仪器分析红外课件.ppt

1、8.1 概述概述8.2 红外吸收的基本原理红外吸收的基本原理8.3 红外光谱与分子结构的关系红外光谱与分子结构的关系8.4 红外分光光度计红外分光光度计8.5 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析(infrared absorption spectroscopy,IR)8-1 概述概述 红外光红外光区域划分区域划分区域区域 波长（波长（m）波数（波数（cm-1）能级类型能级类型近红外近红外 0.75-2.5 13000-4000 OH、NH、CH 键的倍频吸收区键的倍频吸收区中红外中红外 2.5-50 4000-400 各基团振动各基团振动远红外远红外 50-1000 400-10 分子转动分子转

2、动 利用物质对红外辐射的吸收所产生的红外吸收光谱，对物利用物质对红外辐射的吸收所产生的红外吸收光谱，对物质的组成、结构及含量进行分析测定的方法叫红外吸收光质的组成、结构及含量进行分析测定的方法叫红外吸收光谱分析法。谱分析法。不同点不同点 紫外可见吸收光谱紫外可见吸收光谱红外吸收光谱红外吸收光谱光光 源源紫外可见光紫外可见光红外光红外光起起 源源电子能级跃迁电子能级跃迁振动能级跃迁振动能级跃迁研研 究究范范 围围不饱和有机化合物不饱和有机化合物共轭双键、芳香族等共轭双键、芳香族等几乎所有有机化合物几乎所有有机化合物;许多无机化合物许多无机化合物特特 色色反映发色团、助色团的情况反映发色团、助色团

3、的情况反映各个基团的特性反映各个基团的特性特征性特征性简单、特征性不强简单、特征性不强特征性强特征性强用途用途定量；推测有机化合物共轭定量；推测有机化合物共轭骨架骨架鉴定化合物类别；鉴鉴定化合物类别；鉴定功能团；推测结构定功能团；推测结构相同点：都是分子吸收光谱，都反映分子结构的特性；相同点：都是分子吸收光谱，都反映分子结构的特性；IR与与UV-Vis的比较的比较纵坐标为吸收强度，用透光率表示纵坐标为吸收强度，用透光率表示T%,横坐标为波长横坐标为波长(m)，和波数和波数(cm-1)表示。表示。红外光谱表示方法红外光谱表示方法82 红外吸收基本原理红外吸收基本原理 辐射应具有能满足物质产生振动

4、跃迁所需的能量；辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能产生红外吸收只有能使偶极矩发生变化的振动形式才能产生红外吸收(红外活性振动）红外活性振动）。同核双原子分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外同核双原子分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外 活性。如：活性。如：N2、O2、Cl2 等；等；异核双原子分子：有偶极矩，红外活性。如：异核双原子分子：有偶极矩，红外活性。如：HCl、HBr等等。一、产生红外吸收的条件一、产生红外吸收的条件双原子分子的振动双原子分子的振动分子的振动能级（量子化）：分子的振动能级（量子化）：E振振=（+1/2）h ：振动

5、量子数，其取值为振动量子数，其取值为0，1，2，n；：化学键的振动频率。化学键的振动频率。化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧简谐振动简谐振动k为化学键的力常数，其定义为将两原子由平衡位置伸长为化学键的力常数，其定义为将两原子由平衡位置伸长单位长度时的恢复力（单位为单位长度时的恢复力（单位为Ncm-1），），为折合质量。为折合质量。基频峰和泛频峰基频峰和泛频峰基频峰：基频峰：=0 =1，基本振动频率；基本振动频率；注：注：最强，红外主要吸收峰最强，红外主要吸收峰，一般特征峰都是基频吸收；，一般特征峰都是基频吸收；倍频峰倍频峰：=0 =2，3等等 合频峰：合频

6、峰：1+2，2 1+2等等 差频峰：差频峰：2-1等等泛泛频频峰峰注：泛频峰注：泛频峰强度弱强度弱，难辨认，却增加了光谱的特征性。，难辨认，却增加了光谱的特征性。多原子分子的振动多原子分子的振动伸缩振动伸缩振动 变形振动变形振动 (弯曲振动弯曲振动)分子基本振动的理论数分子基本振动的理论数振动自由度振动自由度 理论上讲，分子的每一种振动形式都会产生一个基频吸收理论上讲，分子的每一种振动形式都会产生一个基频吸收峰，即峰，即一个多原子分子产生的基频峰的数目一个多原子分子产生的基频峰的数目=分子所有的振动分子所有的振动形式的数目；形式的数目；振动形式数目：振动形式数目：3n-6 非线性分子非线性分子

7、 3n-5 线性分子（所有分子在一条直线上）线性分子（所有分子在一条直线上）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带很弱，仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带很弱，仪器无法检测；仪器无法检测；有些吸收带落在仪器检测范围之外；有些吸收带落在仪器检测范围之外；产生各种产生各种泛频峰。泛频峰。没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收；没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收；相同频率的振动吸收重叠，即简并；相同频率的振动吸收重叠，即简并；红外吸收峰的强度红外吸收峰的强度紫外紫外 红外红外 104105 非常强非常强(vs)100 103104 较强较强 (s)20100 102103 中强中强(m)10

8、20 102 弱弱 (w)110 1 非常弱非常弱(vw)影响因素：影响因素：振动能级的跃迁概率；振动能级的跃迁概率；偶极矩的变化：偶极矩变化越大，对应的峰越强。偶极矩的变化：偶极矩变化越大，对应的峰越强。v 红外吸收红外吸收峰强度比紫外峰强度比紫外吸收峰小吸收峰小23个数量级个数量级!基团的特征吸收峰基团的特征吸收峰 通常把通常把能代表某基团存在能代表某基团存在（如：（如：O-H、C=C、C=O等），等），并有较高强度的吸收峰，称为特征吸收峰，所在的频率位并有较高强度的吸收峰，称为特征吸收峰，所在的频率位置称为基团频率；置称为基团频率；基团频率：基团频率：主要是一些伸缩振动引起的，常用于鉴定

9、某主要是一些伸缩振动引起的，常用于鉴定某 官能团是否存在。官能团是否存在。基团不同，基团频率不同。分子的其基团不同，基团频率不同。分子的其 它部分对其吸收位置影响较小；它部分对其吸收位置影响较小；相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的相关峰：由一个官能团引起的一组具有相互依存关系的 吸收峰；吸收峰；用一组相关峰来鉴定一个基团存在，是谱图解析的一个用一组相关峰来鉴定一个基团存在，是谱图解析的一个 重要原则。重要原则。8-3 红外吸收光谱与分子结构红外吸收光谱与分子结构一、一、特征区和指纹区特征区和指纹区 特征特征区区(40001300cm-1)：是由是由伸缩振动伸缩振动产生的吸收带，为

10、产生的吸收带，为化学键和基团的特征吸收峰。吸收峰较稀疏，化学键和基团的特征吸收峰。吸收峰较稀疏，容易辨认，容易辨认，是是鉴定基团存在的主要区域鉴定基团存在的主要区域；指纹区指纹区(1800600cm-1)：是由：是由单键的伸缩振动和变形振动单键的伸缩振动和变形振动产生的吸收带，相关峰常出现在指纹区。吸收峰密集、难产生的吸收带，相关峰常出现在指纹区。吸收峰密集、难辨认，辨认，能反映分子结构的细微变化能反映分子结构的细微变化。常见化合物的特征基团频率分区常见化合物的特征基团频率分区4000 2500 1900 1300(1800)600cm-1X-H伸缩振动区伸缩振动区 O-H N-H C-H S

11、-H三键和累积三键和累积双键的伸缩双键的伸缩振动区振动区 C C C N C=C=C C=C=N C=C=O双键伸缩振动区双键伸缩振动区 C=C C=O C=N芳环芳环 C=C单键的伸缩单键的伸缩振动和弯曲振动和弯曲振动区振动区 X-Y：C-O C-N N-O C-X C-C X-H：C-H O-H（1）OH 3650 3200cm-1 确定确定 醇、酚、酸醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐的强在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐的强吸收吸收(s)；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽的强吸收当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽的强吸收(s)。注意区分注意区分

12、NH伸缩振动：伸缩振动：3500 3100cm-1 XH伸缩振动区（伸缩振动区（4000 2500cm-1）（3）不饱和碳原子上的）不饱和碳原子上的=CH（CH）苯环上的苯环上的CH 3030 cm-1 =CH 3090 3010 cm-1 CH 3300 cm-1（2）饱和碳原子上的）饱和碳原子上的CH3000cm-1 以上以上 CH3 2960 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2870 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH2 2930 cm-1 反对称伸缩振动反对称伸缩振动 2850 cm-1 对称伸缩振动对称伸缩振动 CH 2890 cm-1 弱吸收弱吸收3000cm-1 以

13、下以下 以以3000为界，为界，3000以上为不饱和碳原子上的以上为不饱和碳原子上的C-H；3000以下为饱和碳原子上的以下为饱和碳原子上的C-H！叁键伸缩振动区（叁键伸缩振动区（2500 1900cm-1）在该区域出现的峰较少；在该区域出现的峰较少；（1）RC CH 2140 2100 cm-1 RC CR 2260 2190 cm-1 R=R 时，无红外活性时，无红外活性（2）RC N （2140 2100 cm-1）非共轭非共轭 2260 2240 cm-1 共轭共轭 2230 2220 cm-1 仅含仅含C、H、N时：峰较强、尖锐；时：峰较强、尖锐；有有O原子存在时；原子存在时；O越靠

14、近越靠近C N，峰越弱；峰越弱；双键伸缩振动区双键伸缩振动区(1900 1300 cm-1)（1）RC=CR 1700 1600 cm-1 强度弱，强度弱，R=R（对称对称）时，时，无红外活性。无红外活性。（2）单核芳烃的）单核芳烃的C=C键伸缩振动键伸缩振动(1650 1450 cm-1)（3）C=O（1850 1650 cm-1）碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。影响基团频率位移的因素影响基团频率位移的因素基团频率基团频率原子的质量原子的质量原子的力常数原子的力常数决定决定分子内部结构分子内部结构和外部环境和外部环境影响影响使其出现在较大的频率范围使其出现

15、在较大的频率范围内部因素内部因素 共轭效应：共轭效应：电子云密度均化，移向低波数；电子云密度均化，移向低波数；诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高波数波数方向移动；方向移动；氢键的影响：氢键的影响：降低双键特性，向低波数移动降低双键特性，向低波数移动；空间位阻：破坏空间位阻：破坏共轭体系的共平面性，向高波数移动；共轭体系的共平面性，向高波数移动；振动偶合振动偶合相邻的两个基团（其振动频率相近相邻的两个基团（其振动频率相近)，发生，发生相互振动偶合，使吸收峰分裂；相互振动偶合，使吸收峰分裂；费米共振费米共振当泛频峰与某基频峰位相近时，由于相互当泛频峰与某基频峰位相近时

16、，由于相互作用产生强吸收带或发生峰的分裂；作用产生强吸收带或发生峰的分裂；同一物质在不同状态时，分子间相互作用力不同，所得同一物质在不同状态时，分子间相互作用力不同，所得光谱往往不同；光谱往往不同；一般在气态时，伸缩振动频率最高，在液态和固态时，一般在气态时，伸缩振动频率最高，在液态和固态时，伸缩振动频率降低。伸缩振动频率降低。外部环境外部环境 同一物质在不同的溶剂中，由于溶质与溶剂间的相互作同一物质在不同的溶剂中，由于溶质与溶剂间的相互作用不同，测得的红外光谱也不相同；用不同，测得的红外光谱也不相同；通常极性基团的伸缩振动频率随溶剂极性增大向低频移通常极性基团的伸缩振动频率随溶剂极性增大向低

17、频移动且强度增大；动且强度增大；8-4 红外吸收光谱仪红外吸收光谱仪光源光源样品池样品池单色器单色器检测器检测器参比池参比池带动笔和带动笔和光楔的装置光楔的装置放大器放大器光光谱谱记记录录色散型红外吸收光谱仪色散型红外吸收光谱仪工作原理工作原理 光源：能够发射高强度连续红外辐射的物质光源：能够发射高强度连续红外辐射的物质，通常采用惰，通常采用惰性固体作光源。常用的光源有能斯特灯和性固体作光源。常用的光源有能斯特灯和硅碳棒硅碳棒；吸收池吸收池：可测定可测定固、液、气固、液、气态样品；态样品；气态：将气态样品注入抽成真空的气体样品池；气态：将气态样品注入抽成真空的气体样品池；液态：液体样品可滴在可

18、拆池两窗之间形成薄的液膜，液态：液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄的液膜，一般将液体样品注入液体吸收池中；一般将液体样品注入液体吸收池中；固态固态：13mg 固体样品固体样品+300mg KBr（光谱纯）研磨光谱纯）研磨 混匀后压成混匀后压成1mm厚的透明薄片。厚的透明薄片。注意：用于测定红外光谱的样品注意：用于测定红外光谱的样品有较高的纯度有较高的纯度(98%)，且不，且不 应含有水分。应含有水分。单色器：单色器：把复合光色散成单色光，常用的有把复合光色散成单色光，常用的有光栅光栅、棱镜；、棱镜；检测器：检测器：真空热电偶、真空热电偶、热（释）电检测器、碲镉汞检测器热（释）电检测器、碲镉汞检

19、测器。傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪干涉仪干涉仪光源光源样品室样品室检测器检测器显示器显示器绘图仪绘图仪计算机计算机干涉图干涉图光谱图光谱图FTS傅里叶变换红外光谱仪的特点傅里叶变换红外光谱仪的特点 测量时间短，扫描速度快，测量时间短，扫描速度快，1s完成全光谱扫描；完成全光谱扫描；灵敏度高，检测限可达灵敏度高，检测限可达10-910-12 g；分辨率高，波数精度可达分辨率高，波数精度可达0.01cm-1；测定精度高；测定精度高；测定光谱范围宽；测定光谱范围宽；仪器结构复杂，价格昂贵。仪器结构复杂，价格昂贵。8-5 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析一、定性分析一、定性分析已知物的鉴定

20、已知物的鉴定试样试样标样标样在相同条件下在相同条件下试样红外谱图试样红外谱图标样红外谱图标样红外谱图 对两谱图进行比较，若两谱图的吸收峰位置、形状和强度对两谱图进行比较，若两谱图的吸收峰位置、形状和强度完全一致，可认为两者为同一物质；完全一致，可认为两者为同一物质；也可按名称或分子式查标准图谱，但要注意与标准图谱测也可按名称或分子式查标准图谱，但要注意与标准图谱测定条件一致。定条件一致。新型仪器配有计算机，常用计算机进行检索，检测到样品新型仪器配有计算机，常用计算机进行检索，检测到样品的红外谱图后，计算机找出与之相配的标准物质的红外谱图。的红外谱图后，计算机找出与之相配的标准物质的红外谱图。定

21、量分析（弱项）定量分析（弱项）通过对特征吸收谱带强度的测量来求组分含量，理论依据通过对特征吸收谱带强度的测量来求组分含量，理论依据是：朗伯是：朗伯-比尔定律；比尔定律；红外光谱的谱带较多，选择余地大，能方便地对单组分或红外光谱的谱带较多，选择余地大，能方便地对单组分或多组分进行定量分析，能测定气体、液体和固体样品；多组分进行定量分析，能测定气体、液体和固体样品；通常应选择被测物质的特征吸收带，吸收带与被测物质的通常应选择被测物质的特征吸收带，吸收带与被测物质的浓度有线性关系，有较大的吸收系数；浓度有线性关系，有较大的吸收系数；红外光谱定量分析灵敏度较低，不适于微量组分的组分；红外光谱定量分析灵

22、敏度较低，不适于微量组分的组分；可用标准曲线法、内标法、求解联立方程等方法进行定量可用标准曲线法、内标法、求解联立方程等方法进行定量分析。分析。未知物结构的确定未知物结构的确定 试样的纯化：红外样品需纯度很高（试样的纯化：红外样品需纯度很高（98%以上），不含干扰以上），不含干扰测定物质。可利用各种分离手段如：分馏、萃取、重结晶、测定物质。可利用各种分离手段如：分馏、萃取、重结晶、层析等提纯试样；层析等提纯试样；了解工作：了解样品来源、外观，根据样品存在的形态选择了解工作：了解样品来源、外观，根据样品存在的形态选择适当的制样方法；观察样品的颜色和气味；注意样品的纯度适当的制样方法；观察样品的颜

23、色和气味；注意样品的纯度以及样品的元素分析，相对分子质量，熔点、沸点、溶解度、以及样品的元素分析，相对分子质量，熔点、沸点、溶解度、折光率等物理常数的测定结果折光率等物理常数的测定结果缩小结构的推测范围；缩小结构的推测范围；计算不饱和度计算不饱和度 图谱解析图谱解析 与标准图谱对照与标准图谱对照几种标准图谱集几种标准图谱集1.萨特勒（萨特勒（Sadtler）标准红外光谱集标准红外光谱集 美国美国sadtler research laborationies 编辑出版的。收集的图谱最多编辑出版的。收集的图谱最多2.分子光谱文献分子光谱文献“DMS”穿孔卡片穿孔卡片 英国和德国联合编制英国和德国联合

24、编制3.“API”红外光谱资料红外光谱资料 美国石油研究所（美国石油研究所（API）编制。主编制。主要是烃类化合物的光谱要是烃类化合物的光谱1 1、化合物、化合物的红外光谱如下图所示，试推测其结构。的红外光谱如下图所示，试推测其结构。图谱解析实例：图谱解析实例：CH2=CH-CH2-OH33001650995.920143010302900解：解：（1）计算不饱和度）计算不饱和度 =1+3+1/2（0-6）=1，可能含，可能含C=C或或C=O；（2）3300cm-1强而宽的吸收带，缔合强而宽的吸收带，缔合-OH形成的形成的 OH，醇类化合物，醇类化合物，1030 cm-1吸收峰吸收峰 C-O；

25、（3）1650 cm-1吸收峰吸收峰 C=C，含含C=C基团基团995，920 cm-1有吸收峰，说明有吸收峰，说明-CH=CH2基团；基团；（4）30002800 cm-1有吸收峰，饱和烷基有吸收峰，饱和烷基 CH吸收峰。吸收峰。1380 cm-1无吸收峰，说明不含无吸收峰，说明不含-CH3，1430 cm-1是是-CH2-的的 CH2。2 2、化合物、化合物C8H10O的红外光谱如下图所示，试推测其结构。的红外光谱如下图所示，试推测其结构。335010052935,285516151500750,700T%/cm-114603000CH2CH2OH解：解：（1）计算不饱和度）计算不饱和度

26、=1+8+1/2（0-10）=4，可能含苯环；，可能含苯环；（2）3350cm-1强而宽的吸收带，缔合强而宽的吸收带，缔合-OH形成的形成的 OH，1005 cm-1吸收峰吸收峰 C-O，醇类化合物；醇类化合物；（3）3000 cm-1多重弱峰多重弱峰 CH，1615，1500 cm-1吸收峰吸收峰 C=C；750，700 CH 单取代；单取代；（4）2935，2855 cm-1有吸收峰，饱和烷基有吸收峰，饱和烷基 CH吸收峰，吸收峰，1380 cm-1无吸收峰，说明不含无吸收峰，说明不含-CH3，1460 cm-1是是-CH2-的的 CH2。正庚烷的红外光谱图正庚烷的红外光谱图C-H伸缩振动

27、伸缩振动C-H弯曲弯曲振动振动正庚烷和正庚烷和1-辛烯的红外光谱图辛烯的红外光谱图3300cm-1 CC-H伸缩振动伸缩振动22502100cm-1 CC伸缩振动伸缩振动1-己炔红外光谱己炔红外光谱1-辛烯红外谱图辛烯红外谱图 3079cm-1=C-H伸缩振动伸缩振动 1642cm-1 C=C 伸缩振动伸缩振动 990,910cm-1-CH=CH2 弯曲振动弯曲振动反反-2-辛烯辛烯顺顺-2-辛烯辛烯700cm-1 C-H弯曲振动弯曲振动965 cm-1 1650cm-1 C=C 伸缩振动3030cm-1 苯环苯环C-H 伸缩振动伸缩振动异丙异丙苯红外光谱苯红外光谱1600cm-1，1500c

28、m-1 C=C骨架振动骨架振动苯环取代类型的吸收峰苯环取代类型的吸收峰 图谱解析的原则：先特征后指纹（图谱解析的原则：先特征后指纹（40001300cm-1特征区，特征区，鉴定官能团）、先强峰后弱峰、先否定后肯定、先粗查后鉴定官能团）、先强峰后弱峰、先否定后肯定、先粗查后细找；细找；解析图谱时的几点经验：查找基团时，先否定，以逐步缩解析图谱时的几点经验：查找基团时，先否定，以逐步缩小范围；在解析特征吸收峰时，要注意其它基团吸收峰的小范围；在解析特征吸收峰时，要注意其它基团吸收峰的干扰（干扰（3350和和1640cm-1处出现的吸收峰可能为样品中水的处出现的吸收峰可能为样品中水的吸收）；吸收）；图中的吸收峰往往不可能全部解析，特别是指纹区；图中的吸收峰往往不可能全部解析，特别是指纹区；掌握主要基团的特征吸收掌握主要基团的特征吸收