紅外吸收光譜分析原理

1、2022-4-16第四章第四章 紅外吸收光譜紅外吸收光譜分析法分析法一、概述概述 introduction二、紅外吸收光譜產(chǎn)生的二、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件條件condition of Infrared absorption spectroscopy三、分子中基團(tuán)的基本振三、分子中基團(tuán)的基本振動(dòng)形式動(dòng)形式basic vibration of the group in molecular四、紅外吸收峰強(qiáng)度四、紅外吸收峰強(qiáng)度intensity of infrared absorption bend 第一節(jié)第一節(jié) 紅外光譜分析基本原理紅外光譜分析基本原理infrared absorption spec

2、-troscopy，IR principle of IR2022-4-16分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生：振分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生：振- -轉(zhuǎn)光譜轉(zhuǎn)光譜一、概述一、概述 introduction輻射分子振動(dòng)能級(jí)躍遷紅外光譜官能團(tuán)分子結(jié)構(gòu)近紅外區(qū)中紅外區(qū)遠(yuǎn)紅外區(qū)2022-4-162022-4-16紅外光譜圖紅外光譜圖：縱坐標(biāo)為吸收強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng) （ m ）和波數(shù)1/ 單位：cm-1可以用峰數(shù)，峰位，峰形，峰強(qiáng)來描述。應(yīng)用：應(yīng)用：有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析。定性：定性：基團(tuán)的特征吸收頻率；定量：定量：特征峰的強(qiáng)度；紅外光譜與有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)紅外光譜與有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)2022-4-16二、

3、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件二、紅外吸收光譜產(chǎn)生的條件 condition of Infrared absorption spectroscopy 滿足兩個(gè)條件：滿足兩個(gè)條件： (1)輻射應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)躍遷所需的能量； (2)輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。 對(duì)稱分子對(duì)稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非對(duì)稱分子非對(duì)稱分子：有偶極矩，紅外活性。 偶極子在交變電場(chǎng)中的作用示意圖( (動(dòng)畫動(dòng)畫) )2022-4-16分子振動(dòng)方程式分子振動(dòng)方程式分子的振動(dòng)能級(jí)（量子化）：分子的振動(dòng)能級(jí)（量子化）： E振振=（V+1/2）h V ：化學(xué)鍵的化學(xué)鍵的 振動(dòng)

4、頻率；振動(dòng)頻率； ：振動(dòng)量子數(shù)。振動(dòng)量子數(shù)。雙原子分子的簡(jiǎn)諧振動(dòng)及其頻率雙原子分子的簡(jiǎn)諧振動(dòng)及其頻率化學(xué)鍵的振動(dòng)類似于連接兩個(gè)小球的彈簧化學(xué)鍵的振動(dòng)類似于連接兩個(gè)小球的彈簧2022-4-16 任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為：任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為： kkckhhE13072112 K化學(xué)鍵的力常數(shù)，與鍵能和鍵長(zhǎng)有關(guān)，化學(xué)鍵的力常數(shù)，與鍵能和鍵長(zhǎng)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） 發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷需要能量的大小取決于鍵兩端原子的發(fā)生振動(dòng)能級(jí)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)，即取決于分子的結(jié)構(gòu)特征。折合質(zhì)量和鍵的力常數(shù)，即取決于

5、分子的結(jié)構(gòu)特征。2022-4-16表表 某些鍵的伸縮力常數(shù)（毫達(dá)因某些鍵的伸縮力常數(shù)（毫達(dá)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(qiáng)越強(qiáng)（即鍵的力常數(shù)化學(xué)鍵鍵強(qiáng)越強(qiáng)（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(dòng)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(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)。2022-4-16 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(jì)算波數(shù)值。計(jì)算波數(shù)值。正己烯中C=C鍵伸縮振動(dòng)

6、頻率實(shí)測(cè)值為1652 cm-1116502126913071307211cm/.kkcv2022-4-16三、分子中基團(tuán)的基本振動(dòng)形式三、分子中基團(tuán)的基本振動(dòng)形式 basic vibration of the group in molecular1 1兩類基本振動(dòng)形式兩類基本振動(dòng)形式伸縮振動(dòng)伸縮振動(dòng) 亞甲基：亞甲基：變形振動(dòng)變形振動(dòng) 亞甲基亞甲基( (動(dòng)畫動(dòng)畫) )2022-4-16甲基的振動(dòng)形式甲基的振動(dòng)形式伸縮振動(dòng)伸縮振動(dòng) 甲基：甲基：變形振動(dòng)變形振動(dòng) 甲基甲基對(duì)稱對(duì)稱s s(CH(CH3 3)1380)1380-1-1 不不對(duì)稱對(duì)稱asas(CH(CH3 3)1460)1460-1-1對(duì)

7、稱對(duì)稱 不對(duì)稱不對(duì)稱s s(CH(CH3 3) ) asas(CH(CH3 3) )2870 2870 -1 -1 2960 2960-1-12022-4-16例水分子例水分子（非對(duì)稱分子）（非對(duì)稱分子）峰位、峰數(shù)與峰強(qiáng)峰位、峰數(shù)與峰強(qiáng)（1）峰位）峰位 化學(xué)鍵的力常數(shù)K越大，原子折合質(zhì)量越小，鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)（短波長(zhǎng)區(qū)）；反之，出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)（高波長(zhǎng)區(qū)）。（2）峰數(shù)）峰數(shù) 峰數(shù)與分子自由度有關(guān)。無瞬間偶基距變化時(shí)，無紅外吸收。( (動(dòng)畫動(dòng)畫) )2022-4-16峰位、峰數(shù)與峰強(qiáng)峰位、峰數(shù)與峰強(qiáng)例例2CO2分子分子（有一種振動(dòng)無紅外（有一種振動(dòng)無紅外活性）活性）（4）由

8、基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的吸收峰，基）由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的吸收峰，基頻峰；頻峰；（5）由基態(tài)直接躍遷到第二激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)弱的吸收峰，）由基態(tài)直接躍遷到第二激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)弱的吸收峰，倍頻峰；倍頻峰；（3）瞬間偶基距變化大，吸收峰強(qiáng)；鍵兩端原子電負(fù)性相）瞬間偶基距變化大，吸收峰強(qiáng)；鍵兩端原子電負(fù)性相差越大（極性越大），吸收峰越強(qiáng)；差越大（極性越大），吸收峰越強(qiáng)；( (動(dòng)畫動(dòng)畫) )2022-4-16 （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。 （CH3）2930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC

9、2022-4-16四、紅外吸收峰強(qiáng)度四、紅外吸收峰強(qiáng)度 intensity of Infrared absorption bend 問題問題：C=O 強(qiáng)；強(qiáng)；C=C 弱；為什么？弱；為什么？吸收峰強(qiáng)度吸收峰強(qiáng)度躍遷幾率躍遷幾率偶極矩變化偶極矩變化吸收峰強(qiáng)度吸收峰強(qiáng)度 偶極矩的平方偶極矩的平方偶極矩變化偶極矩變化結(jié)構(gòu)對(duì)稱性；結(jié)構(gòu)對(duì)稱性；對(duì)稱性差對(duì)稱性差偶極矩變化大偶極矩變化大吸收峰強(qiáng)度大吸收峰強(qiáng)度大符號(hào)：符號(hào)：s(強(qiáng)強(qiáng))；m(中中)；w(弱弱)紅外吸收峰強(qiáng)度比紫外吸收峰小紅外吸收峰強(qiáng)度比紫外吸收峰小23個(gè)數(shù)量級(jí)；個(gè)數(shù)量級(jí)；2022-4-16 內(nèi)容選擇：內(nèi)容選擇：第一節(jié)第一節(jié) 紅外基本原理紅外基本原理basic principle of Infrared absorption spectroscopy第二節(jié)第二節(jié) 紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)infrared spectroscopy and molecular structure第三節(jié)第三節(jié) 紅