第三章 红外吸收光谱分析优秀课件.ppt
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1、第三章 红外吸收光谱分析第1页,本讲稿共39页红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析 n红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析也叫红外分光光度法,也叫红外分光光度法,是以研究物质分子对红外辐射的吸收特是以研究物质分子对红外辐射的吸收特性而建立起来的一种定性(包括结构分性而建立起来的一种定性(包括结构分析)、定量分析法。析)、定量分析法。n红外与可见、紫外一样均属分子吸收光红外与可见、紫外一样均属分子吸收光谱。不过红外是分子的振谱。不过红外是分子的振-转光谱,而后转光谱,而后者是电子光谱。者是电子光谱。n红外吸收光谱也称为红外吸收光谱也称为分子振动转动光谱分子振动转动光谱。第2页,本讲稿共39页红外光谱的三
2、个区域红外光谱的三个区域 n近红外区近红外区:为为0.78-2.5m n中红外光区中红外光区:为为2.5-25m n远红外区远红外区:为为25-300m红外光谱在红外光谱在可见光区可见光区和和微波光区微波光区之间,之间,波长范围约为波长范围约为 0.75 1000m,根据仪器,根据仪器技术和应用不同,习惯上又将红外光区分技术和应用不同,习惯上又将红外光区分为三个区为三个区:第3页,本讲稿共39页波长和波数波长和波数n红外区光谱用红外区光谱用波长和波数波长和波数(wave number)来表)来表征征;n波长多用波长多用m做单位;做单位;n波数波数:以:以表示,定义为波长的倒数,单位表示,定义为
3、波长的倒数,单位cm-1,其,其物理意义是每厘米长光波中波的数目。物理意义是每厘米长光波中波的数目。n=1/(cm)=104/(m)=/c n用波数表示频率的好处是比用频率要方便,且数值用波数表示频率的好处是比用频率要方便,且数值小。小。n一般用一般用透光率透光率-波数曲线波数曲线或或透光度透光度-波长曲线波长曲线来描来描述红外吸收光谱。述红外吸收光谱。第4页,本讲稿共39页第5页,本讲稿共39页第6页,本讲稿共39页第7页,本讲稿共39页第8页,本讲稿共39页红外光谱的特点红外光谱的特点-1 n紫外、可见吸收光谱紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和常用于研究不饱和有机物,特别是具有共轭体系的有
4、机化有机物,特别是具有共轭体系的有机化合物;而合物;而红外光谱法红外光谱法主要研究在振动中主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。伴随有偶极矩变化的化合物。n因此,除了单原子和同核分子如因此,除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外,几乎所有的有机化合物等之外,几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。在红外光谱区均有吸收。n一般只要结构上不同,就会有不同的红一般只要结构上不同,就会有不同的红外光谱图。外光谱图。第9页,本讲稿共39页红外光谱的特点红外光谱的特点-2n红外谱图吸收带的位置红外谱图吸收带的位置与吸收谱带的强与吸收谱带的强度反映了分子结构上的特点,可以用来度反映了分子结
5、构上的特点,可以用来定基团、定结构定基团、定结构;n谱带的强度谱带的强度与分子组成以及含量有关,与分子组成以及含量有关,可以用来进行定量分析及纯度的检查;可以用来进行定量分析及纯度的检查;n红外光谱分析特征性强,气体、液体和红外光谱分析特征性强,气体、液体和固体样品均可以测定,并且具有用量少、固体样品均可以测定,并且具有用量少、分析速度快和不破坏样品等特点。分析速度快和不破坏样品等特点。第10页,本讲稿共39页红外光谱与紫外吸收光谱相比红外光谱与紫外吸收光谱相比 1)峰出现在较低频率区;峰出现在较低频率区;2)峰离而多,图形复杂;峰离而多,图形复杂;3)吸收强度低。吸收强度低。吸收峰出现的频率
6、位置吸收峰出现的频率位置是由振动能级差决定;是由振动能级差决定;吸收峰数目吸收峰数目与分子振动自由度的数目有关;与分子振动自由度的数目有关;吸收峰强度吸收峰强度主要取决于振动过程中偶极矩的变化以及能级的跃迁频主要取决于振动过程中偶极矩的变化以及能级的跃迁频率。率。第11页,本讲稿共39页第三章第三章 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析3.2 基本原理基本原理3.2.1 产生红外吸收的条件产生红外吸收的条件第12页,本讲稿共39页产生红外吸收的条件产生红外吸收的条件1)辐射光子具有的能量与发生振动跃迁辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等。所需的跃迁能量相等。2)辐射与物质之间有耦合作
7、用。)辐射与物质之间有耦合作用。第13页,本讲稿共39页由量子力学可以证明,分子的振动总能量由量子力学可以证明,分子的振动总能量(E(E)为为:EV=(V +1/2)h (V=0,1,2,)式中:式中:V为振动量子数(为振动量子数(V=0,1,2,););EV是与振动量子数是与振动量子数V相应的体系能量;相应的体系能量;为分子振动的频率为分子振动的频率 在室温时,分子处于基态(在室温时,分子处于基态(V=0):):EV=1/2h ,此时,伸缩振动的频率很小。,此时,伸缩振动的频率很小。条件一:辐射光子的能量应与振动跃条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等迁所需能量相等第14页,本讲稿共
8、39页当当有有红红外外辐辐射射照照射射到到分分子子时时,若若红红外外辐辐射射的的光光子子(L L)所所具具有有的的能能量量(E EL L)恰恰好好等等于于分分子子振振动动能能级级的的能能量量差差(EEV V)时时,则则分分子子将将吸吸收收红红外外辐辐射射而而跃跃迁迁至至激激发态,导致振幅增大。发态,导致振幅增大。条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等所需能量相等第15页,本讲稿共39页分子振动能级的能量差为:分子振动能级的能量差为:E Ev v=V Vh h 又光子能量为又光子能量为 E EL L=h=h L L产生产生红外吸收光谱的第一条件红外吸收光
9、谱的第一条件为:为:E EL L=E=Ev v h h L L=V Vh h 即即 L L=V V只有当红外辐射频率等只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时,分子振动频率的乘积时,分子才能吸收红外辐射,分子才能吸收红外辐射,产生红外吸收光谱。产生红外吸收光谱。条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等所需能量相等第16页,本讲稿共39页基频峰、基频峰、倍频峰和倍频峰和泛频峰泛频峰q分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(V V=0=0)跃迁至)跃迁至第一振动激发态(第一振动激发态(V
10、 V=1=1)时,所产生的吸收峰称为)时,所产生的吸收峰称为基频峰基频峰。因为因为V V=1=1时,时,L L=,所以所以 基频峰的位置等于分子的振基频峰的位置等于分子的振动频率。动频率。q在在红红外外吸吸收收光光谱谱上上除除基基频频峰峰外外,还还有有振振动动能能级级由由基基态态(V V=0=0)跃跃迁迁至至第第二二激激发发态态(V V=2=2)、第第三三激激发发态态(V V=3=3),所产生的吸收峰称为,所产生的吸收峰称为倍频峰倍频峰。q除除此此之之外外,还还有有合合频频峰峰(1 1+2 2,2 2 1 1+2 2,),差差频频峰峰(1 1-2 2,2 2 1 1-2 2,)等等,这这些些峰
11、峰多多数数很很弱弱,一一般般不不容容易易辨辨认。认。q倍频峰、合频峰和差频峰统称为倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰泛频峰。第17页,本讲稿共39页q由由V V=0=0跃迁至跃迁至V V=2=2时,时,(振动量子数的差值)(振动量子数的差值)V V=2=2,则,则 L L=2 2,即吸收的红外线谱线(,即吸收的红外线谱线(L L )是分子振动频率的二倍,产生)是分子振动频率的二倍,产生的吸收峰的吸收峰称为二倍频峰称为二倍频峰。q由由V V=0=0跃迁至跃迁至V V=3=3时,时,=3=3,则,则 L L=3=3,即吸收的红,即吸收的红外线谱线(外线谱线(L L )是分子振动频率的三倍,产生的吸
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