红外光谱的原理.doc

青海师范大学 课 程 论 文红外光谱在化学当中的应用系 别 化学系 专 业 精细化工 班 级 化学系09C班 姓 名 马福林 学 号 20091811334 摘要: 红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。红外光谱图谱分析作为一门先进的技术，已经在各个领域得到了广泛的应用，本文主要论述了红外光谱分析的原理，应用及其特点。 AbstractInfrared spectroscopy is highly characteristic, not only can be used to study the molecularstructure and chemical bond, also widely used for characterization and differentiation ofvarious chemical species.IR spectrum analysis as an advanced technology, hasbeen widely used in various fields. This paper mainly discussed the infraredspectroscopy analysis principle, applications and features.关键词：红外光谱、原理、应用、特点、红外光谱仪Key words: infrared spectrometer、 principle、application、characteristic、absorption infrared spectrometer 一、红外光谱原理：电磁光谱的红外部分根据其同可见光谱的关系，可分为近红外光、中红外光和远红外光。 远红外光（大约400-10cm-1）同微波毗邻，能量低，可以用于旋转光谱学。中红外光（大约4000-400cm-1）可以用来研究基础振动和相关的旋转-振动结构。更高能量的近红外光（14000-4000cm-1）可以激发泛音和谐波振动。红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。共振频率或者振动频率取决于分子等势面的形状、原子质量、和最终的相关振动耦合。为使分子的振动模式在红外活跃，必须存在永久性双极子的改变。具体的，在波恩-奥本海默和谐振子近似中，例如，当对应于电子基态的分子哈密顿量能被分子几何结构的平衡态附近的谐振子近似时，分子电子能量基态的势面决定的固有振荡模，决定了共振频率。然而，共振频率经过一次近似后同键的强度和键两头的原子质量联系起来。这样，振动频率可以和特定的键型联系起来。简单的双原子分子只有一种键，那就是伸缩。更复杂的分子可能会有许多键，并且振动可能会共轭出现，导致某种特征频率的红外吸收可以和化学组联系起来。常在有机化合物中发现的CH2组，可以以 “对称和非对称伸缩”、“剪刀式摆动”、“左右摇摆”、“上下摇摆”和“扭摆”六种方式振动。测量样品时，一束红外光穿过样品，个个波长上的能量吸收被记录下来。这可以由连续改变使用的单色波长来实现，也可以用傅立叶变换来一次测量所有的波长。这样的话，透射光谱或吸收光谱或被记录下来，显示出被样品红外吸收的波长，从而可以分析出样品中包含的化学键。这种技术专门用在共价键的分析上，而且主要用于有机化学中。如果样品的红外活跃键少、纯度高，得到的光谱会相当清晰，效果好。更加复杂的分子结构会导致更多的键吸收，从而得到复杂的光谱。但是，这项技术还是用在了非常复杂的混合物的定性研究当中。 红外光谱原理示意图(1) 红外光谱原理示意图(2) 二 、红外光谱的应用红外光谱法广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。 （一）定性分析 1 .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，则说明两者不为同一化合物，或样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。使用文献上的谱图上应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。 2 .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： （1）查阅标准谱图的谱带索引，与寻找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，然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。 在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关资料和数据。了解试样的来源、估计其可能是哪类化合物；测定试样的物理常数，如熔点、沸点、溶解度、折光率等，作为定性分析的旁证；根据元素分析及相对摩尔质量的测定，求出化学式并计算化合物的不饱和度 W=1+n4 + (n3-n1)/2 式中n4、n3、n1、分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。 当计算得W=0时，表示分子是饱和的，应在链状烃及其不含双键的衍生物。 当W=1时，可能有一个双键或脂环； 当W=2时，可能有两个双键和脂肪环，也可能有一个叁键； 当W=4时，可能有一个苯环等。但是，二价原子如S、O等不参加计算。 谱图解析一般先从基团频率区的最强谱带开始，推测未知物可能含有的基团，判断不可能含有的基团。再从指纹区的谱带进一步验证，找出可能含有基团的相关峰，用一组相关峰确认一个基团的存在。对于简单化合物，确认几个基团之后，便可初步确定分子结构，然后查对标准谱图核实。 例1.化合物C3H4O的红外图谱1）不饱和度： (32+2-4)2=2 可能为烯，炔及含有羰基的化合物 2）3300 cm-1 处宽带，羟基结合 1040 cm-1 处的吸收，可推测含有O-H, 由此可排除含有羰基的可能性 3）2110 cm-1 处的吸收，可知此化合物有碳碳三键吸收结合化合物的分子式可知此化合物为 2-丙炔醇 ：例2. 化合物C8H8O的红外谱图 1）不饱和度：(82+2-8)2=5 大于4， 一般有苯环，C6H5 2）3000 cm-1以上，不饱和 C-H 伸缩可能为烯，炔，芳香化合物 1600，1580 cm-1，含有苯环，指纹区780，690 cm-1，间位取代苯3）1710 cm-1，C=O， 2820，2720 cm-1，醛基4）结合化合物的分子式，此化合物为间甲基苯甲醛：3.几种标准谱图 （1）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图 （2）Aldrich红外谱图库 （3）Sigma Fourier红外光谱图库 （二）定量分析 红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。 由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进行定量分析。此外，该法不受样品状态的限制，能定量测定气体、液体和固体样品。因此，红外光谱定量分析应用广泛。但红外噶定量灵敏度较低，尚不适用于微量组份的测定。 1. 选择吸收带的原则 （1）必须是被测物质的特征吸收带。例如分析酸、酯、 醛、酮时，必须选择C=O基团的振动有关的特征吸收带。 （2）所选择的吸收带的吸收强度应与被测物质的浓度有线性关系。 （3）所选择的吸收带应有较大的吸收系数且周围尽可能没有其它吸收带存在，以免干扰。 2 .吸光度的测定 （1）一点法 该法不考虑背景吸收，直接从红外谱图中分析波数处读取谱图纵坐标的透过率，再由公式lg1/T=A计算吸光度。 实际上这种背景可以忽略的情况较少，因此多用基线法。 3.基线法 通过谱带两翼透过率最大点作光谱吸收的切线，作为该谱线的基线，则分析波数处的垂线与基线的交点，与最高吸收峰顶点的距离为峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。 4.标准曲线定量分析方法 可用标准曲线法、求解联立方程法等方法进行定量分析。 三 、红外光谱的特点红外光谱仪之所以成为一种快速、高效、适合过程在线分析的有利工具，是由其技术特点决定的。 红外光谱分析的主要技术特点如下：（1）分析速度快，测量过程大多可在1min内完成。（2）分析效率高，通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型，可同时对样品的多个组分或性质进行测定提供定性、定量结果。（3）适用的样品范围广，通过相应的测样器中可以直接测量液体、固体、半固体和胶状体等不同物态的样品光谱测量方便。（4）样品一般不需要预处理，不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件，分析后不会产生化学、生物或电磁污染。（5）分析成本较低（无需繁杂预处理，