《红外光的基本性质》PPT课件

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1、红 外 光 谱 吸 收 法 1、 红 外 光 的 波 长 ： 0.75-1000mm， 通 常 分 为 为 三 个 区 ：近 红 外 光 区 （ 0.75 2.5m ） ；中 红 外 光 区 （ 2.5 25m ） ；远 红 外 光 区 （ 25 1000m ） 。一 、 红 外 光 的 基 本 性 质 波 长 与 波 数 之 间 的 关 系 为 ： 波 数 / cm-1 =104 /（ / m ） 二 .红 外 光 谱 的 产 生红 外 光 谱 是 由 于 分 子 振 动 而 产 生 的 。（ 1） 分 子 振 动 方 程 式K化 学 键 的 力 常 数 ， 与 键 能 和 键 长 有 关

2、， m为 双 原 子 的 折 合 质 量 m =m 1m 2/（ m 1+m 2）发 生 振 动 能 级 跃 迁 需 要 能 量 的 大 小 取 决 于 键 两 端 原 子 的 折 合 质量 和 键 的 力 常 数 ， 即 取 决 于 分 子 的 结 构 特 征 。 mm kkc 1307211 （ 2） 简 正 振 动简 正 振 动 ： 是 指 这 样 一 种 振 动 状 态 ， 分 子 中 所 有 原 子 都在 其 平 衡 位 置 附 近 作 简 谐 振 动 ， 其 振 动 频 率 和 位 相 都 相同 ， 只 是 振 幅 可 能 不 同 ， 即 每 个 原 子 都 在 同 一 瞬 间 通

3、 过其 平 衡 位 置 ， 且 同 时 到 达 其 最 大 位 移 值 。基 频 ： 每 一 个 简 正 振 动 都 有 一 定 的 频 率 ， 称 为 基 频 。其 中 任 何 一 个 复 杂 振 动 都 可 以 看 成 是 不 同 频 率 的 简 正 振动 的 叠 加 。 （ 3） 分 子 的 振 动 形 式伸 缩 振 动 ：变 形 振 动 ： （ 4） 红 外 光 谱 产 生 条 件 ：必要条件：红外辐射应具有恰好能满足能级跃迁所需的能量，即物质的分子中某个基团的振动频率应正好待于该红外光的频率。充分条件：物质分子在振动过程中应偶极矩的变化。注意：对称分子没有偶极矩，辐射不能引起共振，无

4、红外活性。 （ 1） 基 频 峰 ： 分 子 吸 收 一 定 频 率 的 红 外 光 ， 若振 动 能 级 由 基 态 (n=0)跃 迁 到 第 一 振 动 激 发 态(n=1)时 ， 所 产 生 的 吸 收 峰 称 为 基 频 峰 。 基 频 峰是 最 强 峰 。（ 2） 泛 频 峰 ： 分 子 吸 收 一 定 频 率 的 红 外 光 ， 若振 动 能 级 由 基 态 (n=0)跃 迁 到 第 二 (n=2)， 第 三(n=3)， ， 第 n振 动 激 发 态 时 ， 所 产 生 的 吸 收峰 称 为 倍 频 峰 。 其 它 合 频 峰 、 差 频 峰 等 弱 峰 。（ 3） 特 征 峰 ：

5、 官 能 团 所 具 有 的 特 定 吸 收 峰 ， 能够 用 于 鉴 定 官 能 团 的 存 在 。二 、 红 外 吸 收 光 谱 的 几 个 概 念 特 征 谱 带 区 ： 波 数 4000-1330 cm-1处 ， 主要 分 子 基 团 （ 官 能 团 ） 特 征 峰 出 现 的 地带 ， 也 称 为 基 团 频 率 区 。 指 纹 区 ： 波 数 为 1333-667 cm-1处 ， 出 现 的谱 带 特 别 密 集 ， 能 反 映 分 子 结 构 的 细 微变 化 。 每 种 化 合 在 该 区 的 谱 带 位 置 、 强度 及 形 状 都 不 一 样 ， 形 同 人 的 指 纹 ，

6、 故称 为 指 纹 区 。三 、 红 外 吸 收 光 谱 的 分 区 （ 1） 4000 2500 cm-1 X-H伸 缩 振 动 区 ， X可 以 是 O、 H、 C或 S等 原 子 。O-H基 的 伸 缩 振 动 出 现 在 3650 3200 cm-1 范 围 内 ， 它 可 以 作为 判 断 有 无 醇 类 、 酚 类 和 有 机 酸 类 的 重 要 依 据 。胺 和 酰 胺 的 N-H伸 缩 振 动 也 出 现 在 35003100 cm-1 。C-H的 伸 缩 振 动 可 分 为 饱 和 和 不 饱 和 的 两 种 ： 饱 和 的 C-H伸 缩 振 动 出 现 在 3000 cm-

7、1以 下 ， 约 3000 2800 cm-1 ； 不 饱 和 的 C-H伸 缩 振 动 出 现 在 3000 cm-1以 上 。苯 环 的 C-H键 伸 缩 振 动 出 现 在 3030 cm-1附 近 ， 它 的 特 征 是 强度 比 饱 和 的 C-H浆 稍 弱 ， 但 谱 带 比 较 尖 锐 。不 饱 和 的 双 键 =C-H的 吸 收 出 现 在 30103040 cm -1范 围 内 ， 末端 = CH2的 吸 收 出 现 在 3085 cm-1附 近 。叁 键 CH上 的 C-H伸 缩 振 动 出 现 在 更 高 的 区 域 （ 3300 cm-1 ）附 近 。 基 团 频 率

8、区 可 分 为 三 个 区 域 ： R-CCH的 伸 缩 振 动 出 现 在 21002140 cm-1附 近 ， R-C C-R出 现 在 21902260 cm-1附 近 。-C N基 的 伸 缩 振 动 在 非 共 轭 的 情 况 下 出 现 在22402260 cm-1附 近 。 当 与 不 饱 和 键 或 芳 香 核共 轭 时 ， 该 峰 位 移 到 22202230 cm-1附 近 。 若分 子 中 含 有 C、 H、 N原 子 ， -C N基 吸 收 比 较强 而 尖 锐 。 若 分 子 中 含 有 O原 子 ， 且 O原 子 离 -C N基 越 近 ， -C N基 的 吸 收

9、越 弱 ， 甚 至 观 察不 到 。（ 2） 25001900 为 叁 键 和 累 积 双 键 区 C=O伸 缩 振 动 出 现 在 19001650 cm-1 。 C=C伸 缩 振 动 。 烯 烃 的 C=C伸 缩 振 动 出 现 在16801620 cm-1 ， 一 般 很 弱 。 单 核 芳 烃 的C=C伸 缩 振 动 出 现 在 1600 cm-1和 1500 cm-1附 近 ，有 两 个 峰 ， 这 是 芳 环 的 骨 架 结 构 ， 用 于 确 认 有 无芳 核 的 存 在 。 苯 的 衍 生 物 的 泛 频 谱 带 ， 出 现 在 20001650 cm-1范 围 。（ 3） 1

10、9001200 cm-1为 双 键 伸 缩 振 动 区 （ 1） 1800（ 1300） 900 cm-1区 域 是 C-O、 C-N、 C-F、C-P、 C-S、 P-O、 Si-O等 单 键 的 伸 缩 振 动 和 C=S、S=O、 P=O等 双 键 的 伸 缩 振 动 吸 收 。 其 中 1375 cm-1的 谱 带 为 甲 基 的 C-H对 称 弯 曲 振 动 ，对 识 别 甲 基 十 分 有 用 ， C-O的 伸 缩 振 动 在 13001000 cm-1 ， 是 该 区 域 最 强 的 峰 ， 也 较 易 识 别 。（ 2） 900650 cm-1区 域 的 某 些 吸 收 峰 可

11、 用 来 确 认 化 合 物的 顺 反 构 型 。 对 于 RCH=CH2结 构 ， 在 990 cm-1和 910 cm-1出 现 两 个 强 峰 ； 为RC=CRH结 构 是 ， 其 顺 、 反 构 型 分 别 在 690 cm -1和 970 cm-1出 现 吸收 峰 ， 可 以 共 同 配 合 确 定 苯 环 的 取 代 类 型 。 指 纹 区 可 分 为 两 个 区 外 部 效 应 ： 试 样 状 态 ， 测 定 条 件 的 不 同及 溶 剂 的 极 性 的 影 响 等 外 部 因 素 都 会 引起 基 团 频 率 的 位 移 。 内 部 效 应 （ 见 后 ）影 响 基 团 位 移

12、 的 因 素 1、 电 效 应 ： 包 括 诱 导 效 应 、 共 轭 效 应 和 中 介 效 应 ， 它们 都 是 由 于 化 学 键 的 电 子 分 布 不 均 匀 引 起 的 。（ 1） 诱 导 效 应 ： 由 于 取 代 基 具 有 不 同 的 电 负 性 ， 通 过 静 电诱 导 作 用 ， 引 起 分 子 中 电 子 分 布 的 变 化 。 从 而 改 变 了 键 力 常 数 ，使 基 团 的 特 征 频 率 发 生 了 位 移 。 一 般 来 说 ， 随 着 取 代 基 团 数目 的 增 加 或 取 代 基 电 负 性 的 增 大 ， 诱 导 效 应 增 大 ， 从而 导 致 基

13、 围 拢 振 动 频 率 向 高 频 移 动 。（ 2） 中 介 效 应 ： 当 含 有 孤 对 电 子 的 原 子 （ O、 S、 N等 ） 与具 有 多 重 键 的 原 子 相 连 时 ， 也 可 起 类 似 的 共 轭 作 用 ，称 为 中 介 效 应 。（ 3） 偶 极 场 效 应 ： 在 分 子 内 的 空 间 里 ， 相 互 靠 近 的 官 能 团之 间 ， 才 能 产 生 偶 极 场 效 应 。内 部 效 应 2、 氢 键 ： 氢 键 的 形 成 使 电 子 云 密 度 平 均 化 ， 从 而使 伸 缩 振 动 频 率 降 低 。3、 振 动 偶 合 ： 适 当 结 合 的 两

14、个 振 动 基 团 ， 若 原 来的 振 动 频 率 很 近 ， 它 们 可 能 会 产 生 相 互 作 用 而 使谱 峰 裂 分 为 两 个 ， 一 个 高 于 正 常 频 率 ， 一 个 低 于正 常 频 率 ， 这 种 相 互 作 用 ， 称 为 振 动 的 偶 合 。4、 费 米 共 振 ： 指 当 一 振 动 的 倍 频 与 另 一 振 动 的 基 频 接 近时 ， 由 于 发 生 相 互 作 用 而 产 生 很 强 的 吸 收 峰 或 发 生 裂 分 的现 象 。 （ 1） 瞬 间 偶 基 距 变 化 大 ， 吸 收 峰 强 ； 键 两 端 原 子 电 负 性相 差 越 大 （ 极

15、 性 越 大 ） ， 吸 收 峰 越 强 ；（ 2） 由 基 态 跃 迁 到 第 一 激 发 态 ， 产 生 一 个 强 的 吸 收 峰 ，基 频 峰 ；（ 3） 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 ；影 响 峰 强 度 因 素 色 散 型 红 外 光 谱 仪 傅 立 叶 红 外 光 谱 仪红 外 光 谱 仪 光 源 ： 红 外 光 谱 仪 中 所 用 的 光 源 通 常 是 一 种惰 性 固 体 ， 同 电 加 热 使 之 发 射 高 强 度 的 连 续 红外 辐 射 。 常 用 的 是 Nernst灯 或 硅 碳 棒 。

16、 样 品 室 ： 红 外 样 品 室 要 用 可 透 过 红 外 光 的 NaCl、KBr、 CsI、 KRS-5（ TlI 58%， TlBr42%） 等 材料 制 成 窗 片 。 单 色 器 ： 单 色 器 由 色 散 元 件 、 准 直 镜 和 狭 缝 构成 。 用 棱 镜 或 光 栅 。色 散 型 红 外 光 谱 仪 结 构 检 测 器 ： 常 用 的 红 外 检 测 器 有 高 真 空 热 电 偶 、热 释 电 检 测 器 和 碲 镉 汞 检 测 器 。（ 1） 高 真 空 热 电 偶（ 2） 热 释 电 检 测 器（ 3） 碲 镉 汞 检 测 器 记 录 系 统 一 、 原 理仪

17、器 中 的 Michelson干 涉 仪 的 作 用 是 将 光 源 发 出 的 光 分成 两 光 束 后 ， 再 以 不 同 的 光 程 差 重 新 组 合 ， 发 生 干 涉 现 象 。当 两 束 光 的 光 程 差 为 /2的 偶 数 倍 时 ， 则 落 在 检 测 器 上 的 相干 光 相 互 叠 加 ， 产 生 明 线 ， 其 相 干 光 强 度 有 极 大 值 ； 相 反 ，当 两 束 光 的 光 程 差 为 /2的 奇 数 倍 时 ， 则 落 在 检 测 器 上 的 相干 光 相 互 抵 消 ， 产 生 暗 线 ， 相 干 光 强 度 有 极 小 值 。 由 于 多 色光 的 干

18、 涉 图 等 于 所 有 各 单 色 光 干 涉 图 的 加 合 ， 故 得 到 的 是 具有 中 心 极 大 ， 并 向 两 边 迅 速 衰 减 的 对 称 干 涉 图 。 干 涉 图 包 含光 源 的 全 部 频 率 和 与 该 频 率 相 对 应 的 强 度 信 息 ， 所 以 如 有 一个 有 红 外 吸 收 的 样 品 放 在 干 涉 仪 的 光 路 中 ， 由 于 样 品 能 吸 收特 征 波 数 的 能 量 ， 结 果 所 得 到 的 干 涉 图 强 度 曲 线 就 会 相 应 地产 生 一 些 变 化 。 包 括 每 个 频 率 强 度 信 息 的 干 涉 图 ， 可 借 数

19、学上 的 Fourier变 换 技 术 对 每 个 频 率 的 光 强 进 行 计 算 ， 从 而 得到 吸 收 强 度 或 透 过 率 和 波 数 变 化 的 普 通 光 谱 图 。傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 （ FTIR） 傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 结 构 框 图干 涉 仪光 源 样 品 室 检 测 器 显 示 器绘 图 仪计 算 机干 涉 图 光 谱 图FTS （ 1） 扫 描 速 度 极 快 ： 一 次 完 整 扫 描 据 需 要 为 8、 15、30s等 。（ 2） 具 有 很 高 的 分 辨 率 ： 分 辨 率 达 0.10.005 cm-1。（ 3） 灵

20、 敏 度 高 ： 可 检 测 10-8g数 量 级 的 样 品 。（ 4） 波 数 准 确 度 高 ： 可 达 0.01 cm-1的 测 量 精 度 。（ 5） 光 学 部 件 简 单 ： 只 有 一 个 可 动 镜 。（ 6） 多 通 路 ： 所 有 频 率 同 时 测 量 。二 、 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 仪 的 特 点 三 、 新 技 术GC/FTIR（ 气 相 色 谱 红 外 光 谱 联 用 ）LC/FTIR（ 液 相 色 谱 红 外 光 谱 联 用 ）PAS/FTIR（ 光 声 红 外 光 谱 ）MIC/FTIR（ 显 微 红 外 光 谱 ） 微 量 及 微 区 分 析

21、一 、 红 外 光 谱 法 对 试 样 的 要 求（ 1） 试 样 应 该 是 单 一 组 份 的 纯 物 质 ， 纯 度 应 98%或 符 合 商 业 规 格 。（ 2） 试 样 中 不 应 含 有 游 离 水 。（ 3） 试 样 的 浓 度 和 测 试 厚 度 应 选 择 适 当 ， 以 使 光谱 图 中 的 大 多 数 吸 收 峰 的 透 射 比 处 于 10% 80%范 围 内 。试 样 的 处 理 和 制 备 1 .气 体 样 品 气 态 样 品 可 在 玻 璃 气 槽 内 进 行 测 定 ， 它 的 两 端 粘 有 红外 透 光 的 NaCl或 KBr窗 片 。 先 将 气 槽 抽

22、 真 空 ， 再 将 试 样 注入 。2 . 液 体 和 溶 液 试 样（ 1） 液 体 池 法 沸 点 较 低 ， 挥 发 性 较 大 的 试 样 ， 可 注 入 封 闭 液 体 池 中 ，液 层 厚 度 一 般 为 0.011mm。（ 2） 液 膜 法 沸 点 较 高 的 试 样 ， 直 接 直 接 滴 在 两 片 盐 片 之 间 ， 形 成 液膜 。二 、 制 样 的 方 法 3 . 固 体 试 样（ 1） 压 片 法 将 12mg试 样 与 200mg纯 KBr研 细 均 匀 ， 置 于 模 具 中 ， 用（ 510） 107Pa压 力 在 油 压 机 上 压 成 透 明 薄 片 ，

23、即 可 用 语测 定 。 试 样 和 KBr都 应 经 干 燥 处 理 ， 研 磨 到 粒 度 小 于 2微米 ， 以 免 散 射 光 影 响 。（ 2） 石 蜡 糊 法 将 干 燥 处 理 后 的 试 样 研 细 ， 与 液 体 石 蜡 或 全 氟 代 烃 混合 ， 调 成 糊 状 ， 夹 在 盐 片 中 测 定 。（ 3） 薄 膜 法 主 要 用 于 高 分 子 化 合 物 的 测 定 。 可 将 它 们 直 接 加 热 熔融 后 涂 制 或 压 制 成 膜 。 也 可 将 试 样 溶 解 在 低 沸 点 的 易 挥 发溶 剂 中 ， 涂 在 盐 片 上 ， 待 溶 剂 挥 发 后 成 膜

24、 测 定 。 一 、 定 性 分 析1 . 已 知 物 的 鉴 定将 试 样 的 谱 图 与 标 准 的 谱 图 进 行 对 照 ， 或 者与 文 献 上 的 谱 图 进 行 对 照 。 如 果 两 张 谱 图 各 吸 收峰 的 位 置 和 形 状 完 全 相 同 ， 峰 的 相 对 强 度 一 样 ，就 可 以 认 为 样 品 是 该 种 标 准 物 。注 意 ： 最 多 是 多 种 方 法 映 正 。红 外 光 谱 法 的 应 用 2 . 未 知 物 结 构 的 测 定（ 1） 查 阅 标 准 谱 图 的 谱 带 索 引 ， 与 寻 找 试 样 光 谱吸 收 带 相 同 的 标 准 谱 图

25、 ；（ 2） 进 行 光 谱 解 析 ， 判 断 试 样 的 可 能 结 构 ， 然 后在 由 化 学 分 类 索 引 查 找 标 准 谱 图 对 照 核 实 。确 定 官 能 团确 定 不 饱 和 度根 据 物 理 数 据 、 及 其 它 数 据 推 测 结 构 。 红 外 光 谱 定 量 分 析 是 通 过 对 特 征 吸 收 谱 带 强 度 的 测 量来 求 出 组 份 含 量 。 其 理 论 依 据 是 朗 伯 -比 耳 定 律 。 1. 选 择 吸 收 带 的 原 则（ 1） 必 须 是 被 测 物 质 的 特 征 吸 收 带 。（ 2） 所 选 择 的 吸 收 带 的 吸 收 强 度 应 与 被 测 物 质 的 浓 度 有 线 性 关 系 。（ 3） 所 选 择 的 吸 收 带 应 有 较 大 的 吸 收 系 数 且 周 围 尽 可 能 没 有 其 它 吸 收 带 存 在 ， 以 免 干 扰 。二 、 定 量 分 析 2、 定 量 分 析 方 法（ 1） 工 作 曲 线 法（ 2） 比 例 法（ 3） 内 标 法（ 4） 示 差 法