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1、第十章红外吸收光谱分析法,仪器分析,使用教材：朱明华编,2022/1/26,仪器分析第10章红外吸收光谱分析法,2022/1/26,第一节 红外光谱分析基本原理,定义：红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分子的振动-转动能级的跃迁而形成的光谱，因为出现在红外区，所以称之为红外光谱。利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸收光谱法。 1. 红外吸收光谱的发现 红外辐射是在 1800年由英国的威廉.赫谢(Willian Hersher) 尔发现的。一直到了1903年，才有人研究了纯物质的红外吸收光谱。 二次世界大战期间，由于对合成橡胶的迫切需求，红外光谱才引起了化学家的重视和研究，
2、并因此而迅速发展。随着计算机的发展，以及红外光谱仪与其它大型仪器的联用，使得红外光谱在结构分析、化学反应机理研究以及生产实践中发挥着极其重要的作用，是“四大波谱”中应用最多、理论最为成熟的一种方法。,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,2、红外光谱法的特点,1. 气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定；2.每种化合物均有红外吸收，并显示了丰富的结构信息；3.常规红外光谱仪价格低廉，易于购置；4.样品用量少：可减少到微克级；5. 针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量新技术，如：光声光谱（ PAS）、衰减反射光谱（ATR），漫反射，红外显微镜等。,2022/1/26,红外光谱分析基本原理
3、,一、红外吸收与振动 - 转动光谱 1. 光谱的产生： 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振-转光谱，称红外光谱。 2. 所需能量：,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,3. 研究对象：具有红外活性的化合物，即含有共价键、并在振动过程中伴随有偶极矩变化的化合物。4. 用途: 结构鉴定、定量分析和化学动力学研究等。,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,二、分子振动方程式,1. 振动频率 对于双原子分子，可认为分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅作周期性的振动即化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧（ 图 10.2） ， 可按简谐振动模式处理，由经典力学导出振动频率：,图10.2
4、双原子分子振动模拟图,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,L,图 10.3 双原子分子的势能曲线,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,2.振动能级（量子化）： 按量子力学的观点，当分子吸收红外光谱发生跃迁时，要满足一定的要求，即振动能级是量子化的，可能存在的能级满足下式： E 振 =（ V+ 1/2 ）h n n ： 化学键的 振动频率； V ： 振动量子数。 任意两个相邻的能级间的能量差为：,（用波数表示）,其中： K 为 化学键的力常数，与键能和键长有关； m 为双原子的折合质量。,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质
5、量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。 化学键键强越强（即键的力常数 K 越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。如：,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,三、 分子的振动形式两类基本振动形式：变形振动和伸缩振动。以甲烷为例：变形振动,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,四. 红外光谱产生的条件满足两个条件：1. 红外光的频率与分子中某基团振动频率一致；2. 分子振动引起瞬间偶极矩变化。,完全对称分子，没有偶极矩变化，辐射不能引起共振，无红外活性， 如： N2 、 O2 、 Cl2 等；非对称分子有偶极矩，属红外活性，如 HCl 。 偶极子在交变电场
6、中的作用可用 图 10.6 表示。,图 10.6 偶极子在交变电场中的作用示意图,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,1.位置：由振动频率决定，化学键的力常数 K 越大，原子折合质量 m 越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）；2.峰数：分子的基本振动理论峰数，可由振动自由度来计算，对于由 n 个原子组成的分子，其自由度为3 n 3n= 平动自由度+振动自由度+转动自由度 分子的平动自由度为3，转动自由度为：非线性分子3，线性分子2 振动自由度=3 n- 平动自由度-转动自由度非线性分子: 振动自由度=3 n-6线 性 分 子: 振动
7、自由度=3 n-5,绝大多数化合物红外吸收峰数远小于理论计算振动自由度（原因：无偶极矩变化的振动不产生红外吸收；吸收简并；吸收落在仪器检测范围以外；仪器分辨率低，谱峰重叠等。）如水分子和二氧化碳分子（ 图10.7， 图 10.8） 。,五. 红外光谱峰的位置、峰数与强度,2022/1/26,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,则：,3强度: 红外吸收的强度与 跃迁几率的大小和振动偶极矩变化的大小有关，跃迁几率越大、振动偶极矩越大，则吸收强度越大。 4 红外光谱图： 纵坐标为吸收强度，横坐标为波长 ， （ m ），和波数 1/ ，单位： cm -1 ，可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述，如
8、仲丁醇的红外光谱（图 10.9 ）。,2022/1/26,红外光谱分析基本原理,六 . 常用的红外光谱术语1. 频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生的强吸收峰，称为基频峰(强度大)；2. 倍频峰：由基态直接跃迁到第二、第三等激发态，产生弱的吸收峰，称为倍频峰；3. 合频峰：两个基频峰频率相加的峰;4Fermi 共振 :某一个振动的基频与另外一个振动的倍频或合频接近时,由于相互作用而在该基频峰附近出现两个吸收带,这叫做 Fermi 共振 。5. 振动偶合:两个化学键的振动频率相等或接近时,常使这两个化学键的基频吸收峰裂分为两个频率相差较大的吸收峰,这种现象叫做振动偶合。,2022/1/26,第二节
9、 红外光谱与有机化合物结构,一、基团频率与红外光谱的分区 常见的有机化合物基团频率出现的范围： 4000 670 cm -1 ,依据基团的振动形式，分为四个区：,2022/1/26,红外光谱与有机化合物结构,二、 影响基团频率位移的因素 化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。1.内部因素 电子效应（1） 诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（兰移）,2022/1/26,2022/1/26,红外光谱与有机化合物结构,. 共轭效应,. 空间效应：场效应、空间位阻、环张力（1） 场效应: 在相互靠近的基团之间，会通过分子内
10、的空间产生偶极场效应，如氯代丙酮三种旋转异构体， C=O 吸收频率不同；（2） 空间位阻：使共轭体系受阻，基团频率往高频移动；（3 ） 环张力：环张力越大，基团频率越高。,2022/1/26,红外光谱与有机化合物结构,例如：氯代丙酮三种旋转异构体（场效应）,空间位阻,2022/1/26,红外光谱与有机化合物结构,环张力影响,2. 外部因素（1） 样 品物理状态；（2） 溶剂的影响：常用溶剂二硫化碳，四氯化碳 （双光束红外光谱仪对溶剂吸收有补偿装置）（3） 样品厚度： 一般吸收曲线的基线 T 在80%以上，大部分 T 在20-60%，最强透光率在1-5%较为合适，否则图谱易失真。,2022/1/
11、26,红外光谱与有机化合物结构,三、 影响谱带强度的因素1、谱带强度与偶极矩变化的大小有关，偶极矩变化的愈大，谱带强度愈大；2、极性较强的基团，振动中偶极矩变化较大，对应的吸收谱带较强；3、结构对称性愈强，振动时偶极矩变化愈小，对应的吸收谱带愈弱。,2022/1/26,第三节 各类化合物的特征基团频率,一、 XH伸缩振动区（4000 2500）1. OH基的伸缩振动出现在 3650 3200 的范围内 ，可以判断醇，酚，有机酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽，很容易识别。,2022/1/26,各类化合物的特征基团频率,2. C-H键
12、的伸缩振动可分为饱和的和不饱和的饱和的C-H键：一般在3000cm-1以下 CH3 2960 cm-1 反对称伸缩振动 2870 cm-1 对称伸缩振动 CH22930 cm-1 反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动 CH 2890 cm-1 弱吸收,2022/1/26,各类化合物的特征基团频率,二、 双键伸缩振动区（19001200 cm-1 ） 单核芳烃 的C=C键伸缩振动（1626 1650 cm-1 ） 苯衍生物在 1650 2000 cm-1出现 C-H和C=C键的面内变形振动的泛频吸收（强度弱），可用来判断取代基位置。C=O （1850 1600 cm-1 ）碳氧双键的
13、特征峰，强度大，峰尖锐。,三、 叁键（CC）和累积双键区伸缩振动区（2500 1900 cm-1 ）,2022/1/26,四、 XY，XH 变形振动区 1650 指纹区(1350 650 cm-1 )较复杂。 C-H，N-H的变形振动； C-O，C-X的伸缩振动； C-C骨架振动等，精细结构的区分。,) ,各类化合物的特征基团频率,2022/1/26,第四节 红外光谱的应用,一、红外光谱一般解析步骤1. 检查光谱图是否符合要求;2. 了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度;3. 排除可能的“假谱带”;4. 若可以根据其他分析数据写出分子式，则应先算出分子的不饱和度U
14、 = （2 + 2n4 + n3 n1 ）/ 2n4 ， n3 ，n1分别为分子中四价，三价，一价元素数目;5.确定分子所含基团及化学键的类型（官能团区40001330和指纹区1331650 cm-1 ） 6. 结合其他分析数据，确定化合物的结构单元，推出可能的结构式;7. 已知化合物分子结构的验证;8. 标准图谱对照;9. 计算机谱图库检索。,2022/1/26,红外光谱的应用,二、定性分析 定性分析大致可分为官能团定性和结构定性两个方面。定性分析的一般过程：1. 试样的分离和精制2.了解与试样性质有关的其它方面的材料3. 谱图的解析4. 和标准谱图进行对照5. 计算机红外光谱谱库及其检索系
15、统6. 确定分子的结构,2022/1/26,红外光谱的应用,例1 顺反烯烃红外光谱,10.11 顺烯烃红外光谱,图 10.12 反烯烃红外光谱,2022/1/26,红外光谱的应用,例醛和酮红外光谱,图 10.13 醛和酮 红外光谱,2022/1/26,红外光谱的应用,三 定量分析定量分析的依据是郎伯-比尔定律。红外光谱图中吸收带很多，因此定量分析时 , 特征吸收谱带的选择尤为重要，除应考虑 较大之外，还应注意以下几点： 谱带的峰形应有较好的对称性性 ; 没有其他组分在所选择特征谱带区产生干扰 ; 溶剂或介质在所选择特征谱带区域应无吸收或基本没有吸收； 所选溶剂不应在浓度变化时对所选择特征谱带的
16、峰形产生影响 ; 特征谱带不应在对二氧化碳 . 水 . 蒸气有强吸收的区域。,2022/1/26,红外光谱的应用,谱带强度的测量方法主要有峰高（即吸光度值）测量和峰面积测量两种，而定量分析方法很多，视被测物质的情况和定量分析的要求可采用直接计算法 . 工作曲线法 . 吸收度比法和内标法等。 1 直接计算法 这种方法适用于组分简单，特征吸收谱带不重叠。且浓度与吸收成线性关系的样品。直接从谱图上读取吸光度 A 值，再按 朗伯 -比尔定律 算出组分含量 C 。这一方法的前提是应先测出样品厚度 L 及摩尔吸光系数 值，分析精度不高时，可用文献报道 值。 2 工作曲线法 这种方法适用于组分简单，样品厚度
17、一定（一般在液体样品池中进行），特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸光度不成线性关系的样品。,2022/1/26,红外光谱的应用,3 吸收度比法 该发适用于厚度难以控制或不能准确测定其厚度的样品，例如厚度不均匀的高分子膜，糊状法的样品等。这一方法要求各组分的特征吸收谱带相互不重叠，且服从于郎伯 比尔定律。 如有二元组分 X 和 Y ，根据 朗伯 -比尔定律 ，应存在以下关系； 由于是在同一被测样品中，故厚度是相同的， 其吸光度比 R 为： （ 101 ） 式中的 K 称为吸收系数比。,2022/1/26,红外光谱的应用,但前提是不允许含其他杂质。吸收度比法也适合于多元体系。,2022/1/26,红
18、外光谱的应用,4 内标法 此法适用于厚度难以控制的糊状法 . 、压片法等的定量工作，可直接测定样品中某一组分的含量。具体做法如下： 首先，选择一个合适的纯物质作为内标物。用待测组分标准品和内标物配制一系列不同比例的标样，测量它们的吸光度，并用公式（ 342 ）计算出吸收系数比 k 。 根据郎伯 比尔定律，,2022/1/26,在未知样品中测定吸光度比值后，就可以从工作曲线上得出响应的浓度比值。由于加入的内标物量是已知的，因此就可求得未知组分的含量。,2022/1/26,红外光谱的应用,5 定量分析的计算机处理 在计算机已经广泛用于分析化学领域的今天，随着计算机的发展，红外光谱也配备多种定量软件。图10.14 显示了称之为 QUANT 软件的六种定量计算方法的示意图。这六种不同的处理方法是： 峰高： h 峰面积： a 一级导数光谱最大： d(+) 一级导数光谱最小： d(-) 一级导数光谱全幅： d2 二级导数光谱全幅： d ,图 10.14 QUANT 软件的定量示意图,2022/1/26,第五节 红外光谱仪,一、仪器原理图,图 10.15 傅里叶红外光谱仪原理图,2022/1/26,红外光谱仪,二、联用技术 GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用）LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用）PAS/FTIR（光声红外光谱）MIC/FTIR（显微红外光谱） 微量及微区分析,