分析化學(xué)《紅外光譜分析法》3

1、教學(xué)課件教學(xué)課件第十一章第十一章 紅外吸收光譜法紅外吸收光譜法（1 1）教師：李國清教師：李國清一、紅外光譜法的發(fā)展一、紅外光譜法的發(fā)展 19世紀初世紀初 紅外光的存在紅外光的存在 二十世紀初二十世紀初 不同官能團有不同紅外吸收頻率不同官能團有不同紅外吸收頻率 1950年以后年以后 自動記錄式紅外分光光度計自動記錄式紅外分光光度計 1970年以后年以后 傅立葉變換型紅外光譜儀傅立葉變換型紅外光譜儀紅外測定技術(shù)的不斷發(fā)展和完善紅外測定技術(shù)的不斷發(fā)展和完善 1、概述、概述二、紅外光譜法的應(yīng)用二、紅外光譜法的應(yīng)用 有機化合物有機化合物結(jié)構(gòu)解析結(jié)構(gòu)解析的重要手段之一的重要手段之一紅外光譜法的優(yōu)點紅外光

2、譜法的優(yōu)點 每種化合物均有紅外吸收每種化合物均有紅外吸收 任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)樣品均可進行紅外光譜測定任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)樣品均可進行紅外光譜測定 能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息 表 5.1 紅外波段的劃分波段波長(, m)波數(shù)(, cm-1)頻率(, Hz)近紅外0.782.512,8004,0003.8x10141.2x1014中紅外2.5504,0002001.2x10146.0 x1012遠紅外501000200106.0 x10123.0 x1011常用區(qū)域2.5254,0004001.2x10141.2x1013三、紅外光譜區(qū)域三、紅外光譜區(qū)域 中紅外光區(qū)吸收帶（中紅外光

3、區(qū)吸收帶（2.5 25m ）是絕大多是絕大多數(shù)有機化合物和無機數(shù)有機化合物和無機離子的基頻吸收帶由于離子的基頻吸收帶由于基頻振動是紅外光譜中吸收最強的振動，所基頻振動是紅外光譜中吸收最強的振動，所以該區(qū)最適于進行紅外光譜的定性和定量分以該區(qū)最適于進行紅外光譜的定性和定量分析。同時，由于中紅外光譜儀最為成熟、簡析。同時，由于中紅外光譜儀最為成熟、簡單，而且目前已積累了該區(qū)大量的數(shù)據(jù)資料，單，而且目前已積累了該區(qū)大量的數(shù)據(jù)資料，因此它是應(yīng)用極為廣泛的光譜區(qū)。因此它是應(yīng)用極為廣泛的光譜區(qū)。遠紅外光區(qū)吸收帶遠紅外光區(qū)吸收帶 （25 1000m ）倍頻峰。）倍頻峰。紅外光區(qū)光譜常用波數(shù)表征。紅外光區(qū)光譜

4、常用波數(shù)表征。波長波長 與與 波數(shù)波數(shù)之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： （ cm-1） =104 / （ m ）中紅外區(qū)的中紅外區(qū)的 波數(shù)范圍是波數(shù)范圍是4000 400 cm-1 。四、四、紅外光譜法的特點紅外光譜法的特點紅外光譜法主要研究在振動中伴隨有偶極紅外光譜法主要研究在振動中伴隨有偶極矩變化的化合物矩變化的化合物（沒有偶極矩變化的振動在（沒有偶極矩變化的振動在拉曼光譜中出現(xiàn)）。因此，除了單原子和同拉曼光譜中出現(xiàn)）。因此，除了單原子和同核分子如核分子如Ne、He、O2、H2等之外，幾乎所有等之外，幾乎所有的有機化合物在紅外光譜區(qū)均有吸收。的有機化合物在紅外光譜區(qū)均有吸收。凡是具有結(jié)構(gòu)不同的

5、兩個化合物，一定不凡是具有結(jié)構(gòu)不同的兩個化合物，一定不會有相同的紅外光譜。會有相同的紅外光譜。紅外吸收帶的波數(shù)位置紅外吸收帶的波數(shù)位置波峰的數(shù)目波峰的數(shù)目吸收譜帶的強度吸收譜帶的強度分子結(jié)分子結(jié)構(gòu)特點構(gòu)特點與分子組成或化學(xué)基團的含與分子組成或化學(xué)基團的含量有關(guān)，可進行定量分析量有關(guān)，可進行定量分析定定性性分分析析紅外光譜圖紅外光譜圖：縱坐標為吸收強度，縱坐標為吸收強度，橫坐標為波長橫坐標為波長 （ m ）和波數(shù)和波數(shù)1/ 單位：單位：cm-1可以用峰數(shù)，峰位，可以用峰數(shù)，峰位，峰形，峰強來描述峰形，峰強來描述。應(yīng)用：有機化合物的結(jié)構(gòu)解析。應(yīng)用：有機化合物的結(jié)構(gòu)解析。定性：基團的特征吸收頻率；定

6、性：基團的特征吸收頻率；定量：特征峰的強度；定量：特征峰的強度；五、紅外光譜與有機化合物結(jié)構(gòu)五、紅外光譜與有機化合物結(jié)構(gòu)2 2、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件 滿足兩個條件：滿足兩個條件： (1)(1)輻射應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動躍遷輻射應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動躍遷所需的能量；所需的能量； (2)(2)輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。 對稱分子：對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。起共振，無紅外活性。 如：如：N2、O2、Cl2 等。等。 非對稱分子：非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。有偶極矩，紅外活性。 偶極子在交變

7、電場中的作用示意圖偶極子在交變電場中的作用示意圖3 3、分子振動方程式、分子振動方程式分子的振動能級（量子化）：分子的振動能級（量子化）： E振振=（V+1/2）h V ：化學(xué)鍵的化學(xué)鍵的 振動頻率；振動頻率； ：振動量子數(shù)。振動量子數(shù)。雙原子分子的簡諧振動及其頻率雙原子分子的簡諧振動及其頻率化學(xué)鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧化學(xué)鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧 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(xué)鍵的力常數(shù)，與鍵能和鍵長有關(guān)，化學(xué)鍵的力常數(shù)，與鍵能和鍵長有關(guān)， 為雙原子的為雙原子的折合質(zhì)量折合質(zhì)量 =m1m2/（m1+m2

8、） 發(fā)生振動能級躍遷需要能量的大小取決發(fā)生振動能級躍遷需要能量的大小取決于鍵兩端原子的折合質(zhì)量和鍵的力常數(shù)，即于鍵兩端原子的折合質(zhì)量和鍵的力常數(shù)，即取決于分子的結(jié)構(gòu)特征。取決于分子的結(jié)構(gòu)特征。表表 某些鍵的伸縮力常數(shù)（毫達因某些鍵的伸縮力常數(shù)（毫達因/埃）埃）鍵類型鍵類型 C C C =C C C 力常數(shù)力常數(shù) 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6峰位峰位 4.5 m 6.0 m 7.0 m 化學(xué)鍵鍵強越強（即鍵的力常數(shù)化學(xué)鍵鍵強越強（即鍵的力常數(shù)K越大）原子折合質(zhì)量越大）原子折合質(zhì)量越小，化學(xué)鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)。越小，化學(xué)鍵的振動頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)。

9、 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, 計算波數(shù)值。計算波數(shù)值。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-1116502126913071307211cm/.kkcv4、分子中基團的基本振動形式、分子中基團的基本振動形式 basic vibration of the group in molecular1 1兩類基本振動形式兩類基本振動形式伸縮振動伸縮振動 亞甲基：亞甲基：變形振動變形振動 亞甲基亞甲基 一般分成兩類：一般分成兩類：伸縮振動伸縮振動和和變形振動變形振動。（1 1）伸縮振動）伸縮振動 原子

10、沿鍵軸方向伸縮，鍵長發(fā)生變化而鍵角不變原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長發(fā)生變化而鍵角不變的振動稱為伸縮振動的振動稱為伸縮振動，用符號，用符號 表示。表示。 它又可以分為對稱伸縮振動（它又可以分為對稱伸縮振動（ s）和不對稱伸縮）和不對稱伸縮振動（振動（ as ）。）。 對同一基團，不對稱伸縮振動的頻率要稍高于對稱對同一基團，不對稱伸縮振動的頻率要稍高于對稱伸縮振動。伸縮振動。 振動的基本形式振動的基本形式（2 2）變形振動（又稱彎曲振動或變角振動）變形振動（又稱彎曲振動或變角振動） 基團鍵角發(fā)生周期變化而鍵長不變的振動基團鍵角發(fā)生周期變化而鍵長不變的振動稱為變形振動，用符號稱為變形振動，用符號 表示表

11、示。 變形振動又分為面內(nèi)變形和面外變形振動。變形振動又分為面內(nèi)變形和面外變形振動。 面內(nèi)變形振動又分為面內(nèi)變形振動又分為剪式（以剪式（以 表示表示）和和平面搖擺振動（以平面搖擺振動（以 表示表示）。）。 面外變形振動又分為面外變形振動又分為非平面搖擺非平面搖擺（以以 表表示示）和扭曲振動（以）和扭曲振動（以 表示表示）。）。討論：討論：二氧化碳分子的振動方式有幾種？二氧化碳分子的振動方式有幾種？哪些具有紅外活性？哪些具有紅外活性？乙烯分子具有的振動方式中，哪些乙烯分子具有的振動方式中，哪些具有紅外活性？具有紅外活性？ O C O對稱伸縮對稱伸縮O C O反對稱伸縮反對稱伸縮O C O面內(nèi)變形面內(nèi)變形O C O面外變形面外變形（2349cm-1)（667cm-1)（667cm-1) CCHHHH CCHHHH CCHHHH CCHHHH(1)(2)(3)(4) CCHHHH CCHHHH CCHHHH CCHHHH(5)(6)(7)(8)3.3.影響峰數(shù)減少的原因影響峰數(shù)減少的原因?qū)嶋H上，實際上，絕大多數(shù)化合物在紅外光譜圖上絕大多數(shù)化合物在紅外光譜圖上出現(xiàn)的峰數(shù)遠小于理論上計算的振動數(shù)出現(xiàn)的峰數(shù)遠小于理論上計算的振動數(shù)，這是，這是由如下原因引起的：由如下原因引起的：