第十章红外吸收光谱分析.课件.ppt
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1、第第1010章章 红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法 Infrared absorptiun spectroscopy IR主要内容主要内容第一节第一节 概述概述第二节红外吸收基本理论第二节红外吸收基本理论 第三节第三节 红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪第四节红外吸收光谱分析第四节红外吸收光谱分析第一节第一节 概概 述述 红外光谱是根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法。一、红外光区的划分及主要应用一、红外光区的划分及主要应用 红外光谱在可见光和微波光区之间,其波长范围约红外光谱在可见光和微波光区之间,其波长范围约0.781000m。根据能量与可见光的接近程度,习惯上。根据能量与可
2、见光的接近程度,习惯上按红外光波长,将红外光谱分成三个区域:按红外光波长,将红外光谱分成三个区域:近红外(泛频区)近红外(泛频区) 0.782.5m 120004000cm-1 中红外(基本振动区)中红外(基本振动区) 2.550m 4000200cm-1远红外(转动区)远红外(转动区) 501000m 20010cm-1二、红外光谱法特点二、红外光谱法特点 红外光谱不涉及分子的电子能级,主要是振动能级红外光谱不涉及分子的电子能级,主要是振动能级跃迁(当然还有转动能级的跃迁)。跃迁(当然还有转动能级的跃迁)。2. 涉及绝大多数有机物;涉及绝大多数有机物;3、红外光谱的结构信息丰富、红外光谱的结
3、构信息丰富;4、物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗、物质对红外辐射的吸收强度与物质含量的关系符合朗伯比尔定律,可以定量分析,但一般只做结构分析。伯比尔定律,可以定量分析,但一般只做结构分析。 5、非破坏性分析。、非破坏性分析。 IR UV起源起源 分子振动能级伴随转动能级跃迁 分子外层价电子能级跃迁适用适用 所有红外吸收的有机化合物 具n-*跃迁有机化合物 具-*跃迁有机化合物特征性特征性 特征性强 简单、特征性不强用途用途 鉴定化合物类别 定量 鉴定官能团 推测有机化合物共轭骨架 推测结构三、红外光谱图表示方法三、红外光谱图表示方法以透射比以透射比T为纵坐标,以波长为纵坐标,以波
4、长( m )或波数)或波数1/( ,cm-1)为横坐标作图得到红外吸收光谱图。)为横坐标作图得到红外吸收光谱图。从红外光谱图上得到的信息:从红外光谱图上得到的信息:峰的数目:与分子中基团有关峰的数目:与分子中基团有关峰的形状:宽窄;结构定性的辅助手段峰的形状:宽窄;结构定性的辅助手段峰的位置:结构定性的主要依据峰的位置:结构定性的主要依据峰的强度:高低,结构定性的辅助手段,可作为峰的强度:高低,结构定性的辅助手段,可作为定量依据定量依据第二节红外吸收基本理论第二节红外吸收基本理论 一、分子的振动与振动能级一、分子的振动与振动能级1、谐振子(、谐振子(harmonic oscillator)对简
5、单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双对简单的双原子分子的振动可以用谐振子模型来模拟双原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。原子分子的化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧。弹簧的力常数弹簧的力常数k来代表化学键的强度(来代表化学键的强度(N/cm)。)。谐振子的振动频率(经典力学的计算方法)谐振子的振动频率(经典力学的计算方法)根据虎克定律:根据虎克定律:关于力常数关于力常数k:化学键的强度可以用化学键的强度可以用k来形象描述,同类原子组成的化学来形象描述,同类原子组成的化学键,折合质量相同,频率取决于键,折合质量相同,频率取决于k.如:如:CC,k=5 N/cm,频率频率11
6、90 cm-1 CC, 10 1685 CC , 15 2062 如果化学键相同,原子质量决定频率。如果化学键相同,原子质量决定频率。如:如:CH, 2920 CC, 1190对于双原子分子(谐振子)的振动能量:要用量子力学对于双原子分子(谐振子)的振动能量:要用量子力学来处理来处理注意:注意:(1)对于双原子分子,其振动频率可以采用经典力学的)对于双原子分子,其振动频率可以采用经典力学的方法计算,但振动的能量是量子化的,必须根据量子力方法计算,但振动的能量是量子化的,必须根据量子力学的方法处理。学的方法处理。(2)能级等间隔,都是)能级等间隔,都是hv。(3)双原子分子(谐振子)的振动能级的
7、跃迁选律)双原子分子(谐振子)的振动能级的跃迁选律(Vibrational Selection Rule):Dn = 12、非谐振子、非谐振子实际上双原子分子不是理想的谐振子,原因有俩:实际上双原子分子不是理想的谐振子,原因有俩:(1)电子云的排斥,两个原子靠的越近,斥力越大;)电子云的排斥,两个原子靠的越近,斥力越大;(2)两个原子之间的距离增大到一定程度后,分子解离。)两个原子之间的距离增大到一定程度后,分子解离。因此双原子分子应该看成是非谐振子。从势能图上看区因此双原子分子应该看成是非谐振子。从势能图上看区别!别! 讨论讨论:(1)振动能级之间的能级差能量较小,分子在振动能级)振动能级之
8、间的能级差能量较小,分子在振动能级之间跃迁吸收红外光辐射;之间跃迁吸收红外光辐射;(2)从)从v=0跃迁至跃迁至v1产生的吸收谱线称为产生的吸收谱线称为基本谱带或基本谱带或基频峰基频峰;(3)从)从v0跃迁至跃迁至v2产生的吸收谱带称为产生的吸收谱带称为倍频峰倍频峰,跃,跃迁至迁至v2称为第一倍频峰,称为第一倍频峰,v3称为第二倍频峰;倍频称为第二倍频峰;倍频峰的频率不是基频峰的整数倍,而是略小。峰的频率不是基频峰的整数倍,而是略小。(4)基频峰跃迁几率大,峰最强,倍频峰较弱)基频峰跃迁几率大,峰最强,倍频峰较弱二、分子的振动方式二、分子的振动方式 构成分子的原子不是静止不动的,原子在其平衡位
9、置构成分子的原子不是静止不动的,原子在其平衡位置做相对运动,从而产生振动!原子与原子之间的相对运做相对运动,从而产生振动!原子与原子之间的相对运动无非有两种情况,即:键长发生变化(伸缩振动,动无非有两种情况,即:键长发生变化(伸缩振动,Stretch),键角发生变化(弯曲振动,键角发生变化(弯曲振动,Bend)1、对于双原子分子:没有弯曲振动,只有一个伸缩振动对于双原子分子:没有弯曲振动,只有一个伸缩振动伸缩振动:伸缩振动:change in bond length弯曲振动:弯曲振动:change in bond angle先看一下伸缩振动:也两种情况:对称和不对称伸缩先看一下伸缩振动:也两种
10、情况:对称和不对称伸缩以亚甲基以亚甲基CH2为例为例(动画动画)2 2、对于多原子分子来说,情况比较复杂、对于多原子分子来说,情况比较复杂n nsn nassymmetricasymmetric再看一下弯曲振动:键角发生变化而键长不变再看一下弯曲振动:键角发生变化而键长不变两类:面内弯曲振动两类:面内弯曲振动r rd dscissoringwagging面外弯曲振动面外弯曲振动w wt ttwisting/torsionrocking三、分子的振动自由度三、分子的振动自由度分子振动形式的多少称为振动的自由度,换句话说,振分子振动形式的多少称为振动的自由度,换句话说,振动自由度就是分子的独立的振
11、动数目。动自由度就是分子的独立的振动数目。如何计算分子的振动自由度?如何计算分子的振动自由度?1 1、如果一个分子有、如果一个分子有N N个原子,在三维空间里(个原子,在三维空间里(x,y,zx,y,z) ),每个原子的运动自由度为每个原子的运动自由度为3 3,N N个原子的总运动自由度个原子的总运动自由度(运动数目)(运动数目)3N3N。2 2、分子在空间的运动形式有三种:平动,转动,振动、分子在空间的运动形式有三种:平动,转动,振动(1 1)平动:分子作为一个整体在空间平移。)平动:分子作为一个整体在空间平移。有三种平动方式,平动自由度为有三种平动方式,平动自由度为3 3(2 2)转动:分
12、子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。)转动:分子在空间围绕一个通过其质心的轴转动。对于线形分子:对于线形分子:有两种转动方式,转动自由度为有两种转动方式,转动自由度为2 2对于非线形分子:对于非线形分子:有三种转动方式,转动自由度为有三种转动方式,转动自由度为3 3(3 3)振动)振动因此:对于有因此:对于有N N个原子的分子来说,总的运动自由度平个原子的分子来说,总的运动自由度平动自由度转动自由度振动自由度动自由度转动自由度振动自由度3N3N振动自由度运动自由度平动自由度转动自由度振动自由度运动自由度平动自由度转动自由度对于线性分子:振动自由度对于线性分子:振动自由度3N5对于非线性分子:振
13、动自由度对于非线性分子:振动自由度3N6例如:例如:H2,双原子分子,双原子分子,3N51H2O,三原子分子,非线性,三原子分子,非线性,3N63 (动画)(动画)vsvasdCO2,三原子分子,线性,三原子分子,线性,3N54 (动画动画)+-dt例如:苯,例如:苯,3N3N6 63030种,实际上苯的红外谱图上只有几种,实际上苯的红外谱图上只有几个吸收峰!个吸收峰!说明:不单苯,许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目说明:不单苯,许多化合物在红外谱图上的吸收峰数目要远小于其振动自由度(理论计算值)。要远小于其振动自由度(理论计算值)。原因原因:(1):(1)相同频率的峰重叠,即简并;(相同频率
14、的峰重叠,即简并;(2 2)频率接近或)频率接近或峰弱,仪器检测不出;(峰弱,仪器检测不出;(3 3)有些吸收峰落在仪器的检测)有些吸收峰落在仪器的检测范围之外;范围之外;(4 4)并不是所有的振动都产生红外吸收!)并不是所有的振动都产生红外吸收!那么什么情况下的振动产生红外吸收?那么什么情况下的振动产生红外吸收?我们在光学导论提到过,光是电磁波(电场磁场)我们在光学导论提到过,光是电磁波(电场磁场)分子也有电场(偶极矩),分子中的原子在做振动时,偶分子也有电场(偶极矩),分子中的原子在做振动时,偶极矩会发生变化。极矩会发生变化。红外吸收的产生是由于分子电场和红外光电场的相互耦合红外吸收的产生
15、是由于分子电场和红外光电场的相互耦合作用!作用!重点讨论重点讨论分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件:分子吸收红外辐射必须同时满足以下两个条件:(1 1)辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。)辐射应具有刚好满足振动跃迁所需的能量。(2 2)只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红)只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能吸收红外辐射(辐射与物质间有相互偶合作用)。外辐射(辐射与物质间有相互偶合作用)。A A、对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红、对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。外活性。 如:如:N N2 2、O O2 2、ClCl2 2 等。等。B B、非对称分
16、子:有偶极矩,红外活性。、非对称分子:有偶极矩,红外活性。四、影响吸收峰强度的因素四、影响吸收峰强度的因素1 1、峰强度的划分:按照吸光系数划分、峰强度的划分:按照吸光系数划分100,极强20100,强1020,中1对称伸缩,伸缩对称伸缩,伸缩弯曲弯曲五、基团振动与红外吸收光谱五、基团振动与红外吸收光谱注意两个问题:注意两个问题:(1 1)红外光谱的产生是由于分子振动能级的跃迁)红外光谱的产生是由于分子振动能级的跃迁(2 2)分子对红外光的吸收频率与分子振动的频率相匹配)分子对红外光的吸收频率与分子振动的频率相匹配kkc1307211=吸收有规律可循吸收有规律可循(1 1)各种基团的振动频率不
17、一样各种基团的振动频率不一样,因此其对红外光的吸,因此其对红外光的吸收频率也不一样。每种基团(原子团)都有特征的红外收频率也不一样。每种基团(原子团)都有特征的红外吸收光谱,或者说同一基团的吸收光谱,或者说同一基团的IRIR吸收峰总是出现在相近吸收峰总是出现在相近的吸收波长范围内,无论该基团是在什么样的分子结构的吸收波长范围内,无论该基团是在什么样的分子结构中。中。(2 2)可想而知,)可想而知,同一基团在不同的化学环境中其吸收峰同一基团在不同的化学环境中其吸收峰会发生变化。会发生变化。如羰基如羰基CO,红外吸收峰在,红外吸收峰在1700cm-1附近附近当当 RCOH 1730 RCOOH 1
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