第十章红外吸收光谱分析课件.ppt
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1、第第1010章章 红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 Infrared absorptiun spectroscopy IR主要内容主要内容第一节第一节 概述概述第二节红外吸收基本理论第二节红外吸收基本理论 第三节第三节 红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪第四节红外吸收光谱分析第四节红外吸收光谱分析第一节第一节 概概 述述 红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法。一、红外光区的划分及主要应用一、红外光区的划分及主要应用 红红外外光光谱谱在在可可见见光光和和微微波波光光区区之之间间,其其波波长长范范围围约约0.781000m。根根据据能能量量与与可可见见光光的的接接近近程程度
2、度,习习惯惯上上按按红红外光波长,将红外光谱分成三个区域:外光波长,将红外光谱分成三个区域:近红外(泛频区)近红外(泛频区)0.782.5m 120004000cm-1 中红外(基本振动区)中红外(基本振动区)2.550m 4000200cm-1远红外(转动区)远红外(转动区)501000m 20010cm-1二、红外光谱法特点二、红外光谱法特点 红红外外光光谱谱不不涉涉及及分分子子的的电电子子能能级级,主主要要是是振振动动能能级级跃迁(当然还有转动能级的跃迁)。跃迁(当然还有转动能级的跃迁)。2.涉及绝大多数有机物;涉及绝大多数有机物;3、红外光谱的结构信息丰富、红外光谱的结构信息丰富;4、
3、物物质质对对红红外外辐辐射射的的吸吸收收强强度度与与物物质质含含量量的的关关系系符符合合朗朗伯比尔定律,可以定量分析,但一般只做结构分析。伯比尔定律,可以定量分析,但一般只做结构分析。5、非破坏性分析。、非破坏性分析。IR UV起源起源 分子振动能级伴随转动能级跃迁 分子外层价电子能级跃迁适用适用 所有红外吸收的有机化合物 具n-*跃迁有机化合物 具-*跃迁有机化合物特征性特征性 特征性强 简单、特征性不强用途用途 鉴定化合物类别 定量 鉴定官能团 推测有机化合物共轭骨架 推测结构三、红外光谱图表示方法三、红外光谱图表示方法以透射比以透射比T为纵坐标,以波长为纵坐标,以波长(m)或波数)或波数
4、1/(,cm-1)为横坐标作图得到红外吸收光谱图。)为横坐标作图得到红外吸收光谱图。从红外光谱图上得到的信息:从红外光谱图上得到的信息:峰的数目:与分子中基团有关峰的数目:与分子中基团有关峰的形状:宽窄;结构定性的辅助手段峰的形状:宽窄;结构定性的辅助手段峰的位置:结构定性的主要依据峰的位置:结构定性的主要依据峰的强度:高低,结构定性的辅助手段,可作为峰的强度:高低,结构定性的辅助手段,可作为定量依据定量依据第二节红外吸收基本理论第二节红外吸收基本理论 一、分子的振动与振动能级一、分子的振动与振动能级1、谐振子(、谐振子(harmonic oscillator)对简单的双原子分子的振动可以用谐
5、振子模型来模拟双对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。弹簧的力常数弹簧的力常数k来代表化学键的强度(来代表化学键的强度(N/cm)。)。谐振子的振动频率(经典力学的计算方法)谐振子的振动频率(经典力学的计算方法)根据虎克定律:根据虎克定律:关于力常数关于力常数k:化学键的强度可以用化学键的强度可以用k来形象描述,同类原子组成的化学来形象描述,同类原子组成的化学键,折合质量相同,频率取决于键,折合质量相同,频率取决于k.如:如:CC,k=5 N/cm,频率频率1190 cm-1 CC,10
6、1685 CC,15 2062 如果化学键相同,原子质量决定频率。如果化学键相同,原子质量决定频率。如:如:CH,2920 CC,1190对对于于双双原原子子分分子子(谐谐振振子子)的的振振动动能能量量:要要用用量量子子力力学学来处理来处理注意:注意:(1)对对于于双双原原子子分分子子,其其振振动动频频率率可可以以采采用用经经典典力力学学的的方方法法计计算算,但但振振动动的的能能量量是是量量子子化化的的,必必须须根根据据量量子子力力学的方法处理。学的方法处理。(2)能级等间隔,都是)能级等间隔,都是hv。(3)双双原原子子分分子子(谐谐振振子子)的的振振动动能能级级的的跃跃迁迁选选律律(Vib
7、rational Selection Rule):Dn=12、非谐振子、非谐振子实际上双原子分子不是理想的谐振子,原因有俩:实际上双原子分子不是理想的谐振子,原因有俩:(1)电子云的排斥,两个原子靠的越近,斥力越大;)电子云的排斥,两个原子靠的越近,斥力越大;(2)两个原子之间的距离增大到一定程度后,分子解离。)两个原子之间的距离增大到一定程度后,分子解离。因因此此双双原原子子分分子子应应该该看看成成是是非非谐谐振振子子。从从势势能能图图上上看看区区别!别!讨论讨论:(1)振振动动能能级级之之间间的的能能级级差差能能量量较较小小,分分子子在在振振动动能能级级之间跃迁吸收红外光辐射;之间跃迁吸收
8、红外光辐射;(2)从从v=0跃跃迁迁至至v1产产生生的的吸吸收收谱谱线线称称为为基基本本谱谱带带或或基频峰基频峰;(3)从从v0跃跃迁迁至至v2产产生生的的吸吸收收谱谱带带称称为为倍倍频频峰峰,跃跃迁迁至至v2称称为为第第一一倍倍频频峰峰,v3称称为为第第二二倍倍频频峰峰;倍倍频频峰的频率不是基频峰的整数倍,而是略小。峰的频率不是基频峰的整数倍,而是略小。(4)基频峰跃迁几率大,峰最强,倍频峰较弱)基频峰跃迁几率大,峰最强,倍频峰较弱二、分子的振动方式二、分子的振动方式 构构成成分分子子的的原原子子不不是是静静止止不不动动的的,原原子子在在其其平平衡衡位位置置做做相相对对运运动动,从从而而产产
9、生生振振动动!原原子子与与原原子子之之间间的的相相对对运运动动无无非非有有两两种种情情况况,即即:键键长长发发生生变变化化(伸伸缩缩振振动动,Stretch),键角发生变化(弯曲振动,键角发生变化(弯曲振动,Bend)1、对于双原子分子:没有弯曲振动,只有一个伸缩振动对于双原子分子:没有弯曲振动,只有一个伸缩振动伸缩振动:伸缩振动:change in bond length弯曲振动:弯曲振动:change in bond angle先看一下伸缩振动:也两种情况:对称和不对称伸缩先看一下伸缩振动:也两种情况:对称和不对称伸缩以亚甲基以亚甲基CH2为例为例(动画动画)2 2、对于多原子分子来说,情
10、况比较复杂、对于多原子分子来说,情况比较复杂n nsn nassymmetricasymmetric再看一下弯曲振动:键角发生变化而键长不变再看一下弯曲振动:键角发生变化而键长不变两类:面内弯曲振动两类:面内弯曲振动r rd dscissoringwagging面外弯曲振动面外弯曲振动w wt ttwisting/torsionrocking三、分子的振动自由度三、分子的振动自由度分分子子振振动动形形式式的的多多少少称称为为振振动动的的自自由由度度,换换句句话话说说,振振动自由度就是分子的独立的振动数目。动自由度就是分子的独立的振动数目。如何计算分子的振动自由度?如何计算分子的振动自由度?1
11、1、如如果果一一个个分分子子有有N N个个原原子子,在在三三维维空空间间里里(x,y,zx,y,z),每每个个原原子子的的运运动动自自由由度度为为3 3,N N个个原原子子的的总总运运动动自自由由度度(运动数目)(运动数目)3N3N。2 2、分子在空间的运动形式有三种:平动,转动,振动、分子在空间的运动形式有三种:平动,转动,振动(1 1)平动:分子作为一个整体在空间平移。)平动:分子作为一个整体在空间平移。有三种平动方式,平动自由度为有三种平动方式,平动自由度为3 3(2 2)转动:分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。)转动:分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。对于线形分子:对于线形分子
12、:有两种转动方式,转动自由度为有两种转动方式,转动自由度为2 2对于非线形分子:对于非线形分子:有三种转动方式,转动自由度为有三种转动方式,转动自由度为3 3(3 3)振动)振动因因此此:对对于于有有N N个个原原子子的的分分子子来来说说,总总的的运运动动自自由由度度平平动自由度转动自由度振动自由度动自由度转动自由度振动自由度3N3N振动自由度运动自由度平动自由度转动自由度振动自由度运动自由度平动自由度转动自由度对于线性分子:振动自由度对于线性分子:振动自由度3N5对于非线性分子:振动自由度对于非线性分子:振动自由度3N6例如:例如:H2,双原子分子,双原子分子,3N51H2O,三原子分子,非
13、线性,三原子分子,非线性,3N63(动画)(动画)vsvasdCO2,三原子分子,线性,三原子分子,线性,3N54(动画动画)+-dt例例如如:苯苯,3N3N6 63030种种,实实际际上上苯苯的的红红外外谱谱图图上上只只有有几几个吸收峰!个吸收峰!说说明明:不不单单苯苯,许许多多化化合合物物在在红红外外谱谱图图上上的的吸吸收收峰峰数数目目要远小于其振动自由度(理论计算值)。要远小于其振动自由度(理论计算值)。原原因因:(1):(1)相相同同频频率率的的峰峰重重叠叠,即即简简并并;(2 2)频频率率接接近近或或峰峰弱弱,仪仪器器检检测测不不出出;(3 3)有有些些吸吸收收峰峰落落在在仪仪器器的
14、的检检测测范围之外;范围之外;(4 4)并不是所有的振动都产生红外吸收!)并不是所有的振动都产生红外吸收!那么什么情况下的振动产生红外吸收?那么什么情况下的振动产生红外吸收?我们在光学导论提到过,光是电磁波(电场磁场)我们在光学导论提到过,光是电磁波(电场磁场)分分子子也也有有电电场场(偶偶极极矩矩),分分子子中中的的原原子子在在做做振振动动时时,偶偶极矩会发生变化。极矩会发生变化。红红外外吸吸收收的的产产生生是是由由于于分分子子电电场场和和红红外外光光电电场场的的相相互互耦耦合合作用!作用!重点讨论重点讨论分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件:分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件:(
15、1 1)辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。)辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。(2 2)只只有有能能使使偶偶极极矩矩发发生生变变化化的的振振动动形形式式才才能能吸吸收收红红外辐射(辐射与物质间有相互偶合作用)。外辐射(辐射与物质间有相互偶合作用)。A A、对对称称分分子子:没没有有偶偶极极矩矩,辐辐射射不不能能引引起起共共振振,无无红红外活性。外活性。如:如:N N2 2、O O2 2、ClCl2 2 等。等。B B、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。四、影响吸收峰强度的因素四、影响吸收峰强度的因素1 1、峰强度的划分:按照吸光系数划分、峰强度的划分:按
16、照吸光系数划分100,极强20100,强1020,中1对称伸缩,伸缩对称伸缩,伸缩弯曲弯曲五、基团振动与红外吸收光谱五、基团振动与红外吸收光谱注意两个问题:注意两个问题:(1 1)红外光谱的产生是由于分子振动能级的跃迁)红外光谱的产生是由于分子振动能级的跃迁(2 2)分子对红外光的吸收频率与分子振动的频率相匹配)分子对红外光的吸收频率与分子振动的频率相匹配吸收有规律可循吸收有规律可循(1 1)各各种种基基团团的的振振动动频频率率不不一一样样,因因此此其其对对红红外外光光的的吸吸收收频频率率也也不不一一样样。每每种种基基团团(原原子子团团)都都有有特特征征的的红红外外吸吸收收光光谱谱,或或者者说
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