紅外吸收光譜法基本原理電子教案

1、儀器分析教案知識點紅外吸收光譜法基本原理學時2學時教學內容紅外光譜法基礎知識產(chǎn)生紅外吸收光譜的原因紅外吸收峰的類型中紅外光區(qū)的四個吸收區(qū)域影響基團頻率位移的因素 教學重點紅外吸收光譜圖教學難點產(chǎn)生紅外吸收光譜的原因產(chǎn)生紅外吸收光譜的原因影響基團頻率位移的因素參考資料儀器分析,黃一石,化學工業(yè)出版社儀器分析,高曉松,科學出版社分析化學(儀器分析部分),林樹昌,曾泳懷,高等教育出版社一、概述1、紅外光的發(fā)現(xiàn)紅外輻射是在1800 年由英國的威廉.赫謝爾（Willian Hersher）發(fā)現(xiàn)的。2、物質對紅外光的選擇性吸收赫歇爾通過實驗發(fā)現(xiàn)，不同的溶液對紅外光的吸收程度是不同的，同一種溶液對不同紅外光

2、也具有不同程度的吸收。所以說，物質對紅外光具有選擇性吸收。3、紅外吸收光譜（1）紅外吸收光譜圖一般用T-或T-曲線表示。（2）紅外光區(qū)的劃分紅外光譜在可見光區(qū)和微波光區(qū)之間，其波長范圍約0.751000m。習慣上將紅外光區(qū)劃分為三個區(qū)域。 4、紅外光譜法的特點（1)應用面廣，提供信息多且具有特征性（2)不受樣品相態(tài)的限制，亦不受熔點、沸點和蒸氣壓的限制。（3)樣品用量少且可回收，不破壞試樣，分析速度快，操作方便。（4)現(xiàn)在已經(jīng)積累了大量標準紅外光譜圖可供查閱。（5)局限：有些物質不能產(chǎn)生紅外吸收峰，不能用紅外吸收光譜法鑒別，有干擾，準確度和靈敏度均低于可見、紫外吸收光譜法。二、產(chǎn)生紅外吸收光譜

3、的原因1、分子振動（1）分子振動方程式k 化學鍵力常數(shù)，單位 N/cm分子折合質量（2）簡正振動 分子中所有原子都在其平衡位置附近作簡諧振動，其振動頻率和位相都相同，只是振幅可能不同，即每個原子都在同一瞬間通過其平衡位置，且同時到達其最大位移值，附近作簡諧振動，每一個簡正振動都有一定的頻率,稱為基頻。（3）分子的振動形式q 分子的振動形式可分為兩大類：伸縮振動和變形振動 。q 伸縮振動是指原子沿鍵軸方向伸縮，使鍵長發(fā)生變化而鍵角不變的振動，其振動形式可分為兩種：對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動；q 變形振動是指使鍵角發(fā)生周期性變化的振動，又稱彎曲振動?？煞譃槊鎯?、面外、對稱及不對稱變形振動等形式。

4、 2、振動能級的躍遷用一定頻率的紅外光照射分子時，如果分子中某個基團的振動頻率與它一樣，則兩者就會發(fā)生共振，這個基團就吸收了一定頻率的紅外光，從原來的基態(tài)振動能級躍遷到較高的振動能級，從而產(chǎn)生紅外吸收。3、產(chǎn)生紅外吸收光譜的條件（1）輻射光子具有的能量與發(fā)生振動躍遷所需的躍遷能量相等。即只有當照射分子的紅外輻射頻率與分子某種振動方式的頻率相同時，分子吸收能量后，從基態(tài)振動能級躍遷到較高能量的振動能級，從而在圖譜上出現(xiàn)相應的吸收帶。（2）分子振動時，必須伴隨有偶極矩的變化。一個分子有多種振動方式，只有使分子偶極矩發(fā)生變化的振動方式，才會吸收特定頻率的紅外輻射, 這種振動方式具有紅外活性。三、紅外

5、吸收光譜與分子結構關系1. 紅外吸收峰類型（1）基頻峰指分子吸收一定頻率的紅外光，若振動能級由基態(tài)（n = 0）躍遷到第一振動激發(fā)態(tài)（n=1）時，所產(chǎn)生的吸收峰。（2）泛頻峰在紅外吸收光譜上除了基頻峰外，還有振動能級由基態(tài)（ n = 0 ）躍遷到第二（ n= 2 ）、第三（n= 3）、第n 激發(fā)態(tài)時，所產(chǎn)生的吸收峰稱為倍頻峰。（3）特征峰和相關峰凡是可用于鑒定官能團存在的吸收峰稱為特征吸收峰。在化合物的紅外譜圖中由于某個官能團的存在而出現(xiàn)的一組相互依存的特征峰，可互稱為相關峰。2、紅外吸收光譜的分區(qū)（1）官能團區(qū)和指紋區(qū)分子中的各種基團都有特征紅外吸收帶，其他部分只有較小的影響。因此中紅外區(qū)又

6、劃分為（2）中紅外光區(qū)的四個吸收區(qū)域1）X-H伸縮振動區(qū)，40002500cm-1 X-H伸縮振動區(qū)， X可以是O、N、C和S原子。在這個區(qū)域內主要包括O-H，N-H，C-H和S-H鍵的伸縮振動，通常又稱為“氫鍵區(qū)”。Ø O-H基的伸縮振動出現(xiàn)在3650 3200cm-1范圍內，這可以作為判斷有無醇類、酚類和有機酸類的重要依據(jù)。Ø N-H的伸縮振動出現(xiàn)在3500 3100cm-1范圍內。伯、仲酰胺和伯、仲胺類在此區(qū)域內都有吸收譜帶，N-H譜帶與O-H譜帶重疊，但N-H吸收峰尖銳，而O-H譜帶常由于氫鍵的存在導致頻率降低、譜帶變寬。Ø C-H的伸縮振動分為飽和C-H

7、伸縮振動和不飽和C-H伸縮振動：飽和C-H伸縮振動出現(xiàn)在3000 2800cm-1。ü CH3的伸縮振動出現(xiàn)在2960cm-1（反對稱伸縮）和2870cm-1（對稱伸縮）附近。ü CH2的吸收則在2930cm-1（反對稱伸縮）和2850cm-1（對稱伸縮）附近。不飽和C-H鍵伸縮振動出現(xiàn)在3000cm-1以上。ü 苯環(huán)上的C-H鍵伸縮振動出現(xiàn)在3030cm-1附近，其特征是強度比飽和的C-H鍵稍弱，但譜帶比較尖銳。ü 不飽和的雙鍵 =CH 的吸收出現(xiàn)在30103040cm-1范圍內，末端=CH2的吸收出現(xiàn)在3085cm-1附近。ü 叁鍵上的CH

8、鍵伸縮振動出現(xiàn)在3300cm-1附近。2）叁鍵和累積雙鍵區(qū)，25001900cm-1Ø 對于烴類化合物，的吸收出現(xiàn)在21002140cm-1附近； 的吸收出現(xiàn)在21902260cm-1；如果 R=R'，因為分子是對稱的，故對紅外無活性（即無吸收）。Ø 的伸縮振動在非共軛的情況下出現(xiàn)在22402260cm-1附近。當與不飽和鍵或芳核共軛時，該峰移到22202230cm-1附近。若分子中僅含有氧原子，且氧原子離 越近，的吸收越弱，甚至觀察不到。3）雙鍵伸縮振動區(qū)，19001200cm-1Ø C=C鍵的伸縮振動出現(xiàn)在16801620cm-1，強度一般較弱，單核芳

9、烴的C=C伸縮振動吸收主要有4個，出現(xiàn)在16201450cm-1范圍內。Ø 苯衍生物在20001650cm-1附近出現(xiàn)C-H面外和C=C面內變形振動的泛頻吸收，雖強度很弱，但它們的吸收面貌在表征芳核取代類型上很有用。如果分子中含有C=O及其他干擾官能團時，就不能用于鑒定。Ø C=O吸收出現(xiàn)在18501600cm-1ü 酸酐的C=O基的吸收有2個峰，出現(xiàn)在1820cm-1和1750cm-1處（雙峰是因為兩個羰基振動的偶合所致）；ü 酯類C=O基的吸收出現(xiàn)在17501725cm-1，且吸收很強；ü 醛類的羰基如果是飽和的，則吸收出現(xiàn)在1740172

10、0cm-1；如果是不飽和的，則向低波數(shù)移動；ü 羧酸由于氫鍵作用，常以二分子締合體的形式存在，其吸收峰出現(xiàn)在17251700cm-1附近。4）X-Y伸縮振動及X-H變形振動區(qū)（單鍵區(qū)），1650cm-1Ø 苯環(huán)上氫原子面外變形的吸收峰位置取決于環(huán)上的取代形式，即與苯環(huán)上相鄰的氫原子數(shù)有關，而與取代基的性質無關。Ø 甲基的對稱變形振動出現(xiàn)在13701380cm-1，可作為判斷有無甲基的依據(jù)。Ø C=O的伸縮振動盡管吸收峰位置變化很大（13001000cm-1），但由于吸收強度很大，因而常成為譜圖中最強的吸收，結果易于判斷C=O鍵的存在。3、影響基團頻率位移

11、的因素（1）外部因素試樣狀態(tài)、測定條件的不同以及溶劑極性的影響等外部因素都會引起基團頻率的位移。（2）內部因素電效應、氫鍵、振動的偶合、費米共振、立體障礙、環(huán)的張力1)電子效應：誘導效應、共軛效應誘導效應 誘導效應指電負性不同的取代基，會通過靜電誘導而引起分子中電子分布的變化，導致力常數(shù)改變，使基團特征頻率位移。 共軛效應(M效應） 由分子形成大鍵或含有孤對電子的原子接在具有多重鍵的原子上時，引起p-p或n-p共軛，由于共軛效應使共軛體系中的電子云密度趨于平均化，導致雙鍵略有伸長，單鍵略有縮短，結果使C=O雙鍵頻率向低頻移動，單鍵頻率略向高頻移動。 2)氫鍵的生成 羰基形成氫鍵，使雙鍵電子云密度平均化，羰基的振動頻率下降