1、2022-4-30紅外吸收光譜法紅外吸收光譜法第十章第十章Infrared absorption spectroscopy(IR)2022-4-30本章的主要內容本章的主要內容第第1節節 概述概述第第2節節 紅外吸收光譜法基本原理紅外吸收光譜法基本原理第第3節節 紅外光譜與分子結構紅外光譜與分子結構第第4節節 紅外光譜儀器紅外光譜儀器2022-4-30本章的基本要求本章的基本要求理解紅外光譜產生的兩個條件理解紅外光譜產生的兩個條件掌握有機物的基團特征頻率及指紋掌握有機物的基團特征頻率及指紋區的特征吸收區的特征吸收掌握影響基團頻率位移的主要因素掌握影響基團頻率位移的主要因素了解了解FT-IR儀的

2、基本組成部件的作用儀的基本組成部件的作用及特點及特點了解有機物譜圖解析的一般方法了解有機物譜圖解析的一般方法2022-4-30第一節第一節 概述概述 introduction2022-4-30近紅外區近紅外區0.78-2.5 m中紅外區中紅外區2.5-25 m遠紅外區遠紅外區25-1000 m紅外光譜法紅外光譜法2022-4-30能級躍遷能級躍遷 振動能級躍遷振動能級躍遷時總伴隨有時總伴隨有轉動轉動能級躍遷。能級躍遷。紅外吸收峰紅外吸收峰(帶帶)可以用可以用峰位，峰峰位，峰形，峰強形，峰強描述描述。2022-4-30476622700740829981102411111196127413261

3、423147615911727297030513436-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80%T 1000 2000 2000 3000 4000 Wavenumbers (cm-1)紅外光譜圖紅外光譜圖縱坐標為透過率縱坐標為透過率%，有時使用吸光度有時使用吸光度A橫坐標為橫坐標為波數波數 (cm-1 ) ，過去常用波長過去常用波長 （ m ）。2022-4-30定性定性：利用基團的特征吸收頻率進行有機化合物：利用基團的特征吸收頻率進行有機化合物的結構解析。的結構解析。定量定量：利用特征峰的吸收強度；：利用特征峰的吸收強度； 朗伯

4、朗伯- -比爾定律比爾定律特點特點1. 應用面廣應用面廣2. 不破壞樣品，對任何相態都適用不破壞樣品，對任何相態都適用3. 特征性高，只要分子結構不同，其特征性高，只要分子結構不同，其IR譜圖肯譜圖肯定不同定不同4. 速度快，樣品用量少，適合于聯用速度快，樣品用量少，適合于聯用紅外光譜的用途紅外光譜的用途2022-4-30第二節第二節 紅外吸收光譜法基本原理紅外吸收光譜法基本原理Basic principle of IR2022-4-30 (1)(1)輻射的能量等于分子振動躍遷所需的能量輻射的能量等于分子振動躍遷所需的能量即能級差；即能級差； (2) (2)分子振動時有瞬間偶極矩變化。分子振動

5、時有瞬間偶極矩變化。紅外活性紅外活性 infrared active有偶極矩變化，有紅外活性。有偶極矩變化，有紅外活性。如如H2O，HCl, CO2( (動畫動畫) )非紅外活性非紅外活性 infrared inactive沒有偶極矩變化，輻射不能沒有偶極矩變化，輻射不能引起共振，無紅外活性。引起共振，無紅外活性。 如如：N2、O2、Cl2 等等。一一. . 紅外光譜產生的條件紅外光譜產生的條件2022-4-30例例2CO2分子分子（有一種振動無紅外活性）（有一種振動無紅外活性）( (動畫動畫) )2022-4-30二二. .分子振動方程分子振動方程(1) 雙原子分子的振動看作簡諧振動雙原子分

6、子的振動看作簡諧振動(2) 化學鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧化學鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧假設假設: :（與峰位有關與峰位有關）2022-4-30 任意兩個相鄰的能級間的能量差為：任意兩個相鄰的能級間的能量差為： kkckhhE13072112 K 化學鍵的力常數（化學鍵的力常數（force constant），），與鍵能和鍵長有關與鍵能和鍵長有關， 為雙原子的為雙原子的折合質量折合質量（reduced mass） =m1m2/（m1+m2） 結論：結論：發生振動能級躍遷需要能量的大小（或產發生振動能級躍遷需要能量的大小（或產生生吸收峰的頻率吸收峰的頻率）取決于鍵兩端原子的折合質量和

7、）取決于鍵兩端原子的折合質量和鍵的力常數，即取決于分子的結構特征。鍵的力常數，即取決于分子的結構特征。2022-4-30 例題例題: 由表中查知由表中查知C=C鍵的鍵的K=9.5 9.9 ,令其為令其為9.6, 計算波計算波數值。數值。116502126913071307211cm/.kkcv正己烯中正己烯中C=C鍵伸縮振動頻率實測值為鍵伸縮振動頻率實測值為1652 cm-1表表 某些鍵的伸縮力常數（毫達因某些鍵的伸縮力常數（毫達因/ /埃）埃）2022-4-30鍵類型鍵類型 C C C =C C C 力常數力常數 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 峰位峰位 2100-2250 16

8、00-1680 800-1200cm-1 結論：結論：化學鍵越強（即鍵的力常數化學鍵越強（即鍵的力常數 K 越大），則越大），則其振動頻率越大，即吸收峰將出現在高波數區。其振動頻率越大，即吸收峰將出現在高波數區。Conclution: Stronger chemical bonds tend to cause increases in observed frequencies.1.1.鍵強度對峰位的影響鍵強度對峰位的影響2022-4-30Group C-H C-C C-Cl C-Br C-I 峰位峰位 3000 1000 800-600 600-500 500-200 cm-1Concluti

9、on: Lighter atomic masses tend to cause increases in observed frequencies.結論：結論：原子的質量越小，產生的吸收峰頻率原子的質量越小，產生的吸收峰頻率越高，越高，即吸收峰將出現在高波數區。即吸收峰將出現在高波數區。2.原子質量對峰位的影響原子質量對峰位的影響2022-4-30二、分子中基團的基本振動形式二、分子中基團的基本振動形式伸縮振動伸縮振動Stretching vibration (動畫)變形振動變形振動Deformation vibration 1 1兩類基本振動形式兩類基本振動形式不對稱伸縮不對稱伸縮 asym

10、metric 對稱伸縮對稱伸縮 symmetric面內變形面內變形 in plane面外變形面外變形 out-of-planebasic vibration of the group in molecule2022-4-30例水分子例水分子（非對稱分子）（非對稱分子）（1）峰位）峰位 (peak position)峰位、峰形與峰峰位、峰形與峰強強規律規律：同一基團的伸縮振動頻率總高于其變形同一基團的伸縮振動頻率總高于其變形（彎曲）振動。（彎曲）振動。 化學鍵的力常數化學鍵的力常數 K 越大，原子折合質量越小，越大，原子折合質量越小，鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現在高波數區（短鍵的振動頻率越大，

11、吸收峰將出現在高波數區（短波長區）；反之，出現在低波數區（高波長區）。波長區）；反之，出現在低波數區（高波長區）。動畫動畫2022-4-30（2 2）峰形）峰形與分子間作用力有關，作用力越強，峰越寬。與分子間作用力有關，作用力越強，峰越寬。例如，氫鍵可使例如，氫鍵可使O-H吸收峰變寬吸收峰變寬, ,與與N-H吸收峰有吸收峰有明顯區別明顯區別。氣態水與液態水的區別。氣態水與液態水的區別。(bandwidth)2022-4-30O-H 與與N-H的峰形比較的峰形比較2022-4-30O-H 與與N-H的峰形比較的峰形比較500580 61970473175977586096810211033106

12、9108711171178125012951353138014331463148115811604 167417162853292433493431 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80%T 1000 2000 2000 3000 Wavenumbers (cm-1)2022-4-30(peak intensity)問題問題：C=O 強；強；C=C 弱；為什么？弱；為什么？（3 3）峰強）峰強6287348309169449881169121713101410143716321703衣糠酸 25362623 27353028-5 0 5 10

13、 15 20 25 30 35 40 45 50 55%T 1000 2000 2000 3000 Wavenumbers (cm-1)衣糠酸衣糠酸2022-4-30B.B. 不對稱伸縮不對稱伸縮 對稱伸縮對稱伸縮 變形振動變形振動C. C. 由基態躍遷到第一激發態，產生一個強的吸收峰，由基態躍遷到第一激發態，產生一個強的吸收峰，基頻峰；由基態直接躍遷到第二激發態，產生一個弱基頻峰；由基態直接躍遷到第二激發態，產生一個弱的吸收峰，倍頻峰；的吸收峰，倍頻峰；A. A. 瞬間偶極距變化大，吸收峰強；鍵兩端原子電瞬間偶極距變化大，吸收峰強；鍵兩端原子電負性相差越大（極性越大），吸收峰越強；負性相差越

14、大（極性越大），吸收峰越強；吸收峰強度吸收峰強度 偶極矩變化值的平方偶極矩變化值的平方對稱性差對稱性差 偶極矩變化大偶極矩變化大 吸收峰強度大吸收峰強度大一般規律一般規律（3 3）峰強）峰強2022-4-30Summary of The Key Points2. 每種基團的特征頻率都在一定范圍內出現，利用每種基團的特征頻率都在一定范圍內出現，利用峰位，峰形和峰強可以進行基團結構的確認。峰位，峰形和峰強可以進行基團結構的確認。3. 基團的峰位由它的振動形式決定，振動形式分為基團的峰位由它的振動形式決定，振動形式分為伸縮振動和彎曲振動。伸縮又分為對稱伸縮和不對伸縮振動和彎曲振動。伸縮又分為對稱伸縮和不對稱伸縮；彎曲分為面內和面外。稱伸縮；彎曲分為面內和面外。1. 紅外光譜產生要兩個條件：紅外