红外光谱基本原理优秀课件.ppt
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1、红外光谱基本原理1第1页,本讲稿共47页 红外光谱红外光谱(infrared absorption spectrum,IR)又称又称分子分子振动转动光谱振动转动光谱,属属分子吸收光谱分子吸收光谱。样品受到频率连续变化。样品受到频率连续变化的的红外光红外光照射时照射时,分子吸收其中一些频率的辐射分子吸收其中一些频率的辐射,使振使振-转能级从基态跃迁到激发态转能级从基态跃迁到激发态,相应于这些区域的透射光相应于这些区域的透射光强减弱强减弱,记录百分透过率记录百分透过率T%T%对波数或波长的曲线对波数或波长的曲线,即红外即红外光谱。光谱。光辐射光辐射分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁红外光谱红外光谱官
2、能团官能团分子结构分子结构2第2页,本讲稿共47页3第3页,本讲稿共47页红外光区的划分及应用红外光区的划分及应用近红外区:近红外区:0.82.5 m中红外区中红外区:2.550 m远红外区:远红外区:501000 m红外光区位于红外光区位于0.8 1000 m 波长范围间波长范围间4第4页,本讲稿共47页红外吸收光谱的特点红外吸收光谱的特点1、只有振只有振-转跃迁转跃迁,能量低能量低2 2、应用范围广、应用范围广3 3、分子结构更为精细的表征、分子结构更为精细的表征4 4、可以进行定量分析、可以进行定量分析5 5、样品不限形式、样品不限形式,用量少用量少,不破坏样品不破坏样品6 6、分析速度
3、快、分析速度快7 7、可联用、可联用5第5页,本讲稿共47页红外光谱与紫外可见光谱的区别红外光谱与紫外可见光谱的区别1.光谱产生的机制不同光谱产生的机制不同分子振动和转动能级的跃迁;价电子和分子轨道上的电子在电子能级上的跃分子振动和转动能级的跃迁;价电子和分子轨道上的电子在电子能级上的跃迁迁。2.研究对象不同研究对象不同 在振动中伴随有偶极矩变化的化合物;不饱合有机化合物特别是具有共轭体在振动中伴随有偶极矩变化的化合物;不饱合有机化合物特别是具有共轭体系的有机化合物。系的有机化合物。3.可分析的试样形式不同,使用范围不同可分析的试样形式不同,使用范围不同气、液、固均可,既可定性又可定量,非破坏
4、性分析;既可定性又可定量,气、液、固均可,既可定性又可定量,非破坏性分析;既可定性又可定量,有时是试样破坏性的。有时是试样破坏性的。6第6页,本讲稿共47页红外光谱图红外光谱图:应用:应用:有机化合物的结构解析。定性:定性:基团的特征吸收频率;定量:定量:特征峰的强度;红外光谱的表示方法红外光谱的表示方法纵坐标为透光率T,横坐标为波长(m)或波数1/(cm-1)可以用峰数,峰位,峰形,峰强来描述。7第7页,本讲稿共47页第一节 红外光谱法的基本原理一、产生红外吸收的条件 满足两个条件:满足两个条件:(1)红外辐射光子的能量与分子振动能级跃迁所需能量相同。(2)辐射与物质间有相互耦合作用(偶极距
5、有变化)。对称分子对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。如:N2、O2、Cl2 等。非非对对称称分分子子:有偶极矩,有红外活性。8第8页,本讲稿共47页 分子的振动都有一个分子的振动都有一个内在的频率内在的频率,如果辐射到分,如果辐射到分子上的红外线的频率与分子振动的内在频率不同,分子子上的红外线的频率与分子振动的内在频率不同,分子振动不受到影响。如果二者相同,则会产生振动不受到影响。如果二者相同,则会产生共振效应共振效应,分子吸收入射的红外线,振幅增大,能量增加。分子吸收入射的红外线,振幅增大,能量增加。分子具有内在的振动频率只是共振效应产生的分子具有内在的振动频率只是共振效应
6、产生的必要条件之一必要条件之一。内在频率的大小决定了分子吸收何种频内在频率的大小决定了分子吸收何种频率的红外线。率的红外线。而这种吸收能否发生则由分子在振动过程而这种吸收能否发生则由分子在振动过程中中偶极矩是否发生变化偶极矩是否发生变化所决定。所决定。9第9页,本讲稿共47页 如果一个分子的正负电荷的重心不重合,当分子进如果一个分子的正负电荷的重心不重合,当分子进行伸缩振动时,行伸缩振动时,正负电荷重心的距离跟随发生相应正负电荷重心的距离跟随发生相应的变化,因此偶极矩也相应的伸长或者收缩。的变化,因此偶极矩也相应的伸长或者收缩。当一个红外光子作用于分子时,由于红外光当一个红外光子作用于分子时,
7、由于红外光子的波长远远大于分子的体积,可以认为分子处于子的波长远远大于分子的体积,可以认为分子处于均匀的电场中均匀的电场中。在光子的频率与分子振动的频率相同在光子的频率与分子振动的频率相同的条件下,也就是说光子的交变电场变化频率与分子的条件下,也就是说光子的交变电场变化频率与分子振动的频率相同时,以下情况可能发生:振动的频率相同时,以下情况可能发生:10第10页,本讲稿共47页11第11页,本讲稿共47页二、分子振动形式二、分子振动形式1.双原子分子的振动双原子分子的振动双原子分子的双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,其化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,其振动类似于简谐振动。
8、振动类似于简谐振动。(动画演示)12第12页,本讲稿共47页 k单位:单位:dyncm-1;k单位:单位:Ncm-1,与键能和键长有关,与键能和键长有关,为双原子的原子质量为双原子的原子质量折合质量折合质量:m1m2/(m1m2),Ar为双原子的原子量的折合质量:为双原子的原子量的折合质量:Ar M1M2/M1M2 发发生生振振动动能能级级跃跃迁迁需需要要能能量量的的大大小小取取决决于于键键两两端端原原子子的的折合质量折合质量和键的和键的力常数力常数,即取决于分子的结构特征。,即取决于分子的结构特征。13第13页,本讲稿共47页下表是某些键的伸缩力常数(下表是某些键的伸缩力常数(mdyn/AN
9、/cm)键类型键类型 CC CC C C 力常数力常数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6峰位峰位 4.5 m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强(即键的力常数化学键键强越强(即键的力常数K越大)原子折合质量越大)原子折合质量越小,化学键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区。越小,化学键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区。14第14页,本讲稿共47页2.多原子分子的振动 多原子分子的振动较为复杂(原子多、化学键多、空间多原子分子的振动较为复杂(原子多、化学键多、空间结构复杂),但可将其分解为多个结构复杂),但可将其分解为多个简正振动简正振动来研究。来研究。简正振动简正振动:整
10、个分子质心不变、整体不转动、各原子在原整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频率及相位相同。此时分子中的任何振动地作简谐振动且频率及相位相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线性组合。可视为所有上述简谐振动的线性组合。两类基本振动形式两类基本振动形式:伸缩振动伸缩振动:原子沿键轴方向伸缩,键长变化但键角不变的原子沿键轴方向伸缩,键长变化但键角不变的振动。振动。变形振动变形振动:键角发生周期性变化,但键长不变的振动,又:键角发生周期性变化,但键长不变的振动,又称弯曲振动或变角振动。称弯曲振动或变角振动。15第15页,本讲稿共47页伸缩振动(亚甲基)伸缩振动(亚甲基)变
11、形振动(亚甲基)变形振动(亚甲基)(动画动画 3 3 4 4 5 5 6 6)原子沿键轴方向原子沿键轴方向伸缩、键长发生伸缩、键长发生变化而键角不变变化而键角不变的振动。的振动。动画动画 1 2基团键角发生周基团键角发生周期性变化而键长期性变化而键长不变的振动。不变的振动。可分为面内变形可分为面内变形和面外变型振动和面外变型振动16第16页,本讲稿共47页3.基本振动的理论数目设分子的原子数为设分子的原子数为n,则总自由度,则总自由度3n平动自由度平动自由度转动自由度振动自由度转动自由度振动自由度非线型分子:非线型分子:n个原子应该有个原子应该有3n个自由度,但有个自由度,但有3个个平动和平动
12、和3个绕轴转动;个绕轴转动;对非线型分子,理论振动数对非线型分子,理论振动数3n(33)如如H2O分子,其振动数为分子,其振动数为3363线型分子:线型分子:n个原子有板有个原子有板有3n个自由度,但有个自由度,但有3个平个平动和动和2个绕轴转动。个绕轴转动。对线型分子,理论振动数对线型分子,理论振动数3n(32)如如CO2分子,理论振动数为分子,理论振动数为335417第17页,本讲稿共47页理论上,多原子分子的振动数应与光谱峰数相同,实际理论上,多原子分子的振动数应与光谱峰数相同,实际上,观察到的光谱峰数常常少于理论计算出的振动数,上,观察到的光谱峰数常常少于理论计算出的振动数,这是因为:
13、这是因为:a)偶极矩变化偶极矩变化=0的振动,不产生红外吸收的振动,不产生红外吸收,如如CO2对称对称伸缩振动;伸缩振动;b)谱线简并(振动形式虽然不同,但其振动频率相同,谱线简并(振动形式虽然不同,但其振动频率相同,发生合并);发生合并);c)仪器分辨率或灵敏度不够,有些谱峰观察不到仪器分辨率或灵敏度不够,有些谱峰观察不到;d)有些吸收带落在仪器检测范围之外。有些吸收带落在仪器检测范围之外。18第18页,本讲稿共47页二氧化碳的二氧化碳的IR光谱光谱 O=C=O O=C=O O=C=O O=C=O 对称伸缩振动 反对称伸缩振动 面内弯曲振动 面外弯曲振动 不产生吸收峰 2349 667 66
14、7 因此因此O=C=O的的 IR光谱只有光谱只有2349 和和 667/cm 二个吸收峰二个吸收峰19第19页,本讲稿共47页三、吸收谱带的强度问题问题:C=O 强;强;C=C 弱;为什么?弱;为什么?吸收峰强度吸收峰强度偶极矩变化偶极矩变化吸收峰强度吸收峰强度 偶极矩的平方偶极矩的平方偶极矩变化偶极矩变化结构对称性;结构对称性;对称性差对称性差偶极矩变化大偶极矩变化大吸收峰强度大吸收峰强度大符号:符号:s(强强);m(中中);w(弱弱)红外吸收峰强度比紫外吸收峰小红外吸收峰强度比紫外吸收峰小23个数量级;个数量级;20第20页,本讲稿共47页第二节第二节 IR的特征性及其与分子结构的关系的特
15、征性及其与分子结构的关系一、基团频率和特征吸收峰一、基团频率和特征吸收峰 能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带基团特能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带基团特征频率,其所在的位置又称特征吸收峰。征频率,其所在的位置又称特征吸收峰。例:例:2800 3000 cm-1 CH3 特征峰;特征峰;1600 1850 cm-1 CO 特征峰;特征峰;基团所处化学环境不同,特征峰出现位置变化:基团所处化学环境不同,特征峰出现位置变化:CH2COCH2 1715 cm-1 酮酮CH2COO 1735 cm-1 酯酯CH2CONH 1680 cm-1 酰胺酰胺21第21页,本讲稿共47页相关峰相关峰:由
16、同一基团的不同振动形式所产生的一组:由同一基团的不同振动形式所产生的一组应同时存在的峰。应同时存在的峰。如羧基的相关峰包括:羰基伸缩、羟基伸缩、碳碳如羧基的相关峰包括:羰基伸缩、羟基伸缩、碳碳氢伸缩、羟基面内弯曲和羟基面外弯曲五个振动吸收峰,氢伸缩、羟基面内弯曲和羟基面外弯曲五个振动吸收峰,这五个峰之间互称为相关峰。这五个峰之间互称为相关峰。特征峰可用以鉴定官能团的存在,但必须用一组相关峰特征峰可用以鉴定官能团的存在,但必须用一组相关峰来作为旁证。来作为旁证。22第22页,本讲稿共47页二、红外光谱的分区可分为:可分为:4000-1300cm-1的高波数段的高波数段官能团区官能团区,以及,以及
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