紅外光譜原理及應(yīng)用課件

紅外光譜原理及應(yīng)用紅外光譜原理及應(yīng)用1一、紅外基本原理

一定頻率的紅外線經(jīng)過分子時(shí)，被分子中相同振動(dòng)頻率的鍵振動(dòng)吸收，記錄所得透過率的曲線稱為紅外光譜圖一、紅外基本原理一定頻率的紅外線經(jīng)過分子時(shí)2紅外基本原理分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生：分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜輻射→分子振動(dòng)能級(jí)躍遷→紅外光譜→官能團(tuán)→分子結(jié)構(gòu)

當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，并由其振動(dòng)運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，相應(yīng)于這些區(qū)域的透射光強(qiáng)減弱，記錄T%對(duì)波數(shù)或波長的曲線，即為紅外光譜。又稱為分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。紅外基本原理分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生：分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)3紅外光譜的表示方法以透過率T~λ或T~ν來表示：ν/cm?1=104/(λ/μm)T(%)=I/I0×100%，I—透過強(qiáng)度，I0—入射強(qiáng)度苯酚的紅外光譜T(%)紅外光譜的表示方法以透過率T~λ或T~ν來表示：苯酚的紅4紅外光譜的區(qū)域紅外光譜的區(qū)域5紅外光譜的區(qū)域近紅外區(qū)（泛頻區(qū)13158~4000cm-1）：-OH，-NH，-CH的特征吸收區(qū)（組成及定量分析）中紅外區(qū)（基本振動(dòng)區(qū)4000~400cm-1）：絕大多數(shù)有機(jī)和無機(jī)化合物的化學(xué)鍵振動(dòng)基頻區(qū)（分子中原子的振動(dòng)及分子轉(zhuǎn)動(dòng)），化合物鑒定的重要區(qū)域遠(yuǎn)紅外區(qū)（轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)400~10cm-1

）：金屬有機(jī)化合物的鍵振動(dòng)（分子轉(zhuǎn)動(dòng)、晶格振動(dòng))紅外光譜的區(qū)域近紅外區(qū)（泛頻區(qū)13158~4000cm-1）6紅外特征吸收產(chǎn)生的條件及其特異性

產(chǎn)生紅外特征吸收的必要條件：輻射光子應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)躍遷所需的能量輻射與物質(zhì)間有相互耦合作用紅外特征吸收產(chǎn)生的條件及其特異性產(chǎn)生紅外特征吸收的必要條件7對(duì)稱分子：無偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。N2、O2、Cl2等?！庾V非對(duì)稱分子：有偶極矩，有紅外活性紅外特征吸收產(chǎn)生的條件——紅外光譜對(duì)稱分子：無偶極矩，輻非對(duì)稱分子：有偶極矩，8雙原子分子中化學(xué)鍵的振動(dòng)類似于連接兩個(gè)小球的彈簧：紅外特征吸收產(chǎn)生的特異性k—化學(xué)鍵力常數(shù)。反映化學(xué)鍵強(qiáng)弱，鍵對(duì)變形、伸展運(yùn)動(dòng)的阻力。μ—雙原子分子的折合質(zhì)量雙原子分子中化學(xué)鍵的振動(dòng)類似于連接兩個(gè)小球的彈簧：紅外特征吸9任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為：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)量越小，則化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為：10在一般情況下，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)處于基態(tài)當(dāng)物質(zhì)被紅外光照射時(shí)，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)將吸收紅外光而發(fā)生能級(jí)躍遷——特定分子或化學(xué)鍵吸收特定頻率的紅外光，稱之為基團(tuán)或化學(xué)鍵的特性頻率不同基團(tuán)或化學(xué)鍵的特性頻率不同；同一基團(tuán)或化學(xué)鍵的特性頻率在不同物質(zhì)中出現(xiàn)時(shí)吸收位置相對(duì)固定。在一般情況下，分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)處于基態(tài)11主要有機(jī)基團(tuán)紅外振動(dòng)特征頻率——飽和烴：2800-3000cm-1，歸屬為-CH3，-CH2，-CH中C--H的伸縮振動(dòng)烯烴：1650cm-1，歸屬為C=C的伸縮振動(dòng)炔烴：2100cm-1，歸屬為C≡C的伸縮振動(dòng)酮、醛、酸或酰胺中的羰基：1700cm-1脂肪化合物中的-OH的振動(dòng)吸收：3600-3700cm-1主要有機(jī)基團(tuán)紅外振動(dòng)特征頻率——12無機(jī)鹽中基團(tuán)的紅外吸收——無機(jī)鹽中基團(tuán)的紅外吸收——13

無機(jī)物固體在中紅外區(qū)(400-4000cm-1)有指紋振動(dòng)吸收，反映結(jié)構(gòu)的短程有序度

表征催化劑的結(jié)構(gòu)、組成無機(jī)物固體在中紅外區(qū)(400-4014紅外光譜中的重要波段特征區(qū)：即化學(xué)鍵和基團(tuán)的特征振動(dòng)頻率區(qū)。在該區(qū)域出現(xiàn)的吸收峰一般用于鑒定官能團(tuán)的存在，特征吸收峰發(fā)生在4000–1333cm-1的區(qū)域。這些吸收峰特征性強(qiáng)，比較稀疏，容易辨認(rèn)，因此把這一區(qū)域叫特征譜帶區(qū)。指紋區(qū)：紅外吸收光譜中1333-400cm-1的低頻區(qū)通常稱為指紋區(qū)。該區(qū)域出現(xiàn)的譜帶主要是單鍵的伸縮振動(dòng)以及各種彎曲振動(dòng)引起的。這一區(qū)域譜帶特別密集，對(duì)分子結(jié)構(gòu)的變化極為敏感，結(jié)構(gòu)上的微小變化往往導(dǎo)致光譜上的顯著不同，如同人的指紋一樣。紅外光譜中的重要波段特征區(qū)：即化學(xué)鍵和基團(tuán)的特征振動(dòng)頻率區(qū)。15吸收峰的強(qiáng)度紅外吸收峰強(qiáng)度通常用峰高和峰面積表示，峰高或峰面積越大，吸收強(qiáng)度越大。紅外吸收強(qiáng)度（用摩爾吸光系數(shù)表示）與偶極距隨核間距變化率的平方成正比根據(jù)這一原則，可以定性地說，振動(dòng)過程中偶極矩變化幅度越大，吸收強(qiáng)度越大。吸收峰的強(qiáng)度紅外吸收峰強(qiáng)度通常用峰高和峰面積表示，峰高或峰面16分子中基團(tuán)的基本振動(dòng)形式分子中基團(tuán)的基本振動(dòng)形式17甲基的振動(dòng)形式伸縮振動(dòng)甲基：變形振動(dòng)甲基對(duì)稱δs(CH3)1380㎝-1不對(duì)稱δas(CH3)1460㎝-1對(duì)稱不對(duì)稱υs(CH3)υas(CH3)2870㎝-12960㎝-1甲基的振動(dòng)形式伸縮振動(dòng)變形振動(dòng)對(duì)稱δs(CH18

（CH3）1460cm-1，1375cm-1。

（CH3）2930cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC（CH3）1460cm-1，1375cm-1。C219各類有機(jī)化合物的特征吸收簡介烷烴甲基環(huán)己烷的紅外光譜圖C-H伸縮振動(dòng)＜3000cm-1

C-H彎曲振動(dòng)各類有機(jī)化合物的特征吸收簡介甲基環(huán)己烷的紅外光譜圖C-H伸縮20烯烴環(huán)己烯的紅外光譜圖=C-H伸縮振動(dòng)＞3000cm-1

-C-H伸縮振動(dòng)C=C伸縮振動(dòng)1670~1640cm-1C-H彎曲振動(dòng)烯烴環(huán)己烯的紅外光譜圖=C-H伸縮振動(dòng)-C-H伸縮振動(dòng)C=C21芳烴乙苯的紅外光譜圖苯環(huán)的=C-H伸縮振動(dòng)烷基-C-H伸縮振動(dòng)苯環(huán)的骨架振動(dòng)1600~1450cm-1C-H彎曲振動(dòng)芳烴乙苯的紅外光譜圖苯環(huán)的=C-H烷基-C-H苯環(huán)的骨架振動(dòng)22醇和酚1-己醇的紅外光譜締合O-H伸縮振動(dòng)3400~3200cm-1

-C-H伸縮振動(dòng)醇和酚1-己醇的紅外光譜締合O-H伸縮振動(dòng)-C-H伸縮振動(dòng)23締合O-H伸縮振動(dòng)苯酚的紅外光譜圖苯環(huán)的骨架振動(dòng)苯環(huán)的=C-H伸縮振動(dòng)締合O-H伸縮振動(dòng)苯酚的紅外光譜圖苯環(huán)的骨架振動(dòng)苯環(huán)的=C-24醛和酮戊醛的紅外光譜圖C=O伸縮振動(dòng)1720cm-1醛基的C-H伸縮振動(dòng)2820cm-12720cm-1

-C-H伸縮振動(dòng)醛和酮戊醛的紅外光譜圖C=O伸縮振動(dòng)醛基的C-H伸縮振動(dòng)-C25羧酸戊酸的紅外光譜圖C=O伸縮振動(dòng)締合O-H伸縮振動(dòng)3300~2500cm-1羧酸戊酸的紅外光譜圖C=O伸縮振動(dòng)締合O-H伸縮振動(dòng)26酯C=O伸縮振動(dòng)C-O伸縮振動(dòng)丁酸乙酯的紅外光譜-C-H伸縮振動(dòng)酯C=O伸縮振動(dòng)C-O伸縮振動(dòng)丁酸乙酯的紅外光譜-C-H伸縮27攝取紅外吸收光譜的工具—紅外光譜儀攝取紅外吸收光譜的工具—紅外光譜儀28紅外光譜儀第一代紅外光譜儀：人工晶體棱鏡作色散元件第二代紅外光譜儀：光柵作色散元件第三代紅外光譜儀：以干涉儀為分光器—傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）第四代紅外光譜儀：用可調(diào)激光光源紅外光譜儀第一代紅外光譜儀：人工晶體棱鏡作色散元件29以光柵為分光元件的紅外光譜儀不足之處：需采用狹縫，光能量受到限制；掃描速度慢，不適于動(dòng)態(tài)分析及和其它儀器聯(lián)用；不適于過強(qiáng)或過弱的吸收信號(hào)的分析。以光柵為分光元件的紅外光譜儀不足之處：30傅立葉變換紅外光譜儀——利用光的相干性原理而設(shè)計(jì)的干涉型紅外分光光度儀特點(diǎn)：

檢測(cè)器直接檢測(cè)樣品與紅外光的干涉光，無光柵和單色器，能量高、響應(yīng)快。與時(shí)間分辨技術(shù)配合，可以跟蹤毫微秒級(jí)瞬時(shí)過程。其能量大、靈敏度和分辨率，準(zhǔn)確度均高。分辨率可達(dá)0.1-0.005cm-1。傅立葉變換紅外光譜儀——利用光的相干性原理而設(shè)計(jì)的干涉型紅外31FTIR-8400S紅外光譜儀（日本，島津公司）FTIR-8400S紅外光譜儀（日本，島津公司）32樣品的測(cè)定（KBr壓片法）固體樣品測(cè)定流程示意：制備KBr空白壓片（高純KBr可不做）空氣（高純KBr時(shí)）背景掃描BackgroundScan制備固體樣品和KBr壓片樣品掃描SampleScan譜圖處理樣品的測(cè)定（KBr壓片法）固體樣品測(cè)定流程示意：制備KBr空33KBr壓片的制備（以制備Aspirin樣品為例）KBr壓片模具底座樣品底座(硅碳鋼圓柱)壓片框架保護(hù)外套瑪瑙研缽彈簧模壓桿模壓沖桿模壓底座KBr壓片的制備（以制備Aspirin樣品為例）KBr壓片模34手動(dòng)液壓機(jī)氣閥油閥壓力桿手動(dòng)液壓機(jī)氣閥油閥壓力桿35取0.2～0.4克KBr，在瑪瑙研缽中充分研細(xì)，然后取2～4毫克Aspirin，即樣品的量約為KBr的1%（此操作在紅外燈下進(jìn)行）取0.2～0.4克KBr，在瑪瑙研缽中充分研細(xì)，然后取2～436在底座上先放一個(gè)樣品底座（硅碳鋼圓柱，光滑干凈面向上），再將壓片框架平穩(wěn)的套在樣品底座露出部分上。在底座上先放一個(gè)樣品底座（硅碳鋼圓柱，光滑干凈面向上），再將37將充分研磨的樣品和KBr混合粉末倒入樣品框架中，注意盡量不要散落到側(cè)壁上，用藥匙柄將藥品調(diào)節(jié)鋪平后放上第二個(gè)樣品底座，此時(shí)光滑面向下。將充分研磨的樣品和KBr混合粉末倒入樣品框架中，注意盡量不要38套上保護(hù)外套，放上彈簧，最后插入模壓桿。套上保護(hù)外套，放上彈簧，最后插入模壓桿。39用手掌按緊模壓桿，放在手動(dòng)液壓機(jī)上，打開液壓機(jī)油閥，關(guān)閉氣閥（順時(shí)針到轉(zhuǎn)不動(dòng)），用壓桿增壓，直到表頭示數(shù)達(dá)80KN，穩(wěn)定5分鐘左右。用手掌按緊模壓桿，放在手動(dòng)液壓機(jī)上，打開液壓機(jī)油閥，關(guān)閉氣閥40打開氣閥，從液壓機(jī)上取下制片模具，將樣品底座和樣品框架一同取出，放到模壓底座上，套上保護(hù)外套，插入模壓沖桿。將整個(gè)裝置再放到液壓機(jī)上輕壓，聽到“鐺”的響聲即停。打開氣閥，從液壓機(jī)上取下制片模具，將樣品底座和樣品框架一同取41將制片裝置取下拆除，用鑷子取下樣片放入樣品架的樣品腔中，用磁片固定好，插入到儀器的樣品槽中。將制片裝置取下拆除，用鑷子取下樣片放入樣品架的樣品腔中，用磁42樣品測(cè)定模式選擇轉(zhuǎn)換函數(shù)分辨率掃描次數(shù)掃描范圍在“Measure”狀態(tài)下，根據(jù)需要逐項(xiàng)設(shè)置參數(shù)。樣品測(cè)定模式選擇轉(zhuǎn)換函數(shù)分辨率掃描次數(shù)掃描范圍在“Measu43放入空白KBr片或以空氣為背景，點(diǎn)擊“BKG”，做背景掃描。放入空白KBr片或以空氣為背景，點(diǎn)擊“BKG”，做背景掃描。44樣品掃描結(jié)束后，得到Aspirin的紅外譜圖，點(diǎn)擊主菜單，選擇“Saveas”進(jìn)行保存。樣品掃描結(jié)束后，得到Aspirin的紅外譜圖，點(diǎn)擊主菜單，選45譜庫搜索：點(diǎn)功能菜單的“Search”，可以選擇“SpectrumSearch”方式進(jìn)行搜索。譜圖處理譜庫搜索：點(diǎn)功能菜單的“Search”，可以選擇“Spect46搜索結(jié)果分三部分，最上面顯示樣品圖譜，最下面是結(jié)果報(bào)告的詳細(xì)信息，中間顯示選中結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)圖譜。搜索結(jié)果分三部分，最上面顯示樣品圖譜，最下面是結(jié)果報(bào)告的詳細(xì)47回到“View”狀態(tài)下，點(diǎn)右下的“Calculate”，可以進(jìn)行峰值表操作?；氐健癡iew”狀態(tài)下，點(diǎn)右下的“Calculate”，可以48紅外光譜原理及應(yīng)用ppt課件49紅外光譜在催化研究中的應(yīng)用紅外光譜在催化研究中的應(yīng)用50常用測(cè)定固體表面酸酸性的測(cè)定方法常用測(cè)定固體表面酸酸性的測(cè)定方法51紅外光譜法測(cè)定表面酸性的基本原理通過具有堿性的探針分子在表面酸位吸附后，所產(chǎn)生的紅外光譜的特征吸收帶或吸收帶的位移，測(cè)定酸位的性質(zhì)、強(qiáng)度與酸量。堿性分子與表面酸位之間相互作用的三種類型：堿性的探針分子的質(zhì)子化固體表面路易斯酸位與堿性的探針分子的電子對(duì)的給予接受作用堿性的探針分子與酸位形成氫鍵接受體的作用紅外光譜法測(cè)定表面酸性的基本原理通過具有堿性的探針分子在表面52探針分子的質(zhì)子化

固體表面的酸性較強(qiáng)，作為探針分子的堿性也很強(qiáng)時(shí)，它們的作用會(huì)使探針分子被質(zhì)子化，酸性羥基的特征紅外吸收帶消失質(zhì)子化的H:B+在紅外光譜中出現(xiàn)特征吸收帶:—C5H5NH+的特征吸收帶在1540cm-1和1635cm-1—NH4+的特征帶為1450cm-1探針分子的質(zhì)子化53堿性探針分子與路易斯酸位的電子對(duì)授受作用

固體表面的L酸位接受堿性探針分子的電子對(duì)形成配位鍵絡(luò)合物：配位絡(luò)合物在紅外光譜中有特征吸收帶：—吡啶吸附后出現(xiàn)1455cm-1吸收帶—NH3吸附后出現(xiàn)1640cm-1吸收帶堿性探針分子與路易斯酸位的電子對(duì)授受作用54堿性分子與酸位形成氫鍵接受體的作用

弱堿性的探針分子可與羥基或路易斯酸位形成氫鍵：堿性分子與酸位形成氫鍵接受體的作用55酸性羥基OH的伸縮振動(dòng)頻率向低波數(shù)位移ΔνOH，形成寬的吸收帶，并且吸收帶積分吸收度增強(qiáng)。鍵能愈強(qiáng)，羥基吸收帶的位移愈大，吸收帶愈寬，積分吸收度愈高弱堿分子與陽離子以及L酸位氫鍵鍵合后，堿分子某一鍵的振動(dòng)模式也會(huì)發(fā)生變化?？捎糜诒碚麝栯x子和L酸的酸強(qiáng)度。屬于氫鍵接受體的常用紅外探針分子：苯、三氘乙腈、CO、H2、N2等分子氫鍵形成在紅外光譜中的特征為：酸性羥基OH的伸縮振動(dòng)頻率向低波數(shù)位移ΔνOH，形成寬的56設(shè)備紅外光譜儀真空處理裝置：活化待測(cè)樣品、凈化探針分子并輔助進(jìn)行定量化學(xué)吸附，其真空度應(yīng)達(dá)1.33×10-2Pa。除掉樣品中的水份以及其它吸附物。因?yàn)樗侨鯄A性分子而且是紅外活性的，會(huì)干擾探針分子的紅外測(cè)定。探針物質(zhì)中所含微量水份和微量空氣也會(huì)干擾紅外測(cè)定,故應(yīng)在干燥脫水之后進(jìn)一步在真空裝置上將其脫除。吸附裝置/紅外吸收池設(shè)備紅外光譜儀57樣品的制備金屬蒸膜技術(shù)氣溶膠膜技術(shù)壓片制備技術(shù)樣品的制備金屬蒸膜技術(shù)58實(shí)驗(yàn)步驟(1)待測(cè)樣品壓成可透過紅外光的圓片；(2)將圓片放在位于紅外吸收池直管中部的支撐架上；(3)開啟電爐加熱樣品至一