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3.13红外吸收光谱
3.13.1.1分子的振动形式
分子振动形式分为伸缩振动和变形振动。
伸缩振动分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动。
变形(弯曲)振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。
面内弯曲振动又分为剪式弯曲振动和面内摇摆振动。
面外弯曲振动分为面外摇摆振动和扭曲振动。
变形振动,又称弯曲振动或变角振动,是一种分子运动形式,指的是基团键
角发生周期变化而键长不变的振动。
变形振动-分类:
变形(弯曲)振动分为面内弯曲振动和面外弯曲振动。
面内弯曲振动又分为剪式弯曲振动和面内摇摆振动。
面外弯曲振动分为面外摇摆振动和扭曲振动。
所以你说的面内变形振动应该属于面内弯曲振动,为Rocking(平面摇摆振动)
形式,是说法不同而已
而面内摇摆振动(rockingvibration),指基团作为一个整体在平面内摇摆.。
分子中原子的振动可分为两大类:伸缩振动和弯曲振动(亦
称变形振动),通常用希腊字母v表示伸缩振动,8表示弯曲
振动。伸缩振动是指原子沿着化学键方向往运动,在振动过
程中化学键的键长发生变化。根据振动时原子间相对位置的
变化,伸缩振动还可以分为反对称伸缩振动和对称伸缩振
动。弯曲振动是指原子垂直于化学键方向的振动,可分面内
弯曲振动和面外弯曲振动。面内弯曲振动是指振动在所涉及
原子构成的平面内进行,这种振动方式还可以细分为剪式振
动和面内摇摆振动。面外弯曲振动是指弯曲振动垂直于原子
所在的平面,根据原子的运动方向,又可分为面外摇摆振动
和扭曲振动。图3-26以亚甲基为例描述了上述各种振动形
式,每一种振动形式都有稳定的振动频率。当外界提供的红
外光频率正好等于基团振动频率。当外界提供的红外光频率
正好等于基团振动的某种频率时,分子就可能吸收该频率的
红外光产生吸收峰。
多原子组成的分子有许多种振动方式,因此它们的红外光谱
很复杂且各有特殊之处。
3.13.1.2决定振动频率的因素
分子振动的频率决定分子所能吸收的红外光频率,即红外吸
收峰的位置。
分子中的原子在平衡位置附近幅作周性的振动,这种情况与
经典力学中弹簧振子所作的简谐振动十分相似。因此可以借
用经典力学的Hooke定律(公式3-11)导出振动频率:
式中K为双原子形成的化学键力常数;u为两个原子的折合
质量;m1和m2分别为两个原子的质量。
因此双原子分子的振动频率与组成原子的质量以及化学键
的强度有关。如果是多原子组成的分子,我们可以把它分解
成若干个基团来研究,由于各种有机化合物的结构不同,组
成其中各基团的原子质量和化学键力常数不同,出现的吸收
频率也各不相同,因此各有其特征的红外光谱。但是,真实
分子的振动并不是严格的简谐振动,所以光谱上看到的情况
也要复杂得多。
3.13.1.3红外吸收光谱产生的条件
当一定频率的红外光照射物质时,如果分子中某一基团的振
动频率正好与其相同,物质就能吸收这一频率的红外光从低
能跃迁到较高的能级,产生红外光吸收光谱,即V光=V分。
红外吸收光谱产生的第二个条件是外界的电磁辐射(红外
光)与分子之间必须有偶合作用。外界的辐射必须把它携带
的能量转移给物质分子,才能引起分子能级的跃迁,而这种
能量的转移是通过分子振动时偶极矩的变化实现的。如果振
动时分子的偶极矩没有变化,光的能量无法转移给分子,红
外吸收光谱就不能产生,这种振动称为非红外活性的。当分
子中的原子在其平衡位置附近振动时,电荷量q并不变化,
但正负电荷中心的距离r则不断变化,偶极矩u也发生相应
的变化。对称分子的正负电荷中心重叠r为0,当对称分子
作为称振动时,正负电荷中心始终重叠,u不发生变化。因
此是非外活性,如N2、O2等。应该注意,对称分子在不对
称振动时,会产生瞬间偶极矩,因此是红外活性的。例如CO2
是一个三个原子组成的线性分子,有四种不同的振动方式:
1)对称的伸缩振动2)反对称伸缩振动3)面内弯曲振动4)
面外弯曲振动(参见图3—27)。
CO2是一个对称分子,正负电荷中心重叠,偶极矩u=0。在
振动反式1)中,正负电荷中心始终重叠,Δu=0,为非红外
活性;在振动方式2)、3)和4)中都能产生瞬间偶极矩,Δu≠0,
因此是红外活性的,能在红外吸收光谱图中产生吸收峰。但
3)、4)的振动频率相同,两种振动发生简并。所以,CO2
虽然有四种振动形式,但在红外光谱图上
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