材料研究法方法课件：17红外光谱IR课件（第一章）.ppt

1、 Infrared Spectrometry （IR）一、概述一、概述 二、红外光区的划分二、红外光区的划分三、红外吸收产生的原理三、红外吸收产生的原理四、红外分析方法四、红外分析方法五、基团振动频率与特征吸收峰五、基团振动频率与特征吸收峰六、典型的红外光谱六、典型的红外光谱七、红外光谱解析七、红外光谱解析23吸收光谱紫外光谱 UV红外光谱 IR核磁共振谱 NMR非吸收光谱 质谱 MS常用的波谱法光谱的一般知识光谱的一般知识 组成物质的原子和分子都以各种不同的组成物质的原子和分子都以各种不同的形式运动着。红外光谱属于形式运动着。红外光谱属于分子振动光谱分子振动光谱。4定义定义: : 红外光谱法

2、红外光谱法( (Infrared absorption Infrared absorption spectrumspectrum，IRIR）是利用红外分光光度计测量）是利用红外分光光度计测量物质对红外光的吸收及所产生的红外吸收光物质对红外光的吸收及所产生的红外吸收光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法。谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法。5 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并使得这些吸收区域的子吸收了某些频率的辐射，并使得这些吸收区域的透射光强度减弱。透射光强度减弱。 记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线，记录红外

3、光的百分透射比与波长关系的曲线，即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。 记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线，记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线，即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。 横坐标表示吸收峰的位置，用波长（横坐标表示吸收峰的位置，用波长（，m)m)及波数及波数( ( , , cmcm-1-1) )两种标度；纵坐标为透过率两种标度；纵坐标为透过率T T6T T透光率，透光率，T=I/IT=I/I0 0,I,I0 0为入射光的为入射光的强度，强度，I I为透过光的为透过光的强度。强度。 波数，每厘

4、米波数，每厘米距离包含波长的个数距离包含波长的个数, , 1/1/ （cmcm）10104 4/ / ( ( m)m)红外光谱英文为红外光谱英文为 Infrared Spectrometry (IR) Infrared Spectrometry (IR)样品吸收红外辐射的主要原因是：样品吸收红外辐射的主要原因是： 分子中的化学键分子中的化学键因此因此, IR, IR可用于鉴别化合物中的化学键类型，可可用于鉴别化合物中的化学键类型，可对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也适用于非晶质物质。适用于非晶质物质。应用：有机化合物的结构解析应用：有机化合物的

5、结构解析定性：基团的特征吸收频率定性：基团的特征吸收频率定理：特征峰的强度定理：特征峰的强度78 红外辐射（或红外光）是波长接近于可见光红外辐射（或红外光）是波长接近于可见光但能量比可见光低的电磁辐射，其波长范围约为但能量比可见光低的电磁辐射，其波长范围约为0.75-1000m，位于可见光与微波之间。根据产，位于可见光与微波之间。根据产生、分离和探测这些辐射所采用的方法以及它的生、分离和探测这些辐射所采用的方法以及它的用途，将红外光分成近红外、中红外和远红外三用途，将红外光分成近红外、中红外和远红外三个波区。个波区。9区域区域(m)(cm-1 ) (Hz)能级跃迁类型能级跃迁类型近红外近红外0

6、.752.51315840004.01014 1.21014 OH、NH及及CH键键倍频吸收区倍频吸收区中红外中红外2.52540004001.21014 6.01012分子振动及原分子振动及原子转动子转动远红外远红外251000400106.01012 3.01011 骨架振动、骨架振动、分子转动分子转动最常用最常用2.51540006701.21014 2.01013绝大多数有机物和无机离子的化学键基频吸收都出现绝大多数有机物和无机离子的化学键基频吸收都出现在中红外区。通常说的红外光谱实指中红外光谱区在中红外区。通常说的红外光谱实指中红外光谱区101 1、分子与光谱、分子与光谱 电磁波（光

7、）与原子作用时会产生其特电磁波（光）与原子作用时会产生其特征的原子光谱，它主要是由原子外层电子能征的原子光谱，它主要是由原子外层电子能级跃迁而产生的辐射或吸收；级跃迁而产生的辐射或吸收； 分子由原子组成，电磁波照射分子时，分子由原子组成，电磁波照射分子时，分子中电子能级和振转动能级的跃迁亦产分子中电子能级和振转动能级的跃迁亦产生辐射和吸收，形成分子光谱。生辐射和吸收，形成分子光谱。11原子或分子的能级跃迁：原子或分子的能级跃迁： 初始态能级：初始态能级：E E1 1 激发态能级：激发态能级：E E2 2 E E1 1EE2 2: :吸收电磁波（光），获得吸收光谱；吸收电磁波（光），获得吸收光谱

8、； E E2 2EE1 1: :辐射电磁波（光），获得发射光谱；辐射电磁波（光），获得发射光谱； 波尔（波尔（BohrBohr）频率方程式：）频率方程式： E E2 2E E1 1h h hchc/ /= =hchc 从上式可看出，若两能级间的能量差越大，从上式可看出，若两能级间的能量差越大，所吸收或发射的频率越高（波数越大，波长越所吸收或发射的频率越高（波数越大，波长越短）；反之，则相反。短）；反之，则相反。12 分子能级：电子能级、分子分子能级：电子能级、分子振动能级、分子转动能级。每振动能级、分子转动能级。每种类型都有一定的基态和一列种类型都有一定的基态和一列或多列激发态或多列激发态。分

9、子能级分子能级 间隔间隔 能级差能级差( (eVeV) ) 吸收的辐射能吸收的辐射能光谱光谱电子能级电子能级 最大最大 1 12020可见光和紫外可见光和紫外电子光谱电子光谱振动能级振动能级 小些小些 0.05-10.05-1中红外区中红外区振动光谱振动光谱转动能级转动能级 最小最小 0.001-0.050.001-0.05 远红外和微波区远红外和微波区 转动光谱转动光谱分子中基团的振动和转动能分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振级跃迁产生：振- -转光谱。转光谱。13 分子的振动所需的能量远大于分子的转动所需的分子的振动所需的能量远大于分子的转动所需的能量，因此对应的红外吸收频率也有差异：

10、能量，因此对应的红外吸收频率也有差异： 远红外区：波长长，能量低，对应分子的转动吸收远红外区：波长长，能量低，对应分子的转动吸收 中红外区：波长短，能量高，对应分子的振动吸收中红外区：波长短，能量高，对应分子的振动吸收 近红外区：能量更高，对应分子的倍频吸收（从基近红外区：能量更高，对应分子的倍频吸收（从基态第二或第三振动态）态第二或第三振动态）辐射辐射 分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁 红外光谱红外光谱 官能团官能团 分子结构分子结构以双原子分子的振动模式（谐振子模型），进行理论推导：以双原子分子的振动模式（谐振子模型），进行理论推导：虎克定律：虎克定律：F = - kx牛顿第二定律：牛顿第

11、二定律：F = ma = m 则则 m = - kx（1） x = A cos (2 v t + ) （2） v = 用波数表示用波数表示 = （3）对双原子分子来说，约合质量对双原子分子来说，约合质量 = 代替代替m： = cc2 2、双原子分子的振动、双原子分子的振动 发生振动能级跃迁需要的能量的大小取决于键两端原发生振动能级跃迁需要的能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。m1m2K双 原 子 分 子 伸 缩 振 动 示 意 图15 根据公式及红外光谱测量数据，可以测量各种化学键根据公式及红外光谱测量数据

12、，可以测量各种化学键力常数力常数k k。一般说来，单键的键力常数的平均值约为。一般说来，单键的键力常数的平均值约为5 510102 2N/cmN/cm，而双键和三键的键力常数分别大约是此值，而双键和三键的键力常数分别大约是此值的二倍和三倍。的二倍和三倍。 相反，利用这些实验得到的键力常数的平均值和公相反，利用这些实验得到的键力常数的平均值和公式，可以估算得到各种键型的基频吸收峰的波数。式，可以估算得到各种键型的基频吸收峰的波数。键力常数键力常数k k与键能有关与键能有关单键：单键：k = 4610 N/m2双键：双键：k = 81010 N/m叁键：叁键：k =121810 N/m216例如：

13、羰基例如：羰基C=OC=O的伸缩振动键的伸缩振动键 K12K1210102 2 N/m N/m， 实验测得实验测得C=OC=O的实际波数在的实际波数在185018501650cm1650cm-1-1之间之间（随所处的化学环境而变）。（随所处的化学环境而变）。 因此，可以把双原子作为一个谐振子，讨论双因此，可以把双原子作为一个谐振子，讨论双原子分子的振动，能够说明振动光谱的主要特征。原子分子的振动，能够说明振动光谱的主要特征。Kc2132121101Nmmmm17另外另外kkckhkhE130721122从公式可得出，从公式可得出，k k越大，越大，越小，化学键的振越小，化学键的振动频率越高，吸

14、收峰将出现在高波数（动频率越高，吸收峰将出现在高波数（）区；）区；相反，则出现在低波数区（高波长区）。相反，则出现在低波数区（高波长区）。如：如： k k减小，减小，相同：相同： k: CC C=C CCk: CC C=C CC : 2222 1667 1429: 2222 1667 1429； k k接近，接近，增大增大: : : CC CN CO : CC CN =4)66Vs（CH2）：）：2850cm1Vas （CH2） ：2925cm1 （CH2）：）：1465cm1r （CH2） ：770cm1PE的支化的支化： CH2CH2CH3730cm1：结晶峰：结晶峰671原始珍珠岩原始珍

15、珠岩2改性珍珠岩改性珍珠岩填料填料3人工混匀的人工混匀的珍珠岩珍珠岩68 一般程序是先官能团区，后指纹区；先强峰后弱峰；先否一般程序是先官能团区，后指纹区；先强峰后弱峰；先否定后肯定。定后肯定。 首先在官能团区（首先在官能团区（40001300cm-1）搜寻官能团的特征）搜寻官能团的特征伸缩振动，再根据指纹区的吸收情况，进一步确认该基团的伸缩振动，再根据指纹区的吸收情况，进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物，应存在以及与其它基团的结合方式。如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置。最后再结合样品的其它分析资料，综合定出苯环取代位置。最后再结合样品的其它分析资料，综合

16、判断分析结果，提出最可能的结构式，然后用已知样品或标判断分析结果，提出最可能的结构式，然后用已知样品或标准图谱对照，核对判断的结果是否正确。准图谱对照，核对判断的结果是否正确。691 . 已知物的鉴定将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样或峰位不一致，则说明两者有差异或者样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。702 . 未知物结构的测定 测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通过两种方式利用标准谱图进行查对：

17、（1）查阅标准谱图的谱带索引，寻找与试样光谱吸收带相同的标准谱图；（2）进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后再由化学分类索引查找标准谱图对照核实。71几种红外标准谱图库： （1）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图美国sadtler research laborationies 编辑出版的。收集的图谱最多 （2）Aldrich红外谱图库 （3）Sigma Fourier红外光谱图库 网上有这些资源，可以查询。72 下图为在下图为在Sadtler数据库中，检索到的三苯数据库中，检索到的三苯基甲醇的基甲醇的Sadtler标准红外光谱图：标准红外光谱图： 7374判断有无醇类、酚判断有无醇类、酚

18、类和有机酸的依据类和有机酸的依据CH3，CH2的反对的反对称伸缩振动称伸缩振动CH3 的特征吸收的特征吸收75丁苯丁苯共聚物共聚物31003000cm-1：苯环或烯类苯环或烯类C-H的伸缩振动的伸缩振动谱图分析谱图分析15001480cm-1（强）（强）16001580cm-1（弱）（弱）苯环骨架苯环骨架振动振动690cm-1760cm-1单取代苯单取代苯C-H的面外弯曲的面外弯曲16602000cm-1一系列低强度谱带：一系列低强度谱带：C-H的的倍频和合频倍频和合频单取代苯单取代苯30002800cm-1：饱和饱和C-H的伸缩振动的伸缩振动1450cm-1：-CH2-的弯曲振动的弯曲振动965cm-1：反式反式1,4-聚丁二烯聚丁二烯的的C=C-H的面外弯曲的面外弯曲990，910cm-1：1,2-聚丁二烯聚丁二烯的的C=C-H的面外弯曲的面外弯曲丁二烯丁二烯反式反式C=C-H