累积双键区 25002000cm-1 CCC、NCO 等的伸缩振动等的伸缩振动 双键区双键区 20001500cm-1C=O、C=C、C=N、NO2、苯环等的伸缩振动、苯环等的伸缩振动 单键区单键区 1500400cm-1CC、CO、CN
6、、CX等的伸缩振动及含等的伸缩振动及含 氢基团的弯曲振动。氢基团的弯曲振动。本讲稿第十一页,共五十七页红外吸收峰的类型红外吸收峰的类型基频峰分子吸收一定频率的红外光,若振动能级由基态(n=0)跃迁到第一振动激发(n=1)时,所产生的吸收峰称为基频峰。由于n=1,基频峰的强度一般都较大,因而基频峰是红外吸收光谱上最主要的一类吸收峰。泛频峰包括:倍频峰、合频峰、差频峰,一般都很弱常观测不到。本讲稿第十二页,共五十七页影响基团频率位移的因素影响基团频率位移的因素一一.内部因素内部因素电子效应 诱导效应 共轭效应空间效应 空间位阻 环张力氢键二二.外部因素外部因素物态效应溶剂效应本讲稿第十三页,共五十
7、七页电子效应电子效应(1)诱诱导导效效应应通通过过静静电电诱诱导导作作用用使使分分子子中中电电子子云云分分布布发发生生变变化化引引起起K的的改改变变,从从而而影影响响振振动动频率。频率。吸电子诱导效应使羰基吸电子诱导效应使羰基双键性双键性增加,振动频率增加,振动频率增大。增大。如如 CO本讲稿第十四页,共五十七页(2)共轭效应)共轭效应共轭效应使共轭体系中的电共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化,即双键键强减小,振动频子云密度平均化,即双键键强减小,振动频率红移率红移(减小)。也以减小)。也以 CO为例:为例:本讲稿第十五页,共五十七页空间效应空间效应(1)空间位阻)空间位阻破坏共轭体系的共
8、平面性,使共轭破坏共轭体系的共平面性,使共轭效应减弱,双键的振动频率蓝移(增大)。效应减弱,双键的振动频率蓝移(增大)。1663cm-1 1686cm-1 1693cm-1本讲稿第十六页,共五十七页(2)环环的的张张力力:环环的的大大小小影影响响环环上上有有关关基基团团的的频率。频率。随着环张力增加,环外基团振动频率蓝移(增随着环张力增加,环外基团振动频率蓝移(增大),环内基团振动频率红移(减小)。大),环内基团振动频率红移(减小)。本讲稿第十七页,共五十七页v氢键氢键氢键的形成使原有的化学键氢键的形成使原有的化学键OH或或NH的键长增大,力的键长增大,力常数常数K 变小,振动频率红移。变小,
9、振动频率红移。氢键的形成对吸收峰的影响:氢键的形成对吸收峰的影响:吸收峰展宽吸收峰展宽氢键形成程度不同,对力常数的影响不同,使得吸收频率有一氢键形成程度不同,对力常数的影响不同,使得吸收频率有一定范围。氢键形成程度与测定条件有关。定范围。氢键形成程度与测定条件有关。吸收强度增大吸收强度增大形成氢键后,相应基团的振动偶极矩变化增大,因此吸收强形成氢键后,相应基团的振动偶极矩变化增大,因此吸收强度增大。度增大。本讲稿第十八页,共五十七页癸酸的红外光谱图癸酸的红外光谱图游离羧酸的游离羧酸的 C=O约为约为1760cm-1,而缔合状态(如固、液体,而缔合状态(如固、液体时),因氢键作用时),因氢键作用
10、 C=O移到移到1700cm-1附近。附近。本讲稿第十九页,共五十七页外部因素 物态效应物态效应,物质处于气态时,分子间作用力小,吸收频率就高,处于液态时,分子间作用力增大,吸收频率就低。如丙酮的C=O气态时为1738cm-1,在液态时为1715cm-1.溶剂效应溶剂效应,极性基团的伸缩振动频率随溶剂的极性增大而降低,但其吸收峰强度往往增强,通常是因为极性基团和极性溶剂之间形成氢键的缘故,形成氢键的能力越强吸收带的频率就越低。如丙酮在环己烷中C=O为1727cm-1,在四氯化碳中为1720cm-1 ,在氯仿中为1705cm-1。本讲稿第二十页,共五十七页分子振动的自由度分子振动的自由度简正振动
11、的数目称为振动自由度,每个振动自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。非直线型分子振动形式应有(3n-6)种。直线型分子,直线性分子的振动形式为(3n-5)种。但是实际上,绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论上计算的振动数。本讲稿第二十一页,共五十七页吸收峰减少的原因吸收峰减少的原因分子的一些振动没有偶极矩变化,是红外非活性的;不同振动方式的频率相同,发生简并;一些振动的频率十分接近,仪器无法分辨;一些振动的频率超出了仪器可检测的范围。本讲稿第二十二页,共五十七页影响吸收峰强度的因素影响吸收峰强度的因素红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化,而偶极矩与分子结构的对称性有关。
12、极性较强的基团(如C=O,C-X等)振动,吸收强度较大;极性较弱的基团(如C=C、C-C、N=N等)振动,吸收较弱。另一个主要的影响因素是分子跃迁几率,处于激发态的分子占分子总数的百分数越高,产生的红外吸收峰强度越大。本讲稿第二十三页,共五十七页红外吸收光谱红外吸收光谱1.发展历史发展历史 2.分析原理分析原理 3.仪器简介仪器简介 4.应用应用 本讲稿第二十四页,共五十七页红外光谱仪红外光谱仪目前应用比较广泛的红外光谱仪由美国Thermo NICOLET、PerkinElmer、Varian和日本岛津等生产。美国尼高力仪器公司(Thermo Nicolet Corporation)是世界上最
13、大的傅立叶红外光谱仪(FT-IR)生产厂家,Nicolet iS10傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪 Nicolet 8700 傅立叶-红外(FT-IR)光谱仪 Nicolet 380 傅立叶红外(FT-IR)光谱仪 Nicolet 6700 傅立叶红外光谱仪 Nicolet IR100 傅立叶(FT-IR)光谱仪 Nicolet IR200 傅立叶(FT-IR)光谱仪 Transport Kit 便携式FT-IR Nicolet iN10红外显微镜(2009 R&D 100 award)本讲稿第二十五页,共五十七页PerkinElmer业务集中在三个领域生命科学、光电子学和分析仪器。195
14、7年匹兹堡会议上,公司推出世界首台双光束红外光谱仪137型,红外吸收仪包括Spectrum 100 FTIR Spectrometer、Spectrum 100N FTIR Spectrometer、Spectrum 400 FT Mid-IR and Near-IR System、Spectrum BX FTIR Spectrometer、Spectrum 100 Optica、Spectrum 400 FT Mid-IR and Far-IR System本讲稿第二十六页,共五十七页美国瓦里安是世界上研究开发科学仪器和真空产品的先驱之一,目前销售的红外光谱仪包括:Varian 640 IR
15、,Varian 660 IR,Varian 670/680-IR,Varian 680-IR本讲稿第二十七页,共五十七页日本岛津:傅立叶变换红外光谱仪 IRAffinity-1 高信噪比:30,000:1 以上;配备自动除湿装置,易于维护;外形小巧,占地面积小;标配杂质分析程序;多种附件可以选择。傅立叶变换红外光谱仪 IRPrestige-21 研究级傅立叶红外光谱仪。岛津红外显微镜系统 AIM-8800 具有AIM VIEW先进控制系统;具有高灵敏度的不需维护的MCT检测器;多种附件使应用范围进一步扩展。本讲稿第二十八页,共五十七页红外吸收光谱仪的组件红外吸收光谱仪的组件一、色散型红外光谱仪
16、主要由光源、吸收池、单色器、检测器、记录系统构成本讲稿第二十九页,共五十七页色散型红外吸收光谱仪的原理图色散型红外吸收光谱仪的原理图本讲稿第三十页,共五十七页傅里叶变换红外吸收仪傅里叶变换红外吸收仪Fourier变换红外光谱仪没有色散元件,主要由光源、Michelson 干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。本讲稿第三十一页,共五十七页傅里叶变换红外光谱仪的工作原理图傅里叶变换红外光谱仪的工作原理图本讲稿第三十二页,共五十七页迈克尔逊红外干涉仪原理图迈克尔逊红外干涉仪原理图本讲稿第三十三页,共五十七页傅里叶变换的原理傅里叶变换的原理 式中,式中,B()B()为样品吸收光为样品吸收光谱上某点的吸收
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