TH仪器分析2006-3-4a红外分析.ppt

清华大学化学系 仪器分析 第三讲红外光谱分析方法 朱永法 清华大学化学系 zhuyf@mail.tsinghua.edu.cn 红外光谱法 2.1 红外光谱法概述 2.2 红外吸收的基本原理 2.3 红外光谱仪 2.4 红外光谱测定中的样品处理技术 2.5 红外光谱与分子结构的关系 2.6 红外光谱的定量分析应用 红外光谱法的概述发展历史 19世纪初 ?红外光的存在 二十世纪初 ?不同官能团有不同红外吸收频率 1950年以后 ?自动记录式红外分光光度计 1970年以后 ?傅立叶变换型红外光谱仪 红外测定技术不断发展和完善 红外光谱法的概述基础知识 红外光谱属于分子振动和转动光谱，主要与分子的结构有关 能产生偶极距变化的分子均可以产生红外吸收；除单原子分子以及同核分子以外的分子均可以具有特征吸收。（F，N2） 红外光谱的吸收频率，吸收峰的数目以及强度均与分子结构有关，因此可以用来鉴定未知物质的分子结构和化学基团 此外，还与晶体的振动和转动有关；（材料科学研究较多） 红外光谱法的概述应用和特点 应用： 有机化合物结构解析的重要手段之一 优点 ： 每种化合物均有红外吸收 任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定 能提供丰富的结构信息 红外光谱法的概述红外光谱的划分 红外光谱法的概述 红外吸收原理 红外吸收的产生 红外活性 双原子分子振动的机械模型-谐振子振动 振动的量子力学处理 分子振动方式与振动数 红外吸收原理红外吸收的产生 在分子内部具有振动和转动能级，当物质被一束红外光线辐照时，只要红外光的能量与能级跃迁的能量匹配，在分子内部就可以产生振动或转动跃迁，产生红外吸收。 其吸收的能量是量子化的，由跃迁的两个能级所决定。 振动能量E＝（v＋1/2）hν 红外吸收原理红外吸收的能量 红外吸收原理红外活性 分子中的基团在振动和转动过程中伴随净的偶极矩变化时有红外活性 除少数同核双原子分子如O2，N2，Cl2等无红外吸收外，大多数分子都有红外活性 红外吸收原理双原子分子振动分析 c–光速；k–力常数； m–reduced mass of atoms 1 and 2 (m1 and m2) m=m1?m2/(m1+m2) Example: C=O stretching, k~1×106 dynes/cm, m=1.1×10-23 Theoretical prediction: u = 1600 cm-1 Experimental result: u = 1500?1900 cm-1 化学键的力常数越大，折合质量越小，则化学键的振动频率越高，吸收峰将在高波数区出现。 因此，无机重原子的吸收在远红外区。 红外吸收原理量子力学模型 振动的非谐振性 分子振动方式与振动数 分子振动主要由伸缩振动和弯曲振动两种基本类型； 伸缩振动：指原子间的距离沿键轴方向的周期性变化，一般出现在高波数区； 弯曲振动：指具有一个共有原子的两个化学键键角的变化，弯曲振动一般出现在低波数； 分子振动方式 分子振动方式 分子振动方式 分子振动方式和振动数 观察到的振动数一般少于简正振动 （1）由于分子的对称性 （2）两个或多个振动能量相同时产生简并 （3）吸收强度很低，在仪器检测限之外 （4）吸收波长在检测波长外 多于简正振动的情况: 倍频、组合频的产生 红外吸收强度 红外吸收光谱的强度主要取决于分子振动时的偶极距变化，而偶极距的变化与分子的振动方式有关。 振动的对称性越高，振动分子中的偶极距的变化越小，谱带强度越弱。 一般来说，极性强度越强的基团，吸收强度越强；极性较弱的基团振动吸收也较弱 红外光谱与分子结构 基团频率 在红外光谱中，每种官能团均具有特征的结构，因此具有特定的吸收频率 根据特征频率可以对有机物的基团进行鉴别。这是红外光谱分析有机物结构的依据。 在中红外中，把4000－1300cm-1范围称为基团频率区，把1800－600cm-1称为指纹频率区。 红外光谱与分子结构 红外光谱与分子结构 官能团的特征吸收频率 O-H 3300-3600 cm-1 H5C6-H 3010-3030cm-1 CH3-CH2-H 2980 cm-1 Ester C=O 1740 cm-1 Ketone 1720 cm-1 Amide C=O 1670cm-1 Nitro-NO2 1530, 1340cm-1 Si-O~1100cm-1 红外光谱与分子结构 官能团的特征吸收频率 1、4000~2500cm-1 X-H(X=C, N, O, S等)的伸缩振动 (1) OH 3600~2500 cm-1 游离氢键的羟基 —3600 cm-1附近