红外测试原理及方法.ppt
《红外测试原理及方法.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《红外测试原理及方法.ppt(128页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、Infrared and Ramanw参考文献参考文献:w1 1)近代傅立叶变换红外光谱技术及其应用近代傅立叶变换红外光谱技术及其应用吴瑾光吴瑾光,科学技术文献出版社科学技术文献出版社w2 2)高分子结构研究中的光谱方法高分子结构研究中的光谱方法薛奇薛奇,高等教育出高等教育出版社版社w3 3)有机分子结构波谱解析有机分子结构波谱解析朱淮武朱淮武,化学工业出版社化学工业出版社 红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。分子中电子总是处在某一种运动状态中,每一种状分子中电子总是处在某一种运动状态中,每一种状态都具有一定的能量,属一定能级。态都具有一定的能量,属一定能级。电子受
2、到光、热、电的激发,从一个能级转移到另电子受到光、热、电的激发,从一个能级转移到另一个能级,称为一个能级,称为跃迁跃迁。由于分子内部运动所牵涉到能级变化较复杂,分子由于分子内部运动所牵涉到能级变化较复杂,分子吸收光谱也较复杂。吸收光谱也较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外,还有核间相对在分子内部除了电子运动状态之外,还有核间相对运动,即核的振动和分子绕重心的转动。运动,即核的振动和分子绕重心的转动。一、概述一、概述 introduction分子中基团的振动和转动能级跃迁产生:振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生:振-转光谱转光谱辐射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能团官
3、能团分子结构分子结构近红外区近红外区中红外区中红外区远红外区远红外区分子振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免分子振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只能得到能得到 分子的振动分子的振动-转动光谱,称为红外吸收光谱。转动光谱,称为红外吸收光谱。红外光谱图:红外光谱图:纵坐标透射百分比纵坐标透射百分比T%T%,横坐标为波长横坐标为波长 (m m)和波数和波数 单位:单位:cmcm-1-1可以用可以用峰数,峰位,峰数,峰位,峰形,峰强峰形,峰强来描述。来描述。
4、应用:有机化合物的结构解析。应用:有机化合物的结构解析。定性:基团的特征吸收频率;定性:基团的特征吸收频率;定量:特征峰的强度;定量:特征峰的强度;红外光谱与有机化合物结构红外光谱与有机化合物结构红外光谱法的特点红外光谱法的特点 研究振动中伴有研究振动中伴有偶极矩变化偶极矩变化的化合物的化合物 除单原子和同核分子外,几乎所有化合物在红外区均有吸除单原子和同核分子外,几乎所有化合物在红外区均有吸收。除光学异构体,某些高分子量高聚物及分子量微小差异的收。除光学异构体,某些高分子量高聚物及分子量微小差异的化合物外,结构不同两化合物不会有相同红外光谱。化合物外,结构不同两化合物不会有相同红外光谱。波数
5、位置、波峰数目及吸收谱带强度波数位置、波峰数目及吸收谱带强度反映分子结构特点,反映分子结构特点,可鉴定未知物结构组成或确定其化学基团;谱带吸收强度与分可鉴定未知物结构组成或确定其化学基团;谱带吸收强度与分子组成或化学基团含量有关,可进行定量分析和纯度鉴定。子组成或化学基团含量有关,可进行定量分析和纯度鉴定。气、液、固体气、液、固体样都可测,用量少,速度快,不破坏样品。样都可测,用量少,速度快,不破坏样品。能进行定性和定量分析,鉴定化合物和测定分子结构。能进行定性和定量分析,鉴定化合物和测定分子结构。二、红外吸收光谱产生的条件二、红外吸收光谱产生的条件 condition of Infrared
6、 absorption spectroscopy 满足两个条件:满足两个条件:(1)(1)辐射具物质产生振动跃迁所需能量;辐射具物质产生振动跃迁所需能量;(2)(2)辐射与物质间有相互偶合作用。辐射与物质间有相互偶合作用。对称分子对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。如:性。如:N N2 2、O O2 2、Cl Cl2 2 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。一定频率红外光照射分子,如分子中某基团振动频率和一定频率红外光照射分子,如分子中某基团振动频率和它一致,会产生共振,此时光的能量通过分子偶极矩变化传它
7、一致,会产生共振,此时光的能量通过分子偶极矩变化传递给分子,基团吸收一定频率红外光,产生振动跃迁。如用递给分子,基团吸收一定频率红外光,产生振动跃迁。如用连续频率红外光照射样品,试样对不同频率红外光吸收程度连续频率红外光照射样品,试样对不同频率红外光吸收程度不同,通过试样的红外光在一些波数范围减弱或仍较强,仪不同,通过试样的红外光在一些波数范围减弱或仍较强,仪器记录该红外吸收光谱,进行样品定性和定量分析。器记录该红外吸收光谱,进行样品定性和定量分析。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分子振动方程式分子振动方程式分子的振动能级(量子化):分子的振动能级(量子化):E E
8、振振=(V+V+1/21/2)h h :化学键的化学键的 振动频率;振动频率;V V :振动量子数。振动量子数。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 任意两个相邻的能级间的能量差为:任意两个相邻的能级间的能量差为:K 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,为双原子的为双原子的折合质量折合质量 =m m1 1m m2 2/(m m1 1+m m2 2)发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于K 和和 ,即取,即取决于分子的结构特征。决于分子的
9、结构特征。表表 某些键的伸缩力常数(毫达因某些键的伸缩力常数(毫达因/埃)埃)键类型键类型 C C C C C C=C =C C C C C 力常数力常数 15 15 17 9.5 17 9.5 9.9 4.5 9.9 4.5 5.6 5.6峰位峰位 2222 2222 cmcm-1-1 1667 1667 cmcm-1-1 1429 1429 cmcm-1-1化学键键强越强(化学键键强越强(K K越大)原子折合质量越小,化学键的越大)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。振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区。例例:由表中查知由表中查知C=CC=C键的键的K K=9.
10、5=9.5 9.9,9.9,令其为令其为9.6,9.6,计计算波数值。算波数值。正己烯中正己烯中C=CC=C键伸缩振动频率实测值为键伸缩振动频率实测值为1652 1652 cmcm-1-1上述用经典方法来处理分子振动是宏观处理方法。上述用经典方法来处理分子振动是宏观处理方法。但真实分子的振动能量变化量子化;分子中基团间,基团中但真实分子的振动能量变化量子化;分子中基团间,基团中化学键间相互影响,除化学键两端原子质量、力常数影响基化学键间相互影响,除化学键两端原子质量、力常数影响基本振动频率外,还与内部因素和外部因素(化学环境)有关。本振动频率外,还与内部因素和外部因素(化学环境)有关。三、分子
11、中基团的基本振动形式三、分子中基团的基本振动形式简正振动简正振动 basic vibration of the group in molecular1 1两类基本振动形式两类基本振动形式伸缩振动伸缩振动 亚甲基:亚甲基:变形振动变形振动 亚甲基亚甲基振动状态是分子质心保持不振动状态是分子质心保持不变,整体不转动,每个原子变,整体不转动,每个原子在其平衡位置附近做简谐振在其平衡位置附近做简谐振动,振动频率和相位相同,动,振动频率和相位相同,即每个原子都在同一瞬间通即每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置,且同时达到过其平衡位置,且同时达到其最大位移值。分子中任何其最大位移值。分子中任何一个复杂振动都
12、可以看成这一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性组合些简正振动的线性组合甲基的振动形式甲基的振动形式伸缩振动伸缩振动 甲基:甲基:变形振动变形振动 甲基甲基对称对称s s(CH(CH3 3)1380)1380-1-1 不不对称对称asas(CH(CH3 3)1460)1460-1-1对称对称 不对称不对称s s(CH(CH3 3)asas(CH(CH3 3)2870 2870-1-1 2960 2960-1-1例水分子例水分子(非对称分子)(非对称分子)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,越大,原子折合质量越小,键的振动频率
13、越大,吸收峰将出现在高波数区;反之,出现键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区;反之,出现在低波数区。在低波数区。(2)峰数)峰数 无瞬间偶极距变化时无红外吸收。无瞬间偶极距变化时无红外吸收。简正振动的数目称为振动自由度,每个振动自由度相当于简正振动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。红外光谱图上一个基频吸收带。分子由分子由n个原子组成,每个个原子组成,每个原子在空间有原子在空间有3个自由度,因此个自由度,因此n个原子组成的分子共有个原子组成的分子共有3n个自个自由度,即由度,即3n种运动状态。种运动状态。3n种运动状态,包括种运动状态,包括3个整个整个分子
14、的质心沿个分子的质心沿x、y、z方向平方向平移运动和移运动和3个整个分子绕轴的转个整个分子绕轴的转动。这动。这6种运动不是分子振动,种运动不是分子振动,振动形式有(振动形式有(3n-6)种。种。对直线型分子,若贯穿所对直线型分子,若贯穿所有原子的轴在有原子的轴在x方向,则整个分方向,则整个分子只能绕子只能绕y、z轴转动,直线性轴转动,直线性分子振动形式为(分子振动形式为(3n-5)种。种。水水非线型分子的振动形式:非线型分子的振动形式:3n-6=9-6=3 二氧化碳二氧化碳线型分子的振动形式:线型分子的振动形式:3n-5=9-5=4例例2CO2分子分子(有一种振动(有一种振动无红外活性)无红外
15、活性)(4)由基态跃迁到第一激发态,产生一个强的吸收峰,基)由基态跃迁到第一激发态,产生一个强的吸收峰,基频峰;频峰;(5)由基态直接跃迁到第二激发态,产生一个弱的吸收峰,)由基态直接跃迁到第二激发态,产生一个弱的吸收峰,倍频峰;倍频峰;(3)瞬间偶极距变化大,吸收峰强;键两端原子电负性相)瞬间偶极距变化大,吸收峰强;键两端原子电负性相差越大(极性越大),吸收峰越强;差越大(极性越大),吸收峰越强;比预期振动谱带数目少的影响因素比预期振动谱带数目少的影响因素(1)没有偶极矩变化的振动,不产生红外吸收;)没有偶极矩变化的振动,不产生红外吸收;(2)相同频率的振动吸收重叠,即简并;)相同频率的振动
16、吸收重叠,即简并;(3)仪器不能区别频率十分接近的振动,或吸收带很)仪器不能区别频率十分接近的振动,或吸收带很弱,仪器无法检测;弱,仪器无法检测;(4)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。例例CO2分子分子比预期振动谱带数目多的影响因素比预期振动谱带数目多的影响因素1)泛频峰泛频峰(Overtone)或倍频峰的出现或倍频峰的出现2)组频峰组频峰(Combination band)的出现的出现3)谐振耦合峰谐振耦合峰(harmonic coupling band)的出现的出现4)费米共振峰费米共振峰(Fermi Resonance)的出现的出现 (CH3)1460
17、cm-1,1375 cm-1。(CH3)2930 cm-1,2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC四、红外吸收峰强度四、红外吸收峰强度 intensity of Infrared absorption bend C=O 强;强;C=C 弱;为什么?弱;为什么?吸收峰强度吸收峰强度跃迁几率跃迁几率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:vs(极强极强);s(强强);m(中中);w(弱弱)红外吸收峰强度
18、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;五、红外吸收光谱的特征性五、红外吸收光谱的特征性 group frequency in IR 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振动频率动频率基团特征频率(特征峰)基团特征频率(特征峰);例:例:2800 3000 cm-1 CH3 特征峰特征峰;1600 1850 cm-1 C=O 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CH2
19、CONH 1680 cm-1 酰胺酰胺红外光谱信息区红外光谱信息区常见的有机化合物常见的有机化合物基团频率基团频率出现的范围:出现的范围:4000 670 cm-1依据基团的振动形式,分为四个区:依据基团的振动形式,分为四个区:(1)4000 2500 cm-1 XH伸缩振动区(伸缩振动区(X=O,N,C,S)(2)2500 1900 cm-1 三键三键,累积双键累积双键伸缩振动区伸缩振动区(3)1900 1200 cm-1 双键双键伸缩振动区伸缩振动区(4)1200 670 cm-1 XY伸缩,伸缩,XH变形振动区变形振动区常见基团的红外吸收带常见基团的红外吸收带特征区特征区指纹区指纹区50
20、0100015002000250030003500C-H,N-H,O-HN-HC NC=NS-HP-HN-O N-NC-FC-XO-HO-H(氢键)氢键)C=OC-C,C-N,C-O=C-HC-HC CC=C分子结构与吸收峰分子结构与吸收峰 molecular structure and absorption peaks1 XH伸缩振动区(伸缩振动区(4000 2500 cm-1)(1)OH 3650 3200 cm-1 确定确定 醇、酚、酸醇、酚、酸 在非极性溶剂中,浓度较小(稀溶液)时,峰形尖锐,强在非极性溶剂中,浓度较小(稀溶液)时,峰形尖锐,强吸收;当浓度较大时,发生缔合作用,峰形较宽
21、。吸收;当浓度较大时,发生缔合作用,峰形较宽。注意区分注意区分NH伸缩振动:伸缩振动:3500 3100 cm-1(3)不饱和碳原子上的)不饱和碳原子上的=CH(CH)苯环上的苯环上的CH 3030 cm-1 =CH 3010 2260 cm-1 CH 3300 cm-1(2)饱和碳原子上的)饱和碳原子上的CH3000 cm-1 以上以上 CH3 2960 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2870 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH2 2930 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH 2890 cm-1 弱吸收弱吸收3000 c
22、m-1 以下以下2 叁键(叁键(C C)伸缩振动区伸缩振动区(2500 1900 cm-1)在该区域出现的峰较少;在该区域出现的峰较少;(1)RC CH (2100 2140 cm-1)RC CR (2190 2260 cm-1)R=R 时,无红外活性时,无红外活性w(2)RC N (2220 2260 cm-1)w 非共轭非共轭 2240 2260 cm-1 w 共轭共轭 2220 2230 cm-1 w仅含仅含C、H、N时:峰较强、尖锐;时:峰较强、尖锐;w有有O原子存在时;原子存在时;O越靠近越靠近C N,峰越弱;峰越弱;3 双键伸缩振动区(双键伸缩振动区(1900 1200 cm-1)
23、(1)烯烃烯烃RC=CR 1620 1680 cm-1 强度弱,强度弱,R=R(对称对称)时,时,无红外活性。无红外活性。(2)单核芳烃的单核芳烃的C=C伸缩振动出现在伸缩振动出现在1600 cm-1和和1500 cm-1附近,有两个峰,是芳环的骨架结构,附近,有两个峰,是芳环的骨架结构,确认芳核的存在确认芳核的存在。苯衍生物的苯衍生物的C=C 苯衍生物在苯衍生物在 1650 2000 cm-1 出现出现 C-H和和C=C键的面内变键的面内变形振动的泛频吸收(强度弱),可为判断取代基位置提供参形振动的泛频吸收(强度弱),可为判断取代基位置提供参考。考。20001600(3)C=O(1850 1
24、600 cm-1)碳氧双键的特征峰,强度大,峰尖锐。碳氧双键的特征峰,强度大,峰尖锐。饱和醛饱和醛(酮酮)1740-1720 cm-1;不饱和醛;不饱和醛(酮酮)向低波移动;向低波移动;4.XY伸缩,伸缩,XH 变形振动区变形振动区 99%或符合商业规格,或符合商业规格,便于与纯物质标准光谱对照。多组份试样在测前尽量预先提便于与纯物质标准光谱对照。多组份试样在测前尽量预先提纯,否则各组份光谱重叠,难于判断。纯,否则各组份光谱重叠,难于判断。(2)试样中)试样中不含游离水不含游离水。水有红外吸收,会严重干扰样品谱,。水有红外吸收,会严重干扰样品谱,且侵蚀吸收池的盐窗。且侵蚀吸收池的盐窗。(3)试
25、样)试样浓度和厚度浓度和厚度选择适当,以使光谱图中的大多数吸收选择适当,以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于峰的透射比处于10%80%范围内。范围内。制样方法制样方法 sampling methods1)气体气体气体池气体池2)液体液体:液膜法液膜法难挥发液体难挥发液体(BP 80 C)溶液法溶液法液体池液体池溶剂:溶剂:CCl4,CS2常用。常用。3)固体固体:KBr压片法压片法研糊法(液体石腊法)研糊法(液体石腊法)薄膜法薄膜法ATR八、联用技术八、联用技术 hyphenated technologyGC/FTIR(气相色谱红外光谱联用)气相色谱红外光谱联用)LC/FTIR(液相色谱红外
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 红外 测试 原理 方法
限制150内