补充版---红外光谱
红外光谱_百度百科
分区
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1. 红外光谱的分区 通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75~2.5μm)、中红外区(2.5~25μm)和远红外区 (25~300μm)。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频 振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。 由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最 多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟。通常所说的 红外光谱即指中红外光谱。 2. 红外谱图的分区
谐振动时，这种振动方式称简正振动。
含n个原子的分子应有3n-6个简正振动方式；如果是线性分子，只有3n-5个简正振动方式。以 非线性三原子分子为例，它的简正振动方式只有三种。在v1和v3振动中，只是化学键的伸长和缩 短，称为伸缩振动，而v2的振动方式改变了分子中化学键间的夹角称为变角振动,它们是分子振动 的主要方式。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此，当分子的振动状态改变 时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子的振动，而产生红外吸收光谱。
红外光谱介绍
Infrared SpectroscopyDalian(116029),China2005-02-25红外光谱（IR）分子振动与红外光谱的基本原理分子中的原子与原子之间的化学键键长、键角不是固定不变的，如同弹簧连接起来的一组球。
整个分子一直在不断的振动着，当一定频率的光经过分子时，就被分子中相同频率的振动的键所吸收，如果分子中没有振动频率相同的键，红外光就不会被吸收。
因此，用连续改变频率的红外光照射样品时，则通过样品槽的红外光有些区域较弱，有些区域较强。
如用频率（v）或波长为横坐标，用透光率（Transmittance，T%）为纵坐标作图，就得到了红外吸收光谱。
可以设想分子中的键与弹簧相似，因此，化学键的振动可按谐振动处理，不同的是化学键振动能量是量子化的。
双原子分子振动的机械模型如下图：子质量（m1与m2）的函数：振动频率如以波数表示，则：分子的振动自由度与峰数分子中键的振动大致可分为伸缩振动和弯曲振动两种，分别以v 和δ表示，如下图所示：伸缩振动引起键长的变化，它们所产生的吸收带在高波数一端，伸缩振动有不对称伸缩和对称伸缩之分，前者在高波数一段。
弯曲振动引起键角的变化，它们的力常数较小，因此它们所产生的吸收带在低波数一端，弯曲振动有面内振动和面外振动之分，前者也在高波数一端。
它们的表示方法如下图：IR谱产生的吸收峰的数目取决于分子振动自由度。
一个原子在空间运动有三个自由度，即向x、y、z三个坐标方向运动，在含有n个原子的分子中，由于当原子结合成分子时，自由度数不损失，所以，分子自由度的总数为3n个。
分子作为一个整体，其运动状态可分为平动、振动及转动三类。
分子自由度数=平动自由度数+转动自由度数+振动自由度数振动自由度数=分子自由度数-平动自由度数-转动自由度数【注意】线性分子的转动自由度为2，非线性分子的转动自由度为3 因此，线性分子振动自由度为3n-5，非线性分子振动自由度为3n-6。
理论上讲，每个振动自由度在红外光谱区都将产生一个吸收峰。
红外光谱PPT课件
2.1 红外光谱的基本原理 2.1.1 红外吸收光谱
红外光谱是一种分子光谱 当用一束具有连续波长的红外光照
射一物质时，该物质的分子要吸收 一定波长的红外光的光能，将其转 变为分子的振动能和转动能。
一、红外光区的划分
红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长 范围约为 0.75 ~ 1000µm，根据仪器技术和应用 不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红 外光区（0.75 ~ 2.5µm ），中红外光区（2.5 ~ 25µm ），远红外光区（25 ~ 1000 µm ）。
=1= 1 2pc
k
= 4.12
k
注：各物理量的单位
K化学键的力常数，与键能和键长有关，
为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的 折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。
化学键越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化 学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
除此之外，还有合频峰（1+2，21+2，），差频 峰（ 1-2，21-2， ）等，这些峰多数很弱，一般不容 易辨认。
倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。 偶极矩不发生变化的振动不产生红外吸收。
CO2分子
4、红外光谱产生的条件
满足两个条件： （1）辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； （2）辐射与物质间有相互偶合作用。
甲苯的红外光谱图
＝C－H的弯曲振动确定芳烃取代类型
仅与苯环上相连的氢原子个数有关，而与 取代基的种类无关。例如：
相邻氢数 5 4 1，3 2
取代情况 单取代 邻位二取代 间位二取代 对位二取代
红外光谱PPT
不对称的结构，Δμ≠0，产生红外活性振动。
Cl C Cl C Cl H
Cl C Cl C
Cl Cl
16
C C ~ 1585cm 1
没有 C C 峰
＋ －
CO2
+ -
qr q 0 0 0
qr＞0 0
实际观察到的红外吸收峰数目并不等于分子振 动自由度，其主要原因是： ①红外非活性振动使峰数减少， ②吸收峰简并使峰数减少， ③仪器的灵敏度和分辨率不够高使峰数减少， ④仪器的测量波数范围不够宽使峰数减少。
因此，溶液红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。
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四、红外吸收峰的表示方法
vs (very strong) 很强 s (strong) 强 m (medium) 中强 w (weak) 弱 br (broad) 宽峰 sh (shoulder) 肩峰
[Zn(D-cam)(phen)(H2O)]n· 2O nH 将phen (0.1 mmol)、D-H2cam (0.1 mmol)、三乙 胺 (25 μL)加入到6 ml无水乙醇中，搅拌下滴加 溶有0.1 mmol Zn(NO3)2∙6H2O 的2 ml水溶液，搅 拌该混合物10 min后过滤，滤液在室温下静置 两周，得到适合X-射线单晶衍射的无色块状晶 体。分别用水、乙醇洗涤，空气干燥，产物根 据Zn计算产率为39%。FT-IR (KBr pellet, cm-1)： 3445(s, br), 3065(w), 2969(m), 2878(w), 1559(s), 1515(m), 1426(s), 1397(s), 850(m), 728(m)。
红外光谱
验项目取得重大突破性进展。日处理甲醇
50吨的工业化试验装置上实现了近100%
甲醇转化率，乙烯选择性40.1%，丙烯选
择性39.0%，低碳烯烃(乙烯、丙烯、丁
烯)选择性达90%以上 。
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6
SAPO-34分子筛：菱沸石型小孔分子筛，是甲醇/二甲醚 高选择性地制取低碳烯烃(MTO)的优良的催化剂
Viewed along [010]
设分子由n个原子组成，每个原子在空间都 有3个自由度 Æ
n个原子组成的分子总共应有3n个自由度， 即3n种运动状态
22
振动自由度
¾ 对于非线型分子，在3n种运动状态中，包括3个整个
分子的质心沿x、y、z向平移运动和3个整个分子绕 x、y、z轴的转动运动。这6种运动都不是分子振 动，因此，振动形式应有(3n-6)种
利用探针分子 进行表征研究 CO 、 NO 、 NH3、C5H5N等
¾ 表面吸附物种和低碳烃的活化
¾ 原位红外光谱应用于反应机理和反应动态学研究
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固体催化剂结构组成研究实例
例：SAPO-34分子筛晶化机理及其催化性能探源
作 者：谭 涓 导 师：刘中民 研究员
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研究背景
烯烃工业是国民经济支柱产业 乙烯、丙烯需求近年快速增长
红外光谱仪
调节 参比光束的强度 或称基线调平器
置于吸收池之后可 避免杂散光的干扰
色散型（双光束）红外光谱仪的工作原理示意图
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4
红外光谱仪
以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处： ¾ 需采用狭缝，光能量受到限制； ¾ 扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用； ¾ 不适于过强或过弱的吸收信号的分析。
Cage Viewed normal to [010]
红外光谱资料
如果原子或分子的能级的跃迁，是由初始态能级(E1)跃迁 到激发态能级(E2)而吸收部分电磁波(光)，就可获得其吸收光 谱。反之，从激发态能级(E2)跳回到初始态能级(E1)而辐射出 部分电磁波(光)，就可获得其发射光谱。
例： RCH = CH2 可产生三种特征吸收峰
ν ν δ =C-H
C= C =C -H
3100
1680-1620
880
这三种峰可以相 互佐证，证明分 子为一取代烯烃。 这三种峰被叫做 相关峰。
1—辛烯的红外光谱图
4
1
2
3
1. =CH的伸缩振动 3. -C =CH的面外弯曲
2. C =C的伸缩振动 4. 915cm-1的倍频峰
按照量子理论，物质内粒子所处的稳定的能量状态(能级) 不是连续变化的，即所谓量子化的。如果与该物质相互作用的 红外辐射的能量量子h 近似或精确等于二个能级之间的能量 差时，就能使粒子从较低能级跃迁到较高能级。这就是通常所 说的能级跃迁，可以写成下列表达式：
△E ＝E2一E1＝h 式中 E1一粒子初始能态的能量；
在中红外区更常用的一种单位是波数 ，波数用cm-1表 示、波数与波长的关系是：
几乎所有的红外谐图中都标有波数和波长两种刻度。
4.11 红外光谱
近红外区：
波长（m） 0.75 ~ 2.5
波数（cm-1） 13330 ~ 4000
中红外区： 远红外区：
2.5 ~ 15.4 15.4 ~ 830
4000 ~ 650 650 ~ 12
例：VC=O 吸收强度大于 VC=C 。 对称烯、炔等无吸收峰 或吸收峰很弱。
红外光谱课件PPT
红外光谱仪的实验操作
实验前准备
检查仪器是否正常， 确保电源连接稳定， 准备好样品和实验器 材。
光路调整
调整分束器、干涉仪 和检测器的位置，确 保光路畅通无阻。
参数设置
根据实验需求设置扫 描范围、扫描次数、 分辨率等参数。
转动模式
分子转动模式可以分为刚性转子 和弹性转子。刚性转子的转动能 级是量子化的，而弹性转子的转
动能级则是连续的。
振动与转动的耦合
在某些情况下，分子的振动和转 动模式之间会发生耦合，从而影
响红外光谱的形状和位置。
红外光谱的吸收峰
01 02
特征峰与泛峰
红外光谱中的吸收峰可以按照其特征分为特征峰和泛峰。特征峰是指与 特定振动或转动模式相关的吸收峰，而泛峰则是由于多个振动或转动模 式的相互作用而产生的吸收峰。
峰的形状分析
03
峰的形状可以反映分子中对应化学键或基团周围环境的对称性、
氢键等相互作用，有助于深入了解分子结构。
谱图解析实例
解析有机化合物结构
通过红外光谱解析，可以确定有机化合物中存在的官能团和化学 键类型，进而推断其可能的结构。
解析无机物和配合物结构
红外光谱在无机物和配合物结构解析中也有广泛应用，可以用于确 定离子和分子的振动模式。
辐射与物质的相互作用
当红外辐射与物质相互作用时，如果辐射的能量与分子振 动或转动能级差相匹配，则会引起分子振动或转动能级跃 迁，从而产生红外吸收。
分子振动与转动
振动模式
分子中的原子或分子的振动模式 可以分为伸缩振动和弯曲振动。 伸缩振动是指原子间的距离发生 变化，而弯曲振动则是指原子围
红外光谱详解课件
06
习题与思考题
基础概念题
题目1
简述红外光谱的基本原理
答案1
红外光谱是利用物质对红外光的吸收特性来研究物质分子结构和组成的一种方法。当红 外光与物质分子相互作用时，某些波长的光被吸收，形成特定的光谱图，通过分析这些
光谱图可以了解物质分子的振动和转动能级。
基础概念题
要点一
题目2
列举红外光谱中的主要吸收区域
要点二
答案2
红外光谱主要分为四个吸收区域，分别是近红外区（ 12500-4000 cm^-1）、中红外区（4000-400 cm^-1） 、远红外区（400-10 cm^-1）和超远红外区（10-5 cm^-1）。其中中红外区是研究分子振动和转动能级的主 要区域。
光谱解析题
题目3
根据给定的红外光谱图，分析可能的物质组 成
分子转动
02
分子除了振动外，还会发生转动，转动也会产生能量变化，从
而吸收特定波长的红外光。
分子振动和转动与红外光谱的关系
03
分子振动和转动产生的能量变化与红外光的能量相匹配时，光
子会被吸收，形成红外光谱。
分子振动与转动
振动模式
分子中的原子或分子的振动模式决定 了其吸收特定波长的红外光。不同化 学键或基团具有独特的振动模式，形 成了特征的红外光谱。
镜反射后相干叠加。
检测器
检测器用于检测干涉仪产生的相干 光束，将光信号转换为电信号。
光谱采集系统
光谱采集系统负责收集检测器输出 的电信号，并将其转换为光谱数据 。
傅里叶变换红外光谱技术
傅里叶变换
傅里叶变换是一种数学方法，用于将干涉图转换为光谱图 。通过傅里叶变换，可以获得样品的红外光谱。
分辨率
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1. -OH,-NH的伸缩振动在3700~3100区域。
2. 芳环或烯烃的不饱和碳原子上的C-H伸缩振动出现在3100~3000区域。
3. 3000~2800是源于甲基、亚甲基或次甲基的伸缩振动；甲基若与另一碳氢基团相连，反对称伸缩振动会出现在2962±10，甲基的对称伸缩振动会出现在2872±10；亚甲基的反对称伸缩振动会出现在2926±10，亚甲基的对称伸缩振动会出现在2853±10。
4. 甲基、亚甲基、次甲基在2996、2953、2846处有吸收。
5. -C≡N、R-N=C=O（异氰酸酯）在2400~2000处有吸收。
6. 芳香基结构如在2000~1600区域出现2~5个弱吸收，是苯环上的=CH弯曲振动的倍频和合频。
7. –C=O一般在1730附近有吸收，推电子基团一般使其移向低频（红移），吸电基团（卤素）使其移向高频（蓝移）；与双键或者苯环共轭则移向低频（红移）。
8.烯烃类的C=C双键伸缩振动出现在1670~1600；芳环的伸缩振动出现在1600~1450范围内，一般有1600、1580、1500、1450四个谱带。
9.甲基的弯曲振动，亚甲基的弯曲振动在1490~1350。
甲基与碳原子相连时，反对称弯曲振动在1460±10，对称弯曲振动在1375±10，与杂原子相连时，对称弯曲振动频率按下列顺序增减：F>O>N>C>Cl>S>P>Br>Se>As>Ge>I。
亚甲基的对称
弯曲振动在1460±10。
若2~3个甲基连在同一个碳原子上，甲基的弯曲振动吸收分裂为1390和1365。
10.醚键在1310~1020区域内有吸收，一般有两个吸收带，高波数一侧是其不对称伸缩振动，低波数一侧是其对称振动。
11.苯环单取代后，5个相邻的氢原子的面内弯曲振动在1069和1028，面外弯曲振动在757和702。