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红外吸收光谱 定义? 红外光谱又称分子振动转动光谱,属分子吸收光谱。 样品受到红外光照射,分子吸收一定频率的辐射,分子振动或转动引起偶极矩的净变化 振-转能级从基态跃迁到激发态,相应于这些区域的透射光强减弱 记录百分透过率T%对波数或波长的曲线,即为红外光谱。 红外光谱的划分 基、倍频 处于基态分子,吸收红外辐射能后,主要是由基态跃迁到第一激发态,这种跃迁的红外吸收叫基频吸收。 基态到第二激发态或到第三激发态的跃迁也是可能的,对应的红外吸收叫倍频吸收。 红外光谱的基本原理 分子的振动与转动 有机化合物分子吸收频率小于100cm-1的红外辐射时,能量转变为分子转动能,这种吸收是量子化的 因此,分子转动光谱是由不连续的谱线组成。 吸收频率在10000~100cm-1范围的红外辐射,能量转变为分子的振动能,这种吸收也是量子化的。 为什么是吸收带状光谱? 实际上,分子的振动和转动是同时进行的,当振动能级跃迁时,不可避免的伴随有许多转动能级跃迁 无法得到纯粹的振动光谱,只能得到分子的振动——转动光谱,因此振动光谱是以谱带而不是以谱线出现的 高分辨红外谱图中,观察到的是以振动谱带的位置为中心,在其两侧对应一系列转动能级跃迁谱线所组成的吸收带。 乙烯聚合均聚物的红外光谱图 基本振动的理论数 又叫振动自由度 多原子分子在振动时,每个原子都在其平衡值附近作简谐振动 分子中任何一个复杂振动都可看成是简正振动的组合 简正振动的数目 首先要确定分子中各原子在空间的位置。 每个原子需要有三个坐标,相应于简正坐标(x ,y ,z ),才能确定其位置,即需要有三个自由度。 由N个原子组成的分子就有3N个自由度。 而分子本身作为一个整体,有三个平动自由度三个转动自由度。 因此,分子振动自由度,也称基本振动(简正振动)的数目等于3N-6。 基本振动不涉及分子重心的改变 对于线性分子,每个原子都可以看成一个质点,少一个分子轴的转动,只有2个转动自由度。 线性分子有3N-5个基本振动 非线性水分子基本振动形式 CO2分子的基本振动 分子振动的类型 分子振动有二种方式 (stretching vibration ) 伸缩振动 (bending vibration) 弯曲振动 红外光谱产生条件 能量相当原则:(即光谱选律) 振动量子力学理论: 分子的振动是量子化的,处于不同的能级上 只有红外辐射的能量和振动能量等时,才会引起能级间的跃迁,即E = hυ 基本原理1 红外跃迁是偶极矩诱导的。 即能量的转移是通过振动过程的偶极矩变化和交变电磁场(红外线)相互作用发生的。 辐射与物质之间有耦合作用 满足这个条件,分子振动必须伴随偶极矩的变化。 基本原理2 分子由于构成的各原子的电负性的不同,显示不同的极性,称为偶极子。 偶极子处在电磁辐射电场时,由于电场作周期性反转,偶极子将受交替的作用而使偶极矩增加或减少。 偶极子具有原有振动频率,只有当辐射频率与偶极子频率相匹时,分子与辐射相互作用(振动耦合)增加振动能,使振幅增大 分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级。 基本原理3 并非所有的振动都会产生红外吸收,只有发生偶极矩变化(△?≠0)的振动才能引起可观测的红外吸收光谱,该分子称之为红外活性的; △?=0的分子振动不能产生红外振动吸收,称为非红外活性的。 一定频率的红外光照射分子 分子中某个基团的振动频率和它一致 产生共振,光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子 红外光谱图的表示法 红外光谱图 红外光谱图记录物质对红外光的吸收(或透过)程度与波长(或波数)的关系图 记录的波数范围一般在 4000~400㎝-1 红外光谱图的纵坐标是光吸收量,用透过率或吸光度表示 特点 红外谱图有两种表示方法,波长λ和波数υ,υ=1/λ λ单位为 μm , υ单位为cm-1 横坐标的间距有两种 2000或2200cm-1以上波数,其间距为400~2000cm-1范围时波数间距的一半 红外吸收峰 通过样品池的红外辐射在一定范围发生吸收,产生吸收峰,得到红外光谱 红外光谱中吸收谱带都相应着分子和分子中各级团的振动形式 吸收谱带数目、位置及强度是判断一个分子结构的最主要依据 ①谱带数目及影响因素 红外光谱应有理论基本振动数目的吸收谱带 实际上,很少能观察到理论数目基本振动的吸收谱带 基频、倍频和复合频 基态到第二激发态或到第三激发态的跃迁也是可能的,对应的红外吸收叫倍频吸收 红外辐射能恰好等于两种不同振动的基频跃迁能量总和,有可能同时激发两个振动方式发生基频跃迁,产生的吸收称复合频 简并振动 多原子分子有3n-6或(3n-5)个简正振动,其中一些振动方式是等效
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