红外吸收光谱法基本原理

红外吸收光谱法基本原理【任务分析】通过日常生活中的实例，使学生自然地将红外线、能量与物质分子运动联系在一起，理解产生红外吸收光谱的原理。【任务实施】1、红外光的基础知识红外光谱在可见光区和微波区之间，其波长范围约为0.75〜1000um。根据实验技术和应用的不同。通常将红外光谱划分为三个区域。近红外、中红外、远红外区域。表4-1红外光区的划分波段波长/um波数/cm-1频率/Hz近红外0.78-2.512800-40003.8X1014-1.2X1014中红外2.5-504000-2001.2X1014-6.0X1012远红外50-1000200-106.0X1012-3.0X1011常用区域2.5-254000-4001.2X1014-1.2X10132、产生红外吸收光谱的原因（1）分子振动在分子中，原子的运动方式有三种，即平动、转动和振动。实验证明，当分子间的振动能产生偶极矩周期性的变化时，对应的分子才具有红外活性，其红外吸收光谱图才可给出有价值的定性定量信息。因此，下面主要讨论分子的振动。①分子振动方程式：分子振动可以近似地看做是分子中的原子以平衡点为中心，以很小的振幅做周期性的振动。这种分子振动的模型可以用经典的方法来模拟。对双原子分子而言，可以把它看成是一个弹簧连接两个小球，m1和m2分别代表两个小球的质量，即两个原子的质量，弹簧的长度就是分子化学键的长度。这个体系的振动频率取决于弹簧的强度，即化学键的强度和小球的质量。其振动是在连接两个小球的键轴方向发生的。用经典力学的方法可-万VQ-万VQ1304-旦或可简化为式中，V是频率，Hz；V是波数，cm-1；k为是化学键的力常数，g/s；c为光速；以为原子的折合质量。一般来说，单键的k=4Xl05〜6Xl05g/s2；双键的k=8Xl05〜12Xl05g/s2；叁键的k=12X105〜20Xl05g/s2。双原子分子的振动只发生在连接两个原子的直线上，并且只有一种振动方式，而多原子分子则有多种振动方式。假设分子由九个原子组成，每一个原子在空间都有3个自由度，则分子有3个自由度。非线性分子的转动有3个自由度，线性分子则只有两个转动自由度，因此非线性分子有3n-6种基本振动，而线性分子有3n-5种基本振动。②简正振动：分子中任何一个复杂振动都可以看成是不同频率的简正振动的叠加。简正振动是指这样一种振动状态，分子中所有原子都在其平衡位置附近作简谐振动，其振动频率和位相都相同，只是振幅可能不同，即每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置，且同时到达其最大位移值，每一个简正振动都有一定的频率，称为基频。水(H2O)和二氧化碳(CO2)的简正振动如图4-5和图4-6所示。不时称伸帽掘动 对稼伸缩振幼 町曲振动图4-5水分子的三种简正震动—•七%f _t / /o=c=oo^c=o o=c=oo=c=oI/(a)对称伸蟾 (b)不对称伸增 (c＞驾曲撮动(d)另一种驾曲振动图4-6二氧化碳分子的四种简正震动分子的振动形式分子的振动形式可分为两大类：伸缩振动和变形振动。伸缩振动：伸缩振动是指原子沿键轴方向伸缩，使键长发生变化而键角不变的振动，用符号V表示，其振动形式可分为两种：对称伸缩振动，表示符号为Vs或Vs，振动时各键同时伸长或缩短；不对称伸缩振动，又称反对称伸缩振动，表示符号为V或Vas，指振动as时某些键伸长，某些键则缩短。变形振动：变形振动是指使键角发生周期性变化的振动，又称弯曲振动。可分为面内、面外、对称及不对称变形振动等形式。面内变形振动(P)：变形振动在由几个原子所构成的平面内进行，称为面内变形振动。面内变形振动可分为两种：一是剪式振动(5)，在振动过程中键角的变化，类似于剪刀的开和闭；二是面内摇摆振动(P)，基团作为一个整体，在平面内摇摆。面外变形振动仃)：变形振动在垂直于由几个原子所组成的平面外进行。也可以分为两种：一是面外摇摆振动(久)，两个X原子同时向面上或面下的振动；二是卷曲振动(T)，一个X原子向面上，另一个X原子向面下的振动。对称与不对称变形振动：AX3基团或分子的变形振动还有对称与不对称之分：对称变形振动(5)中，三个AX键与轴线组成的夹角a对称地增大或缩小，形如雨伞的开闭，所以s也称之为伞式振动；不对称变形振动(5)中，两个a角缩小，一个a角增大，或相反。as伸缩振动与变形振动各种方式分别如图4-7所示。图4-7伸缩振动和变形震动振动能级的跃迁分子作为一个整体来看是呈电中性的，但构成分子的各原子的电负性却是各不相同的，因此分子可显示出不同的极性。其极性大小可用偶极矩g来衡量。偶极矩g是分子中负电荷的大小5与正负电荷中心的距离r的乘积，即日=5r，偶极矩单位为德拜(Debye)，用D表示。分子内原子不停地在振动，在振动过程中艿是不变的，而正负电荷中心的距离r会发生改变。对称分子由于正负电荷中心重叠，r=0，因此对称分子中原子振动不会引起偶极矩的变化。用一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率与它一样，则两者就会发生共振，光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，因此这个基团就吸收了一定频率的红外光，从原来的基态振动能级跃迁到较高的振动能级，从而产生红外吸收。如果红外光的振动频率和分子中各基团的振动频率不符合，该部分的红外光就不会被吸收。实际过程中，分子在发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，因此无法测得纯振动光谱。所以，红外吸收光谱也叫振转光谱。产生红外吸收光谱的条件红外辐射应具有恰好能满足能级跃迁所需