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第8章红外光谱分析法
教学时数:6学时教学要求:
1、理解产生红外吸收的条件。
2、了解分子的振动类型,红外光谱中吸收峰增减的原因。
3、理解影响吸收峰的位置、峰数、峰强的主要因素。
4、掌握基团频率和特征吸收峰,主要有机化合物的红外吸收光谱特征。
5、理解影响基团频率位移的因素
6、掌握红外吸收光谱法的定性、定量方法。
7、了解红外光谱的构造与红外制样技术。教学重点与难点:
重点:红外吸收的条件,影响吸收峰强度的因素,基团频率和特征吸收峰,典型有机化合物的红外光谱主要特征,定性分析。
难点:分子的振动,影响基团频率的因素,结构推断。
§8-1 概 述
一、分子光谱与红外光区的划分
E分子=E电子+E振动+E转动
其中E电子属于紫外,可见研究的范围,分子的振动,转动光谱属于红
外光谱研究的范围。其波长范围约为0.75—1000nm根据仪器技术及应用不同,习惯上把红外光谱分成三个区:
1、近红外区(?=0.75—2.5μm)
主要低能电子跃迁,含氢原子团的倍频吸收,用于研究稀土及其它过渡金属化合物,含氢(-OH、N-N、C-H)原子团的吸收
2、中红外区(?=2.5—25μm)
大多有机化合物及无机离子的基频吸收带出现在该光区,主要由分子的振动和转动跃迁引起的,最适用于定性定量分析,且仪器及分析测试技术最成熟。
3、远红外区(?=25—1000μm)
主要是分子的纯转动能级跃迁以及晶体振动很少应用。红外光谱中一般以波数表示谱带的位置,而不是用波长
?(cm?1)=
1
?(cm)
二、红外光谱研究的对象及特点
1、研究对象:
红外光谱是振动—转动光谱,但它只能研究震动中伴有偶极矩变化的化合物。
极性分子 有偶极矩变化—红外 μ?0
非极性分子 μ=0
振动—转动光谱 无偶极矩变化—拉曼光谱凡极性分子,振动时都可发生偶极矩变化
2、特点
①研究范围广除单原子和同核双原子分子,几乎都有红外吸收
②分析特征性强凡结构不同的化合物,红外光谱必不同
③气、液、固样品皆可,用量少,分析速度快,不破坏样品
一、双原子分子的振动
§8-2 红外光谱的基本原理
任何分子都是由原子通过化学键联结而组成的。分子中的原子与化学键都处于不断地运动中。
分子的振动运动可近似地看成一些用弹簧连接着的小球运动,以双原子为例。则可把其看做两个小球,它们之间的伸缩振动可近似看成沿轴方向的简谐运动。
该体系的振动频率由经典力学(虎克定律)可导出二、红外吸收光谱产生的条件:
1、如果辐射体系发射出的光量子的能量满足振动跃迁所需的能量
?E ?E?h? ???V?? ???1 、?2、?3
振 振
2、分子在振动过程中必须有偶极矩的变化——红外活性小结:
双原子分子
同核双原子分子 偶极矩不变化 无红外活性 如:O2
极性双原子分子 有红外活性 如HCl
多原子分子 不管是对称的还是非对称的都具有红外活性;
3、影响峰数减少的因素:
从理论上计算,线形分子的振动自由度为3N-5
非线形分子的震动自由度为:3N-6 但大多数化合物在红外光谱上出现的峰数远小于理论值,这是因为:
振动过程中不发生偶极矩变化,不产生红外吸收。
由于分子对称性的缘故,某些震动频率相同,彼此简并‘
强峰往往覆盖与它相近而弱而窄的峰
仪器无法区别频率十分接近或吸收很弱的峰
有些吸收或在仪器检测范围之外
总之,分子的对称性越强,简并情况越多如CO2、线形分子、吸收峰
3N-5=9-5=4单只出现667cm-1 2349cm-1两个基本吸收峰。三、红外吸收峰的强度
1、影响强度的因素
振动能级的跃迁几率 基频跃迁几率大
振动过程偶极矩的变化
由于第一激发态的跃迁几率远大于被频峰
2、吸收峰的强度与分子震动时偶极矩变化的平方成正比。影响偶极矩变化因素有:
连续原子的电负性差异 如C=O常常是红外中最强吸收峰而C=C
相对强度较弱,
有时还可能不出现
分子对称性
振动的形式 伸缩振动峰强? 变形振动 ?as??s的强度
其它因素如费米共振,形成氢键等以及与偶极矩较大基团共轭等,也会影响峰强
A=lg1
T
四、红外吸收中的常用几个术语
倍频峰
1、基频峰与泛频峰 差频峰
合频峰
2、特征峰与相关峰:反用于鉴定原子几团存在并有较高强度的峰,称为特征峰把另一些相互依存而又可以相互佐证的峰称为相关峰。
§8-3基团频率和特征吸收峰
物质的红外光谱,是其分子结构的反映。红外光谱实质上就是根据各种基团的特征来推测其结构。
特征吸收:指基团在特定的红外区域有吸收,且其它部分对次吸收位置影响较小,并有较强的吸收谱带的吸收称为特征吸收。(官能团吸收)
其他的吸收称为相关吸收。一、官能团区
范围4
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