红外分光光度法课件.ppt
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1、第十四章第十四章红外分光光度法红外分光光度法第十四章第十四章 红外吸收光谱又称红外分光光度法。红外吸收光谱又称红外分光光度法。它是利用物质对红外电磁辐射的选择它是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收特性来进行结构分析、定性和性吸收特性来进行结构分析、定性和定量分析的一种分析方法。定量分析的一种分析方法。第一节概述第一节概述第十四章第十四章原理:原理:当当分分子子中中某某个个基基团团的的振振动动频频率率和和红红外外光光的的频频率率一一致致时时,分分子子就就吸吸收收红红外外光光的的能能量量,从从原原来来的的基基态态振振动动能能级级跃跃迁迁到到能能量量较较高高的的振振动动能能级级。物物质质对对红红外外
2、光光的的吸吸收收曲曲线线称为红外吸收光谱。称为红外吸收光谱。第一节概述第一节概述第十四章第十四章红外光区的划分:红外光区的划分:红外光谱在可见光区和微波光区红外光谱在可见光区和微波光区之间,其波长范围约之间,其波长范围约0.750.751000m1000m。习惯上将红外光区划分为三个区域。习惯上将红外光区划分为三个区域。第一节概述第一节概述区域区域区域区域(m)(m)(m)(m)(cm(cm(cm(cm-1-1-1-1)能级跃迁类型能级跃迁类型能级跃迁类型能级跃迁类型近红外近红外近红外近红外0.750.750.750.752.52.52.52.5130001300013000130004000
3、400040004000OH NHOH NHOH NHOH NH及及及及CHCHCHCH键键键键倍频吸收区倍频吸收区倍频吸收区倍频吸收区中红外中红外中红外中红外2.5502.5502.5502.5504000200400020040002004000200振动振动振动振动,转动转动转动转动远红外远红外远红外远红外50505050100010001000100020010200102001020010骨架振动骨架振动骨架振动骨架振动转动转动转动转动最常用最常用最常用最常用2.52.52.52.5151515154000670400067040006704000670红外光谱区红外光谱区红外光谱区
4、红外光谱区第十四章第十四章第一节概述第一节概述第十四章第十四章 绝大多数有机物和无机离子的化绝大多数有机物和无机离子的化学键基频吸收都出现在中红外区。通学键基频吸收都出现在中红外区。通常说的红外光谱实指中红外光谱区。常说的红外光谱实指中红外光谱区。第一节概述第一节概述第十四章第十四章纵坐标为吸收强度,纵坐标为吸收强度,横坐标为波长横坐标为波长(m m )和波数和波数1/1/(cm(cm-1-1)可以用峰数,峰位,峰形,峰强来描述可以用峰数,峰位,峰形,峰强来描述。红外光谱的表示方法红外光谱的表示方法第一节概述第一节概述如如果果波波长长以以m m为为单单位位,而而1 1m m1010-4-4cm
5、cm,波波长与波数的关系为:长与波数的关系为:波数是波长的倒数,常用单位是波数是波长的倒数,常用单位是cmcm-1-1,它表示它表示1cm1cm的距离内光波的数目。的距离内光波的数目。第一节概述第一节概述第十四章第十四章例如例如50m50m的红外光,用波数表示为:的红外光,用波数表示为:即即在在1cm1cm的的长长度度内内,波波长长为为50m50m的的红红外外光光波波的的数数量为量为200200个。个。第一节概述第一节概述第十四章第十四章红外光谱图表示法红外光谱图表示法第十四章第十四章第一节概述第一节概述 与紫外与紫外-可见吸收光谱法比较,红外光谱法可见吸收光谱法比较,红外光谱法具有以下特点:
6、具有以下特点:1.1.紫外紫外-可见吸收光谱是可见吸收光谱是电子电子-振振-转光谱转光谱,常用,常用于研究不饱和有机物,特别是具有共轭体系的有于研究不饱和有机物,特别是具有共轭体系的有机化合物;而红外光谱是机化合物;而红外光谱是分子振分子振-转光谱转光谱,涉及,涉及振动能级的跃迁,振动能级的跃迁,几乎几乎(除了单原子分析和同核(除了单原子分析和同核双原子分子外)可用于所有化合物的研究。双原子分子外)可用于所有化合物的研究。红外吸收光谱法的特点及用途红外吸收光谱法的特点及用途第十四章第十四章2.2.红外光谱法最重要和最广泛的用途是对有红外光谱法最重要和最广泛的用途是对有机化合物进行结构分析。机化
7、合物进行结构分析。3.3.红外光谱可用于定量分析,但干扰较大。红外光谱可用于定量分析,但干扰较大。4.4.可测定气体、液体、固体样品,并且试样可测定气体、液体、固体样品,并且试样用量少,分析速度快,不破坏样品。用量少,分析速度快,不破坏样品。第十四章第十四章红外吸收光谱法的特点及用途红外吸收光谱法的特点及用途(1)(1)辐射应具有刚好能满足物质产生振动跃迁所需的能量辐射应具有刚好能满足物质产生振动跃迁所需的能量(2)(2)只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射 对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外对称分子:没有偶极矩,辐射不能
8、引起共振,无红外 活性。如:活性。如:N N2 2、O O2 2、ClCl2 2 等。等。非对称分子:有偶极矩,红外活性。非对称分子:有偶极矩,红外活性。第十四章第十四章(一一)红外吸收光谱产生的条件红外吸收光谱产生的条件第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理IRIR谱带的强度用谱带的强度用s(strongs(strong,强,强)、m(middlem(middle,中等,中等)、w(weakw(weak,弱,弱)、vw(veryvw(very weak weak,极弱,极弱)表示。表示。1.1.双原子分子的振动双原子分子的振动(二)分子的振动形式(二)分子的
9、振动形式第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章1.1.双原子分子的振动双原子分子的振动双原子分子可以看成是谐振子,根据胡克定律:双原子分子可以看成是谐振子,根据胡克定律:(二)分子的振动形式(二)分子的振动形式第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章k k k k 化学键力常数化学键力常数化学键力常数化学键力常数,分子折合质量分子折合质量分子折合质量分子折合质量例例1 1已知已知C CH H键键(看作双原子分子看作双原子分子)的力常数为的力常数为K K5N.cm5N.cm-1-1,求,求C CH H键的振动频率。键的振动频率。解:解:C C原子和原子和H H原子的折合质量为:原子的折
10、合质量为:答:答:C CH H键的振动频率为键的振动频率为3030cm3030cm-1-1。代入公式,得:代入公式,得:第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理 由由于于有有机机化化合合物物的的结结构构不不同同,化化学学键键连连接接的的两两原原子子折折合合质质量量和和化化学学键键的的力力常常数数各各不不相相同同,就就会会出出现现不不同同的的吸吸收收频频率率,因因此此,不不同同的的化化合合物各有其特征的红外光谱。物各有其特征的红外光谱。第十四章第十四章2.2.多原子分子的振动多原子分子的振动伸缩振动伸缩振动第二节基本原理第二节基本原理 原子沿键轴方
11、向伸缩,原子沿键轴方向伸缩,键长发生周期性变化键长发生周期性变化而而键角不变键角不变的振动称为伸缩振动的振动称为伸缩振动。分为分为对称伸缩振动对称伸缩振动 (s s)和和不对称伸缩振动不对称伸缩振动 (asas)。对同一基团,对同一基团,asas频率稍高于频率稍高于 s s(1 1)伸缩振动伸缩振动()第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理弯曲振动面内弯曲振动弯曲振动面外弯曲振动第十四章第十四章(2 2)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)变形振动(又称弯曲振动或变角振动)变形振动是指变形振动是指基团键角发生周期变化基团键角发生周期变化而而键长键长不变不变的振动称为变形振动,用符号的振动称
12、为变形振动,用符号 表示。表示。第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理变形振动又分为变形振动又分为面内变形面内变形和和面外变形面外变形振动。振动。面内变形振动又分为面内变形振动又分为剪式剪式(以(以 表示表示)和)和平面平面摇摆振动摇摆振动(以(以 表示表示)。)。面外变形振动又分为非平面摇摆(以面外变形振动又分为非平面摇摆(以 表示表示)和扭曲振动(以和扭曲振动(以 表示表示)。)。第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理(三三)分子振动形式与红外吸收分子振动形式与红外吸收 实实际际观观察察到到的的红红外外吸吸收收峰峰的的数数目目,往往往往少于振动形式的数目,减少的原因主要有:少于
13、振动形式的数目,减少的原因主要有:(1)(1)不不产产生生偶偶极极矩矩变变化化的的振振动动没没有有红红外外吸吸收收,不不产生红外吸收峰。产生红外吸收峰。第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章(2)(2)有有的的振振动动形形式式不不同同,但但振振动动频频率率相相同同,吸吸收收峰峰在在红红外外光光谱谱图图中中同同一一位位置置出出现现,只只观观察察到到一个吸收峰,这种现象称为简并。一个吸收峰,这种现象称为简并。(3)(3)吸吸收收峰峰太太弱弱,仪仪器器不不能能分分辨辨,或或者者超超过过了了仪器可以测定的波长范围。仪器可以测定的波长范围。第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章分子振动的自由
14、度分子振动的自由度 N N N N个原子组成分子。个原子组成分子。个原子组成分子。个原子组成分子。有有有有3N3N3N3N个独立运动平动数振动数转动数个独立运动平动数振动数转动数个独立运动平动数振动数转动数个独立运动平动数振动数转动数 N N N N个原子中每个原子都能向个原子中每个原子都能向个原子中每个原子都能向个原子中每个原子都能向X X X X,Y Y Y Y,Z Z Z Z三三三三 个坐标方向独立运动。个坐标方向独立运动。个坐标方向独立运动。个坐标方向独立运动。即即即即N N N N个原子有个原子有个原子有个原子有3N3N3N3N个独立运动。个独立运动。个独立运动。个独立运动。3 3
15、3 3个平动自由度个平动自由度个平动自由度个平动自由度 Z Z y y X X第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章转动:非线性:转动:非线性:转动:非线性:转动:非线性:3 3 3 3个转动自由度个转动自由度个转动自由度个转动自由度 线线线线 性:性:性:性:2 2 2 2个转动自由度,键轴为轴的转个转动自由度,键轴为轴的转个转动自由度,键轴为轴的转个转动自由度,键轴为轴的转 动原子的位置没有改变。不形成转动的动原子的位置没有改变。不形成转动的动原子的位置没有改变。不形成转动的动原子的位置没有改变。不形成转动的自由度。自由度。自由度。自由度。所以所以所以所以 非线性分子
16、的振动自由度非线性分子的振动自由度非线性分子的振动自由度非线性分子的振动自由度3N-3-3=3N-63N-3-3=3N-63N-3-3=3N-63N-3-3=3N-6 线性分子的振动自由度线性分子的振动自由度线性分子的振动自由度线性分子的振动自由度3N-3-2=3N-53N-3-2=3N-53N-3-2=3N-53N-3-2=3N-5 第二节基本原理第二节基本原理如如H H2 2O O的振动自由度等于的振动自由度等于 33336 63 3水的红外光谱图水的红外光谱图水的红外光谱图水的红外光谱图第十四章第十四章第二节基本原理第二节基本原理第十四章第十四章基基频频:振振动动能能级级由由基基态态跃跃
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