分子的振动.ppt

§5 红外吸收光谱法 5.1红外光谱概述 5.2 红外光谱法基本原理及分析 5.3红外光谱仪器及应用 §5.1 概 述 一、红外光的发展简史和区划 二、红外光谱的定义和表示方法 三、IR与UV的区别 四、红外光谱的特点 一（一） 红外发展简史 1800年英国科学家赫谢尔发现红外线 1936年世界第一台棱镜分光单光束红外光谱仪制成 1946年制成双光束红外光谱仪 60年代制成以光栅为色散元件的第二代红外光谱仪 70年代制成傅立叶变换红外光谱仪，使扫描速度大大提高 70年代末，出现了激光红外光谱仪，共聚焦显微红外光谱仪等 一（二）红外光的区划 二、红外光谱的定义和表示方法 定义：红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即红外光谱 红外吸收光谱一般用T－?曲线或T－波数曲线表示。纵坐标为百分透射比T%，横坐标是波长?（单位为μm），或波数（单位为cm-1） 三、IR与UV的区别 四、红外光谱的特点 1）红外吸收只有振-转跃迁,能量低 2）应用范围广,除单原子分子及单核分子外,几乎所有的有机物均有红外吸收 3）分子结构更为精细的表征：通过波谱的波峰数目及强度确定分子基团和分子结构 4）可以进行定量分析 5）固、液、气态试样均可用,用量少,不破坏样品 6）分析速度快 7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能 §5.2 红外光谱基本原理 一 红外吸收光谱的产生条件 物质分子要吸收红外辐射产生红外光谱，必须满足两个条件： 条件一： 辐射光子的能量与发生振动、转动跃迁所需的能量相等； 条件二： 辐射与物质之间有耦合作用 条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等 根据量子力学原理，分子振动能量EV是量子化的即EV= (V+1/2)hν ν为分子振动频率，V为振动量子数，其值取0，1，2，… 分子中不同振动能级能量差:ΔEV =ΔV hν; 也就是说，只有当ΔEV=Ea 即νa=ΔVν时，才可能发生振转跃迁 条件一：辐射光子的能量与振动跃迁所需能量相等 1 基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰（即V=0→1产生的峰） 2 泛频峰 由于红外辐射是电磁波，与电磁振荡能发生相互作用，而与机械振动不能相互作用，因此分子振动时必须伴随偶极矩的变化，振动时才会产生电磁振荡，与红外辐射发生共振而吸收其能量 不对称分子如HCl振动过程中具有确定的偶极距变化率Δμ1，是电磁振荡，有红外吸收；对称分子如H2振动过程中偶极距变化率为零，是机械振动无红外吸收 条件二 辐射与物质之间必须有耦合作用 同核双原子分子，如H2，N2，O2等非极性分子，振动时没有偶极矩的变化，所以没有红外吸收，称为非红外活性 极性分子如HCl等，振动时有偶极矩的变化，有红外吸收，所以称为红外活性 二 双原子分子的振动 双原子分子A-B的伸缩振动→近似看作简谐振动 影响基本振动频率的直接原因是相对原子质量和化学键的力常数 （1）对于有相似质量的原子基团，k大，振动频率就大 （2）对于相同化学键的基团，?大，振动频率就小 除了化学键两端的原子质量、化学键的力常数影响基本振动频率外，而且还与内部因素（结构因素）和外部因素（化学环境）有关 三 多原子分子振动 多原子分子（原子数目或化学键多，基团和空间结构不同）可以把它们的复杂振动分解成许多简单的基本振动 1 简正振动：分子质心保持不变，整体不转动，每个原子都在其平衡位置附近做简谐振动，其振动频率和相位都相同，即每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置，而且同时达到其最大位移值。分子中任何一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性组合 2. 简正振动的基本形式 （1）伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角b不变的振动， 以?表示 （2）变形振动(弯曲振动或变角振动):基团键角发生变化而键长不变的振动，以?表示 3 基本振动的理论数（峰数） （1）简正振动的数目称为振动自由度，指分子独立的振动数目或基本的振动数目，每个振动自由度理论上相当于红外光谱图上一个基频吸收带 （2）N个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度 分子的振动自由度F＝3N-平动自由度－转动自由度 非线性分子： F=3N-6(3个平动，3个转动） 线性分子： F=3N-5(3个平动，2个转动） CO2分子—线性分子;F=3×3-5=4 实际吸收峰数目小于理论振动数 (1)?? 没有偶极矩变化的振动,