第1节 红外基本原理
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第十章 红外光谱分析
第十章 红外吸收光谱分析
Infrared Absorption Spectrometry ，IR
2020/3/23
• 第一节 红外吸收光谱基本原理
一、红外光谱概述 二、红外吸收光谱产生条件 三、分子振动形式 四、红外光谱吸收强度
2020/3/23
一、红外光谱概述
红外吸收光谱（Infrared absorption spectroscopy, IR）又称为分子振动—转动光谱。
2020/3/23
1、红外光谱区域划分
习惯上按红外线波长，将红外光谱分成三个区域： （1）近红外区：0.78～2.5μm（12 820～4 000cm-1），主 要用于研究分子中的O—H、N—H、C—H键的振动倍频与组 频。 （2）中红外区：2.5～25μm（4 000～400cm-1），主要用 于研究大部分有机化合物的振动基频。 （3）远红外区：25～300μm（400～33cm-1），主要用于 研究分子的转动光谱及晶格的振动。
包含各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动 特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认 注：特征峰常出现在特征区 2. 指纹区： 指纹区： 1250~400cm-1的低频区，包含C—X（X：O，H， N）单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动 特点：吸收峰密集、难辨认→指纹 注：相关峰常出现在指纹区
2020/3/23
2020/3/23
红外光谱的吸收带强度可用于定量分析，也是化合物定 性分析的重要依据。
2020/3/23
峰位、峰数、峰强 （1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波区）； 反之，出现在低波数区（长波区）。 （2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化 时，无红外吸收。
Infrared Absorption Spectrometry ，IR
2020/3/23
• 第一节 红外吸收光谱基本原理
一、红外光谱概述 二、红外吸收光谱产生条件 三、分子振动形式 四、红外光谱吸收强度
2020/3/23
一、红外光谱概述
红外吸收光谱（Infrared absorption spectroscopy, IR）又称为分子振动—转动光谱。
2020/3/23
1、红外光谱区域划分
习惯上按红外线波长，将红外光谱分成三个区域： （1）近红外区：0.78～2.5μm（12 820～4 000cm-1），主 要用于研究分子中的O—H、N—H、C—H键的振动倍频与组 频。 （2）中红外区：2.5～25μm（4 000～400cm-1），主要用 于研究大部分有机化合物的振动基频。 （3）远红外区：25～300μm（400～33cm-1），主要用于 研究分子的转动光谱及晶格的振动。
包含各种单键、双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动 特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认 注：特征峰常出现在特征区 2. 指纹区： 指纹区： 1250~400cm-1的低频区，包含C—X（X：O，H， N）单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动 特点：吸收峰密集、难辨认→指纹 注：相关峰常出现在指纹区
2020/3/23
2020/3/23
红外光谱的吸收带强度可用于定量分析，也是化合物定 性分析的重要依据。
2020/3/23
峰位、峰数、峰强 （1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波区）； 反之，出现在低波数区（长波区）。 （2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化 时，无红外吸收。
红外光谱、核磁共振谱.
红外光谱、核磁共振谱都是吸收光谱。
红外光谱可用来判断分子中有什么样的官能团。
核磁共振谱可用来判断分子中有哪几类氢原子，每类氢原子有多少个。
第一节红外光谱(IR)一.基本原理分子是由原子组成的。
组成有机分子的原子之间主要是通过极性键和非极性键结合在一起的。
成键原子间的运动形式可分为两大类：1.伸缩振动，用υ表示。
2.弯曲振动(变形振动)，用δ表示。
具有极性的键在振动过程中出现偶极矩的变化，在键的周围产生稳定的交变电场，与频率相同的辐射电磁波相互作用，从而吸收相应的能量使振动跃迁到激发态，得到振动光谱，即红外光谱。
这种振动称为红外活性振动。
原子间的振动主要吸收波数为4000-400 cm-1的红外光。
红外光谱的横坐标为波长(2.5~25μm)或波数(4000~400cm-1)，纵坐标为透过率(0-100%)。
92页123页182页223页237页253页278页310页330页362页374页图4-16 正辛烷图4-17 1-辛烯图4-181-辛炔图4-192-辛炔图6-4 邻二甲苯图6-5 间二甲苯图6-6 对二甲苯图9-1 1-氯己烷图10-3 10-4 乙醇图10-5 乙醚图10-6 正丁醚图11-1 苯酚图10-3对甲苯酚图12-4 乙醛图12-5 苯乙酮图13-4 乙酸图13-7 乙酸乙酯图15-1 硝基乙烷图15-2 硝基苯图15-6 苯胺第二节核磁共振谱(NMR)一.基本原理自旋量子数不为零的原子核由于自旋会产生磁场，形成磁矩。
磁矩在外磁场中出现不同取向的现象称为能级分裂。
与外磁场同向的为低能级，反向的为高能级。
当电磁波的能量等于高低能级间的能量差时，原子核吸收能量，产生核磁共振。
用得最多的是氢原子核谱，简称氢谱(NMR-1H)。
核磁共振谱中只有横坐标，代表化学位移。
二. 化学位移原子核外有电子，电子的运动产生了对抗外磁场的感应磁场，使核实际感受到的有效磁场强度比外磁场强度低。
核外电子产生的这种作用称为屏蔽效应，它的值用屏蔽常数σ表示。
红外吸收的基本原理
as CH 2 s CH 3
~ 2925 cm
1 1
~ 1450 cm CH 2 ~ 1465 20cm1
as CH 3
1
~ 2870 cm
s CH 3
~ 1375cm
1
s 1 CH ~ 2850 cm 2
CH 2 ~ 720cm1
（三）振动自由度(vibrational degree of freedom)：指分 分子中 子独立的振动数目，或基本的振动数目。 N个原子组成分子，每个原子在空间有三个自由度
AX 2 型分子
CH 2 ~ 1465 20 cm 1
面内摇摆(in-plane rocking)ρ：基团作为一个整体在平面内 摇动，键角无变化：
AX 2 型分子
CH 2 ~ 720cm 1
— (CH 2 ) n — n 4
2）面外(out-of-plane)弯曲γ：弯曲振动垂直几个原子构成 的平面。
AX 3 型分子
as CH 3
~ 2960 cm
1
2.弯曲振动(bending vibration)：又叫变形振动(denformation vibration)：指键角发生周期性变化、而键长不变的振动。
1）面内(in-plane)弯曲振动β：弯曲振动发生在由几个原子 构成的平面内，有以下两种情况： 剪式振动(scissoring vibration)δ：振动中键角的变化类 似剪刀的开闭.
F=4 F=3
注意：上述规律不适用于组成分子的官能团的基本 振动数的推算。 吸收峰与振动自由度的关系： • 可以用振动自由度估计吸收峰数量 • 并非每个振动都产生基频峰 • 吸收峰数常少于振动自由度数
红外线的工作原理
红外线的工作原理
红外线是一种电磁波，其工作原理基于物体的热能辐射。
每个物体都会发射红外线，其辐射强度与物体的温度有关。
红外线传感器利用物体发射的红外线来检测物体的存在和温度。
红外线传感器由发射器和接收器组成。
发射器通过电流激活红外发射二极管，产生红外光束。
接收器则拥有一个感应电路和红外接收二极管，用于接收反射回来的红外光束。
当有物体进入红外线传感器的作用范围时，它会阻挡红外光束的传播。
这样，一部分红外光束被物体反射回传感器。
接收器接收到反射的红外光束后，红外接收二极管产生一个电压信号。
红外传感器通过测量反射回来的红外光的强度来检测物体的存在和距离。
假设检测到的红外光强度达到设定的阈值，传感器会输出一个信号，表示有物体存在。
此外，红外线传感器还可以通过测量反射红外光的强度来确定物体的温度。
因为物体的温度与红外辐射强度成正比，传感器可以根据测量到的红外光强度计算出物体的温度。
总之，红外线传感器利用物体的红外辐射来检测其存在和温度。
通过测量反射红外光的强度，传感器可以输出相应的信号，实现对物体的检测和测温功能。
波谱分析教程(第二版)课件4.IR第一节
第三章 红外光谱
教学基本要求：
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点，理解红外 光谱的产生和拉曼位移的产生； 了解红外光谱定量分析的基本依据和定量分析方法； 掌握分子的基本振动形式及影响基本振动频率的因素； 掌握官能团的特征频率极影响频率的因素，利用红外 光谱进行有机结构分析的方法。
引言
红外光谱（infrared spectroscopy, IR）是研
饱和C-H ν频率区 铵盐ν频率区 X-H ν频率区（X=B、P、S、Si）
3350~3000
3000~2700 3100~2250 2650~2000
三键ν频率区
双键ν频率区 饱和C-H 面内δ频率区 不饱和C-H面外δ频率区
2300~1900
1950~1500 1500~1350 1000~650
用“τ”表示
基团的键角不 发生变化，基 基团的键角交替 团只是作为一 发生变化 个整体在分子 的对称平面内 左右摇摆
两个H原子核 在垂直于纸面 的方向上振动， 两个H原子核 且运动方向相 运动方向相反 同---同时向纸 面的同一侧运 动
3
多原子分子的振动
分子振动时，分子中原子的基本振动数目称该分子的振动 自由度。一个原子在空间的位置可用x、y、z三个坐标表示，
式中 V---振动量子数，其值为0，1，2，3…
K
E0为振动基态；
E1为第一振动激发态；
E2为第二振动激发态；余类推。
3
振动能级跃迁与红外吸收光谱
两个相邻振动能级间的能量差ΔEV可由下式确定：
EV E(V 1) EV h hc
当光子的能量hν`与振子的跃迁能相等，即：
h ` hc ` EV h hc
教学基本要求：
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点，理解红外 光谱的产生和拉曼位移的产生； 了解红外光谱定量分析的基本依据和定量分析方法； 掌握分子的基本振动形式及影响基本振动频率的因素； 掌握官能团的特征频率极影响频率的因素，利用红外 光谱进行有机结构分析的方法。
引言
红外光谱（infrared spectroscopy, IR）是研
饱和C-H ν频率区 铵盐ν频率区 X-H ν频率区（X=B、P、S、Si）
3350~3000
3000~2700 3100~2250 2650~2000
三键ν频率区
双键ν频率区 饱和C-H 面内δ频率区 不饱和C-H面外δ频率区
2300~1900
1950~1500 1500~1350 1000~650
用“τ”表示
基团的键角不 发生变化，基 基团的键角交替 团只是作为一 发生变化 个整体在分子 的对称平面内 左右摇摆
两个H原子核 在垂直于纸面 的方向上振动， 两个H原子核 且运动方向相 运动方向相反 同---同时向纸 面的同一侧运 动
3
多原子分子的振动
分子振动时，分子中原子的基本振动数目称该分子的振动 自由度。一个原子在空间的位置可用x、y、z三个坐标表示，
式中 V---振动量子数，其值为0，1，2，3…
K
E0为振动基态；
E1为第一振动激发态；
E2为第二振动激发态；余类推。
3
振动能级跃迁与红外吸收光谱
两个相邻振动能级间的能量差ΔEV可由下式确定：
EV E(V 1) EV h hc
当光子的能量hν`与振子的跃迁能相等，即：
h ` hc ` EV h hc
红外光谱解析
+5 （+5）×3
计算值
303
实测值
304
72
3、
H 3C
COOH
异环二烯基准值
一个环外双键 烷基取代
计算值 实测值
（nm） 214 +5
（+5）×4
C H 3N H 215 600近紫区
C H 3 I 2 5 8 3 6 5
二、不饱和有机化合物的电子跃迁
1、含单个C=C π π* (E带)
ε CH2=CH2 λm ax:162nmm ax:15000
远紫区
56
57
2 、 含C = O 或 -N O 2 的 化 合 物
π π* λ max: ～188nm 远紫区
11
2、指纹区：1400～625cm-1
该区域是红外光谱中的低频区，该区域的吸收 主要由C～C、C～N、C～O、C～X键的伸缩振动 和各种键的弯曲振动所产生。键的强度相差不大， 吸收峰出现的区域相近。大部分键的吸收位置和强 度随化合物而异变化较大。
该区域的谱带特别密集，犹如人的指纹故称指 纹区。
化合物之间微小的差别在该区域都能反映出来， 相同的化合物指纹区完全相同，因此在确认化合物时 非常有用。
远紫区
其4 它烷烃 λ max ：～150nm
2、含杂原子的饱和化合物
σ σ* n σ*
λ ε max
m ax
C H 3C l 172 弱 远
C H 3 O H 1 8 3 1 5 0 紫
C H 3 O C H 3 1 8 5 2 5 2 0 区
54
55
λ ε max
m ax
C H 3B r 204 200
16
第三章 红外光谱
不特征
胺
类别
键和官能团
C=O R-CHO C=O
拉
1750-1680 2720
伸
(cm-1)
说
明
醛、酮
羧酸
1770-1750（缔合时在1710） 气相在3550，液固缔合时在 3000-2500（宽峰） 1800 1860-1800 1735 1690-1650 3520，3380（游离）缔合降低100 2260-2210 1800-1750
1670（弱-无）
ห้องสมุดไป่ตู้
无
共轭烯烃
与烯烃同
向低波数位移，变宽
与烯烃同
吸收峰 振
动
化合物
C=C，CC，C=C-C=C C-H拉伸 （或伸缩） 苯环 3310-3300 一取代 对称 2140-2100弱 无
C-H弯析
炔烃
较强
非对称二取代2260-2190弱
700-600 强
芳烃
取代芳烃
3110-3010中
一、红外光谱的八个峰区
4000-1500cm-1区域又叫官能团区. 该区域出现的吸 收峰，较为稀疏，容易辨认. 1500-400cm-1区域又叫指纹区. 这一区域主要是： C－C、C－N、C－O 等单键和各种弯曲振动的
吸收峰，其特点是谱带密集、难以辨认。
二、重要官能团的红外特征吸收
C-H拉伸（或伸缩）
1600中 1500强
1580弱 1450弱-无
670弱 倍频 2000-1650 一取代770-730， 710-690强 二取代
同芳烃
同芳烃
邻- 770-735强 间- 810-750强 710-690中 对- 833-810强
泛频 2000-1660
仪器分析课件-4红外光谱基本原理
同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。 影响其吸收峰位置的主要因素分为内部因素和外部因素。
1．内部因素
(1)电子效应：引起化学键电子分布变化的效应。 a.诱导效应(Induction effect)：取代基电负性－静电诱导－电 子分布改变－k 增加－特征频率增加（移向高波数）。 R-COR C=O 1715cm-1 ； R-COH C=O 1730cm-1 ； R-COCl C=O 1800cm-1 ； R-COF C=O 1920cm-1 。
10
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因此，当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某 个基团的振动频率和它一致，二者就会产生共振，此时
光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基
团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。
对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无 红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。
cm -1 1 6 6 0
c. 中介效应(Mesomeric effect)：孤对电子与多重键相连产生的 p- 共轭，结果类似于共轭效应。 当诱导与共轭两种效应同时存在时，振动频率的位移的 程度取决于它们的净效应。
28
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(2)氢键效应
形成氢键使电子云密度平均化（缔合态），使体系能量 下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。使 伸缩振动频率向低波数方向移动．
分子振动和转动能级的跃迁；价电子和分子轨道上的电子在电子能级 上的跃迁。
2. 研究对象不同
在振动中伴随有偶极矩变化的化合物；不饱合有机化合物特别是具有 共轭体系的有机化合物。
3.可分析的试样形式不同，使用范围不同
气、液、固均可，既可定性又可定量，非破坏性分析；既可定性又可 定量，有时是试样破坏性的。
1．内部因素
(1)电子效应：引起化学键电子分布变化的效应。 a.诱导效应(Induction effect)：取代基电负性－静电诱导－电 子分布改变－k 增加－特征频率增加（移向高波数）。 R-COR C=O 1715cm-1 ； R-COH C=O 1730cm-1 ； R-COCl C=O 1800cm-1 ； R-COF C=O 1920cm-1 。
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因此，当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某 个基团的振动频率和它一致，二者就会产生共振，此时
光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基
团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。
对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无 红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。
cm -1 1 6 6 0
c. 中介效应(Mesomeric effect)：孤对电子与多重键相连产生的 p- 共轭，结果类似于共轭效应。 当诱导与共轭两种效应同时存在时，振动频率的位移的 程度取决于它们的净效应。
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(2)氢键效应
形成氢键使电子云密度平均化（缔合态），使体系能量 下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。使 伸缩振动频率向低波数方向移动．
分子振动和转动能级的跃迁；价电子和分子轨道上的电子在电子能级 上的跃迁。
2. 研究对象不同
在振动中伴随有偶极矩变化的化合物；不饱合有机化合物特别是具有 共轭体系的有机化合物。
3.可分析的试样形式不同，使用范围不同
气、液、固均可，既可定性又可定量，非破坏性分析；既可定性又可 定量，有时是试样破坏性的。
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2c
12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
16:25:10
三、分子中基团的基本振动形式
basic vibration of the group in molecular
1．两类基本振动形式
伸缩振动 亚甲基：
变形振动 亚甲基
16:25:10
甲基的振动形式
伸缩振动 甲基：
2c
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。
16:25:10
表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C —
第二节 红外光谱与分子结构
infrared spectroscopy and molecular structure
第三节 红外光谱仪器
infrared absorption spectrophotometer
第四节 红外谱图解析
analysis of Infrared spectrograph
第五节 激光拉曼光谱
16:25:10
16:25:10
红外光谱与有机化合物结构
红外光谱图： 纵坐标为吸收强度， 横坐标为波长λ （ m ） 和波数1/λ 单位：cm-1 可以用峰数，峰位， 峰形，峰强来描述。
应用：有机化合物的结构解析。 定性：基团的特征吸收频率； 定量：特征峰的强度；
16:25:10
二、红外吸收光谱产生的条件
第十八章
一、概述
红外吸收光谱 分析法
introduction 二、红外吸收光谱产生的 条件
infrared absorption spec-
condition of Infrared absorption spectroscopy
troscopy，IR
三、分子中基团的基本振
第一节
动形式
红外光谱分析基本原理
（2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变 化时，无红外吸收。
16:25:10
峰位、峰数与峰强
（3）瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相 差越大（极性越大），吸收峰越强；
例2 CO2分子 （有一种振动无红外 活性）
（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基 频峰； （5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰， 倍频峰；
16:25:10
C2H4O
1730cm-1 1165cm-1
H
O
C
CH
H 2720cm-1
H
（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。
（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
16:25:10
四、红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption bend
laser Raman spectrometry 结束
16:25:10
basic vibration of the group in molecular
principle of IR
四、红外吸收峰强度
intensity of infrared absorption bend
16:25:10
一、概述
introduction
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱 辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构 近红外区 中红外区 远红外区
问题：C=O 强；C=C 弱；为什么？ 吸收峰强度跃迁几率偶极矩变化
吸收峰强度 偶极矩的平方
偶极矩变化——结构对称性； 对称性差偶极矩变化大吸收峰强度大 符号：s(强)；m(中)；w(弱) 红外吸收峰强度比紫外吸收峰小2～3个数量级；
16:25:10
内容选择：
第一节 红外基本原理
basic principle of Infrared absorption spectroscopy
对称 υs(CH3) 2870 ㎝-1
变形振动 甲基
对称δs(CH3)1380㎝-1
16:25:10
不对称 υas(CH3) 2960㎝-1
不对称δas(CH3)1460㎝-1
２．峰位、峰数与峰强
（1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小， 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）； 反之，出现在低波数区（高波长区）。 例１ 水分子 （非对称分子）
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（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。
16:25:10
例题: 由表中查知C=C键的K=9.5 9.9 ,令其为 9.6, 计算波数值。
v 1 1 k 1307 k 1307 9.6 1650cm1
偶极子在交变电场中的作用示 意图
16:25:10
分子振动方程式
双原子分子的简谐振动及其频率
化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧
分子的振动能级（量子化）：
E振=（V+1/2）h V ：化学键的 振动频率； ：振动量子数。
16:25:10
任意两个相邻的能级间的能量差为：
E h h k 2
1 1 k 1307 k
condition of Infrared absorption spectroscopy
满足两个条件： Байду номын сангаас1)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。
对称分子：没有偶极矩，辐 射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。
非对称分子：有偶极矩，红 外活性。