(材料分析课件)13 第十三讲 红外光谱.ppt

第四章 光谱分析 第三节 红外光谱 一、概 述 由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。 在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间的相对运动，即核的振动和分子绕重心的转动。 分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到 分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。 红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。 一、概 述 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。 一、概 述 1红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~ 1000μm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5μm ），中红外光区（2.5 ~ 25μm ），远红外光区（25 ~ 1000 μm ）。 近红外光区的吸收带（0.75 ~ 2.5μm ）主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如O-H、N-H、C-H）伸缩振动的倍频吸收产生。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。 一、概 述 中红外光区吸收带（2.5 ~ 25μm ）是绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带（由基态振动能级（?=0）跃迁至第一振动激发态（?=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰）。 由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。 一、概 述 远红外光区吸收带（25~1000μm）是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。 一、概 述 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%，因而吸收峰向下，向上则为谷；横坐标是波长?（单位为μm），或 （波数）（单位为cm-1）。 波长?与 波数之间的关系为： （波数）/cm-1=104 /（?/μm） 中红外区的 波数范围是4000~ 400cm-1 。 一、概 述 2.红外光谱法的特点 红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。 除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。 除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。 一、概 述 红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收谱带的强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。 由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且是鉴定化合物和测定分子结构的用效方法之一。 二、基本原理 1.产生红外吸收的条件 ⑴ 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等 红外吸收光谱是分子振动能级跃迁产生的。为讨论方便，以双原子分子振动光谱为例，说明红外光谱产生的条件。 二、基本原理 若把双原子分子（A-B）的两个原子看作两个小球，把连结它们的化学键看成质量可以忽略不计的弹簧，则两个原子间的伸缩振动，可近似地看成沿键轴方向的简谐振动。 由量子力学可以证明，该分子的振动总能量(E?)为： E? = （? +1/2）h ? （?=0，1，2，?） 式中?为振动量子数（ ? =0，1，2，…）；E?是与振动量子数?相应的体系能量； ?为分子振动的频率。 二、基本原理 在室温时，分子处于基态（? = 0） E?= 1/2?h ? 此时，伸缩振动的频率很小。 当有红外辐射照射到分子时，若红外辐射的光子（?L）所具有的能量（EL）恰好等于分子振动能级的能量差（△Ev）时，则分子将