红外光谱原理及应用课件.ppt
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- 红外 光谱 原理 应用 课件
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1、红外光谱原理及应用红外光谱原理及应用一、红外基本原理一、红外基本原理 一定频率的红外线经过分子时,被分子一定频率的红外线经过分子时,被分子中相同振动频率的键振动吸收,记录所得透中相同振动频率的键振动吸收,记录所得透过率的曲线称为过率的曲线称为红外光谱图红外光谱图红外基本原理红外基本原理分子中基团的振动和转动能级跃迁产生:分子振动分子中基团的振动和转动能级跃迁产生:分子振动-转动光谱转动光谱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 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,分子吸收某些频率的子吸收某些频率的辐射辐射,
2、并由其振动运动或转动运,并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化,动引起偶极矩的净变化,产生的分子振动和转动能产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁级从基态到激发态的跃迁,相应于这些区域的透射,相应于这些区域的透射光强减弱,记录光强减弱,记录T%对波数或波长的曲线,即为红对波数或波长的曲线,即为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。外光谱。又称为分子振动转动光谱。红外光谱的表示方法红外光谱的表示方法以透过率以透过率T 或或T 来表示:来表示:/cm1=104/(/m)T(%)=I/I0100%,I透过强度,透过强度,I0入射强度入射强度苯酚的红外光谱苯酚的红外光谱T(%)红外光谱的区域红外
3、光谱的区域红外光谱的区域红外光谱的区域o 近红外区(泛频区近红外区(泛频区131584000cm-1):):-OH,-NH,-CH的特征吸收区(组成及定量分析)的特征吸收区(组成及定量分析)o 中红外区(基本振动区中红外区(基本振动区4000400cm-1):):绝大多数有机和无机化合物的化学键振动基频区(分绝大多数有机和无机化合物的化学键振动基频区(分 子中原子的振动及分子转动),子中原子的振动及分子转动),化合物鉴定的重要区域化合物鉴定的重要区域o 远红外区(转动区远红外区(转动区40010cm-1):):金属有机化合物的键振动(分子转动、晶格振动金属有机化合物的键振动(分子转动、晶格振动
4、)红外特征吸收产生的条件及其特异性红外特征吸收产生的条件及其特异性o 产生红外特征吸收的必要条件:产生红外特征吸收的必要条件:辐射光子应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量辐射光子应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量辐射与物质间有相互耦合作用辐射与物质间有相互耦合作用对称分子:对称分子:无偶极矩,辐无偶极矩,辐射不能引起共振,无红外射不能引起共振,无红外活性。活性。N2、O2、Cl2等。等。拉曼光谱拉曼光谱非对称分子:非对称分子:有偶极矩,有偶极矩,有红外活性有红外活性红外特征吸收产生的条件红外特征吸收产生的条件红外光谱红外光谱双原子分子中化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧:双原子分子中化
5、学键的振动类似于连接两个小球的弹簧:红外特征吸收产生的特异性红外特征吸收产生的特异性k 化学键力常数。反映化学键强弱,键对变形、伸展运动的阻力。化学键力常数。反映化学键强弱,键对变形、伸展运动的阻力。双原子分子的折合质量双原子分子的折合质量任意两个相邻的能级间的能量差为:任意两个相邻的能级间的能量差为:o 化学键键强越强(即键的力常数化学键键强越强(即键的力常数k越大)、原子折合质越大)、原子折合质量越小,则化学键的振动频率越大,吸收峰将出现在高量越小,则化学键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区波数区 在一般情况下,分子的转动和振动处于基态在一般情况下,分子的转动和振动处于基态 当物质被红
6、外光照射时,分子的转动和振动将吸收红外当物质被红外光照射时,分子的转动和振动将吸收红外光而发生能级跃迁光而发生能级跃迁 特定分子或化学键吸收特定频率的红外光,特定分子或化学键吸收特定频率的红外光,称之为基团或化学键的特性频率称之为基团或化学键的特性频率o 不同基团或化学键的特性频率不同;不同基团或化学键的特性频率不同;o 同一基团或化学键的特性频率在不同物质中出现时吸收同一基团或化学键的特性频率在不同物质中出现时吸收位置相对固定位置相对固定。主要有机基团红外振动特征频率主要有机基团红外振动特征频率o 饱和烃:饱和烃:2800-3000cm-1,归属为,归属为-CH3,-CH2,-CH中中C-H
7、的伸缩振动的伸缩振动o 烯烃:烯烃:1650 cm-1,归属为,归属为C=C的伸缩振动的伸缩振动o 炔烃:炔烃:2100 cm-1,归属为,归属为CC的伸缩振动的伸缩振动o 酮、醛、酸或酰胺中的羰基:酮、醛、酸或酰胺中的羰基:1700 cm-1o 脂肪化合物中的脂肪化合物中的-OH的振动吸收:的振动吸收:3600-3700 cm-1o 无机盐中基团的红外吸收无机盐中基团的红外吸收 无机物固体在中红外区无机物固体在中红外区(400-4000cm-1)有指纹振动吸有指纹振动吸收,反映结构的短程有序度收,反映结构的短程有序度 表征催化剂的结构、组成表征催化剂的结构、组成红外光谱中的重要波段红外光谱中
8、的重要波段o 特征区:特征区:即即化学键和基团的特征振动频率区。化学键和基团的特征振动频率区。在该区域在该区域出现的吸收峰一般用于鉴定官能团的存在,特征吸收峰出现的吸收峰一般用于鉴定官能团的存在,特征吸收峰发生在发生在4000 1333 cm-1的区域。这些吸收峰特征性强,的区域。这些吸收峰特征性强,比较稀疏,容易辨认,因此把这一区域叫特征谱带区。比较稀疏,容易辨认,因此把这一区域叫特征谱带区。o 指纹区:指纹区:红外吸收光谱中红外吸收光谱中1333-400 cm-1的低频区通常称的低频区通常称为指纹区为指纹区。该区域出现的谱带主要是单键的伸缩振动以。该区域出现的谱带主要是单键的伸缩振动以及各
9、种弯曲振动引起的。这一区域谱带特别密集,对分及各种弯曲振动引起的。这一区域谱带特别密集,对分子结构的变化极为敏感,结构上的微小变化往往导致光子结构的变化极为敏感,结构上的微小变化往往导致光谱上的显著不同,如同人的指纹一样。谱上的显著不同,如同人的指纹一样。吸收峰的强度吸收峰的强度o 红外吸收峰强度通常用峰高和峰面积表示,峰高或峰面红外吸收峰强度通常用峰高和峰面积表示,峰高或峰面积越大,吸收强度越大。积越大,吸收强度越大。o 红外吸收强度(用摩尔吸光系数表示)与偶极距随核间红外吸收强度(用摩尔吸光系数表示)与偶极距随核间距变化率的平方成正比距变化率的平方成正比 根据这一原则,可以定性地说,振动过
10、根据这一原则,可以定性地说,振动过程中偶极矩变化幅度越大,吸收强度越大。程中偶极矩变化幅度越大,吸收强度越大。分子中基团的基本振动形式分子中基团的基本振动形式甲基的振动形式甲基的振动形式伸缩振动伸缩振动 甲基:甲基:变形振动变形振动 甲基甲基对称对称s s(CH(CH3 3)1380)1380-1-1 不不对称对称asas(CH(CH3 3)1460)1460-1-1对称对称 不对称不对称s s(CH(CH3 3)asas(CH(CH3 3)2870 2870-1-1 2960 2960-1-1 (CH3)1460 cm-1,1375 cm-1。(CH3)2930 cm-1,2850cm-1。
11、C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC各类有机化合物的特征吸收简介各类有机化合物的特征吸收简介烷烃烷烃甲基环己烷的红外光谱图甲基环己烷的红外光谱图C-H伸缩振动伸缩振动3000cm-1 C-H弯曲振动弯曲振动烯烃烯烃环己烯的红外光谱图环己烯的红外光谱图=C-H伸缩振动伸缩振动3000cm-1-C-H伸缩振动伸缩振动C=C伸缩振动伸缩振动16701640cm-1C-H弯曲振动弯曲振动芳烃芳烃乙苯的红外光谱图乙苯的红外光谱图苯环的苯环的=C-H伸缩振动伸缩振动烷基烷基-C-H伸缩振动伸缩振动苯环的骨架振动苯环的骨架振动16001450cm-1C-H弯曲振动弯曲振动
12、醇和酚醇和酚1-己醇的红外光谱己醇的红外光谱缔合缔合O-H伸缩振动伸缩振动34003200cm-1-C-H伸缩振动伸缩振动缔合缔合O-H伸缩振动伸缩振动苯酚的红外光谱图苯酚的红外光谱图苯环的骨架振动苯环的骨架振动苯环的苯环的=C-H伸缩振动伸缩振动醛和酮醛和酮戊醛的红外光谱图戊醛的红外光谱图C=O伸缩振动伸缩振动1720cm-1醛基的醛基的C-H伸缩振动伸缩振动2820cm-1 2720cm-1-C-H伸缩振动伸缩振动羧酸羧酸戊酸的红外光谱图戊酸的红外光谱图C=O伸缩振动伸缩振动缔合缔合O-H伸缩振动伸缩振动33002500cm-1酯酯C=O伸缩振动伸缩振动C-O伸缩振动伸缩振动丁酸乙酯的红外
13、光谱丁酸乙酯的红外光谱-C-H伸缩振动伸缩振动摄取红外吸收光谱的工具摄取红外吸收光谱的工具红外光谱仪红外光谱仪红外光谱仪红外光谱仪第一代红外光谱仪:人工晶体棱镜作色散元件第一代红外光谱仪:人工晶体棱镜作色散元件第二代红外光谱仪:光栅作色散元件第二代红外光谱仪:光栅作色散元件第三代红外光谱仪:以干涉仪为分光器第三代红外光谱仪:以干涉仪为分光器傅立叶傅立叶 变换红外光谱仪(变换红外光谱仪(FT-IR)第四代红外光谱仪:用可调激光光源第四代红外光谱仪:用可调激光光源以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处:以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处:o 需采用狭缝,光能量受到限制;需采用狭缝,光能量受到限制;
14、o 扫描速度慢,不适于动态分析及和其它仪扫描速度慢,不适于动态分析及和其它仪 器联用;器联用;o 不适于过强或过弱的吸收信号的分析。不适于过强或过弱的吸收信号的分析。傅立叶变换红外光谱仪傅立叶变换红外光谱仪利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光 度仪度仪特点:特点:检测器直接检测样品与红外光的干涉光,无光栅和单色检测器直接检测样品与红外光的干涉光,无光栅和单色器,能量高、响应快。与时间分辨技术配合,可以跟踪毫微器,能量高、响应快。与时间分辨技术配合,可以跟踪毫微秒级瞬时过程。其能量大、灵敏度和分辨率,准确度均高。秒级瞬时过程。其能量大、灵敏度和分辨
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