材料研究方法b（化学专业）红外光谱分析

1、infrared absorption spectroscopy（IR）第四部分第四部分 红外光谱分析红外光谱分析一、概述一、概述 二、红外吸收产生的原理二、红外吸收产生的原理三、基团振动频率与特征吸收峰三、基团振动频率与特征吸收峰四、典型红外光谱图四、典型红外光谱图五、红外光谱解析方法五、红外光谱解析方法六、红外光谱仪及应用六、红外光谱仪及应用主要内容主要内容一、概述1 1、定义、定义红外光谱法红外光谱法Infrared absorption Infrared absorption spectrumspectrum，IRIR）是利用红外分光光度计测）是利用红外分光光度计测量物质对红外光的吸收

2、及所产生的红外吸量物质对红外光的吸收及所产生的红外吸收光谱对物质的组成和结构进行分析测定收光谱对物质的组成和结构进行分析测定的方法。的方法。 2 2、红外光谱：、红外光谱： 红外光谱属于分子振动光谱。红外光谱属于分子振动光谱。 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辐射，并使得这些吸收区域的透子吸收某些频率的辐射，并使得这些吸收区域的透射光强度减弱。射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波长关系记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线，即为红外光谱。的曲线，即为红外光谱。3 3、红外光谱图及表示方法：、红外光谱图及表示方法：横坐标表示吸收

3、峰的位置，用波长（横坐标表示吸收峰的位置，用波长（，m)m)及波及波数数( ( , , cmcm-1-1) )两种标度；纵坐标为透过率两种标度；纵坐标为透过率T T。T T透光率，透光率，T=I/IT=I/I0 0,I,I0 0为入射光的为入射光的强度，强度，I I为透过光的为透过光的强度。强度。 波数，每厘米波数，每厘米距离包含波长的个数距离包含波长的个数, , 1/1/ （cmcm）10104 4/ / ( ( m)m) 红外辐射（或红外光）是波长接近于可见光但能量比可红外辐射（或红外光）是波长接近于可见光但能量比可见光低的电磁辐射，其波长范围约为，位于可见光与微波之见光低的电磁辐射，其波

4、长范围约为，位于可见光与微波之间。根据产生、分离和探测这些辐射所采用的方法以及它的间。根据产生、分离和探测这些辐射所采用的方法以及它的用途，将红外光分成近红外、中红外和远红外三个波区。用途，将红外光分成近红外、中红外和远红外三个波区。4 4、红外光区的划分、红外光区的划分名称名称波长（波长（m)m)波数（波数（cmcm-1-1) )能级跃迁类型能级跃迁类型近红外近红外0.75-2.50.75-2.5131584000cm131584000cm-1-1OHOH、NHNH、CHCH的倍频吸收的倍频吸收中红外中红外2.5-252.5-254000400cm4000400cm-1-1分子中原子振动和分

5、子转动分子中原子振动和分子转动远红外远红外25-100025-100040010cm40010cm-1-1分子转动、骨架振动分子转动、骨架振动通常所说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。通常所说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。5 5、红外光谱的应用、红外光谱的应用 样品吸收红外辐射的主要原因是：分子中样品吸收红外辐射的主要原因是：分子中的化学键。的化学键。 因此因此, IR, IR可用于鉴别化合物中的化学键类可用于鉴别化合物中的化学键类型，可对分子结构进行推测。既适用于结晶型，可对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也适用于非晶质物质。质物质，也适用于非晶质物质。二、红外吸收产生

6、的原理1 1、分子与光谱、分子与光谱u电磁波（光）与原子作用时会产生其特征电磁波（光）与原子作用时会产生其特征的原子光谱，它主要是由原子外层电子能级的原子光谱，它主要是由原子外层电子能级跃迁而产生的辐射或吸收；跃迁而产生的辐射或吸收；u分子由原子组成，电磁波照射分子时，分分子由原子组成，电磁波照射分子时，分子中电子能级和振转动能级的跃迁亦产生子中电子能级和振转动能级的跃迁亦产生辐射和吸收，形成分子光谱。辐射和吸收，形成分子光谱。原子或分子的能级跃迁：原子或分子的能级跃迁： 初始态能级：初始态能级：E E1 1 激发态能级：激发态能级：E E2 2 E E1 1EE2 2: :吸收电磁波（光），

7、获得吸收光谱；吸收电磁波（光），获得吸收光谱； E E2 2EE1 1: :辐射电磁波（光），获得发射光谱；辐射电磁波（光），获得发射光谱； 波尔（波尔（BohrBohr）频率方程式：）频率方程式： E E2 2E E1 1h h hc/hc/=hc=hc 从上式可看出，若两能级间的能量差越大，从上式可看出，若两能级间的能量差越大，所吸收或发射的频率越高（波数越大，波长所吸收或发射的频率越高（波数越大，波长越短）；反之，则相反。越短）；反之，则相反。 分子能级分子能级：电子：电子能级、分子振动能级、能级、分子振动能级、分子转动能级。每种分子转动能级。每种类型都有一定的基态类型都有一定的基态和一

8、列或多列激发态。和一列或多列激发态。分子能级分子能级 间隔间隔 能级差能级差(eV)(eV) 吸收的辐射能吸收的辐射能光谱光谱电子能级电子能级 最大最大 1 12020可见光和紫外可见光和紫外电子光谱电子光谱振动能级振动能级 小些小些 0.05-10.05-1中红外区中红外区振动光谱振动光谱转动能级转动能级 最小最小 0.001-0.050.001-0.05 远红外和微波区远红外和微波区 转动光谱转动光谱 电子能谱包括振转动光谱，因此紫外可见光谱带最宽，电子能谱包括振转动光谱，因此紫外可见光谱带最宽，红外吸收谱带较宽，而转动光谱的吸收带较锐（近似线吸红外吸收谱带较宽，而转动光谱的吸收带较锐（近

9、似线吸收）；收）； 分子红外吸收光谱主要为振转动光谱，根据能量不同：分子红外吸收光谱主要为振转动光谱，根据能量不同：远红外区：远红外区：对应分子的转动吸收对应分子的转动吸收中红外区：中红外区：对应分子的振动吸收对应分子的振动吸收近红外区：近红外区：对应分子的对应分子的倍频吸收倍频吸收（从基态第二或第三振动态）（从基态第二或第三振动态）2 2、双原子分子的振动、双原子分子的振动（1 1）谐振子的振动）谐振子的振动将双原子看成质量为将双原子看成质量为m m1 1和和m m2 2的两个小球，的两个小球，把链接它们的化学键看作质量可以忽略的弹把链接它们的化学键看作质量可以忽略的弹簧，那么原子在平衡位置

10、附近的伸缩振动，簧，那么原子在平衡位置附近的伸缩振动，可以近似看成一个简谐振动。可以近似看成一个简谐振动。原子折合质量原子折合质量k k弹性模量或键力常数，弹性模量或键力常数，与键能和键长有关，与键能和键长有关，单位单位N/cmN/cm。分子的振动能量（量子化）：分子的振动能量（量子化）： E E振振= =（+ +1/21/2）h h ， =0=0，1 1，2 2，3 3， ； ：振振动频率）动频率）在通常情况下，分子大都处于基态振动，一般极在通常情况下，分子大都处于基态振动，一般极性分子吸收红外光主要属于基态（性分子吸收红外光主要属于基态（ =0=0）到第一激发）到第一激发态（态（=1=1）

11、之间的跃迁，即）之间的跃迁，即=1=1，其能量差为：，其能量差为：kkckhkhE130721122u发生振动能级跃迁需要的能量的大小取决于键两发生振动能级跃迁需要的能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。结构特征。u根据公式及红外光谱测量数据，可以测量各种化根据公式及红外光谱测量数据，可以测量各种化学键力常数学键力常数k k。一般说来，单键的键力常数的平均值。一般说来，单键的键力常数的平均值约为约为5N/cm5N/cm，而双键和三键的键力常数分别大约是此，而双键和三键的键力常数分别大约是此值的二倍和三倍。值的二倍和

12、三倍。u相反，利用这些实验得到的键力常数的平均值和相反，利用这些实验得到的键力常数的平均值和公式，可以估算得到各种键型的基频吸收峰的波数。公式，可以估算得到各种键型的基频吸收峰的波数。例：例：HClHCl分子分子k=5.1k=5.110105 5 N/cm N/cm =(m=(m1 1* *m m2 2)/(m)/(m1 1+m+m2 21299097. 01 . 51304cm 实验测得实验测得HClHCl分子的振动频率是分子的振动频率是2886cm2886cm-1-1，与计算值较接近。因此，可以把双原子作为与计算值较接近。因此，可以把双原子作为一个谐振子，讨论双原子分子的振动，能够一个谐振子，讨论双原子分子的振动，能够说明振动光谱的主要特征。说明振动光谱的主要特征。从公式可得出，从公式可得出，k k越大，越大，越小，化学键的振动频率越越小，化学键的振动频率越高，吸收峰将出现在高波数（高，吸收峰将出现在高波数（）区；相反，则出现在低）区；相反，则出现在低波数区。波数区。如：如：k k减小，减小，相同：相同： k: CC C=C Ck: CC C=C CC C : 2222 1667 1429: 2222 1667 1429； k k接近，接近，增大