材料表征方法 第七章 红外光谱
聚合物表征红外光谱
IR在聚合物研究中的用途
❖判定基团结构
❖判定聚集态结构
部分聚合物的结晶、取向与非晶结构在IR上有明显差别。
HDPE，LDPE
❖动态跟踪反应过程
1378cm-1cm-1
❖判定聚合反应机理
1.4 红外光
1.4.1 红外光的性质
• 肉眼看不见 • 具有热效应 • 具有反射、衍射、偏振等性质； • 传播速度与可见光相同,但波长比可见光长。
v
电磁波谱
电磁波的性质
• 光是一种电磁波，具有波粒二相性。
波动性
•可用波长( )、频率(v )和波数来描述。
•按量子力学，其关系为：
v c cv
式中： ν 为频率，单位为 Hz
c 为光速，其量值 = 3×1010cm.s-1
λ_ v
为波长 (cm)，也用nm作单位(1nm=10-7 1cm长度中波的数目，单位cm-1
1164.04 972. 74
1466.08 1457.09
2923.67 2853.41
0.3
0.2
PP
0.1
0.0
-0.1
PE
1076.10
1371.80
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
Wavenumbers (cm-1)
2.3 红外吸收光谱产生的条件
须满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量
折合质量的关系。 3、理解基团频率及其影响因素。 4、了解红外光谱仪的构成及特点。 5、了解红外光谱法在物质结构分析中的应用。
2020年7月20日星期一11时 36分5秒
精品现代材料分析-红外吸收光谱介绍PPT课件
R1 C
H
H 3040~3010
C R2
R2 3040~3010
C H
1420~1410 1420~1410
895~885
990 910 840~800
965
730~675
1658~1698 1645~1640 1675~1665 1675~1665 1665~1650
（3）炔烃
末端炔烃的C-H伸缩振动一般在3300 cm-1处 出现强的尖吸收带。
对于伸缩振动来说，氢键越强，谱带越宽，吸收强度越 大，而且向低波数方向位移也越大。
对于弯曲振动来说，氢键则引起谱带变窄，同时向高波 数方向位移。
O H NH 游离
R
R
HN H O 氢键
C=O 伸缩 N-H 伸缩 N-H 变形
1690
3500
1620-1590
1650
3400
1650-1620
HO O
苯环取代类型在2000~1667cm-1和 900~650cm-1的图形
邻、间及对位二甲苯的红外光谱
（5）醇和酚
在稀溶液中，O-H键的特征吸收带位于3650～3600 cm-1；在纯液体或固体中，由于分子间氢键的关系， 使这个吸收带变宽，并向低波数方向移动，在 3500～3200 cm-1处出现吸收带。
~17ห้องสมุดไป่ตู้0
~1760（游离态）
（5）芳环、C=C、C=N伸缩振动区 1675~1500cm-1
① RC=CR′ 1620 1680 cm-1 强度弱， R=R′（对称）时，无红外活性。
② 芳环骨架振动在1600～1450 cm-1有二到四 个中等强度的峰，是判断芳环存在的重要标 志之一。
红外光谱在材料表征中的应用
红外光谱在材料表征中的应用红外光谱作为一种重要的材料表征手段，在材料科学和化学等领域得到广泛应用。
本文将从红外光谱的基本原理入手，介绍其在材料表征中的应用。
一、基本原理红外光谱是由于分子在特定频率下吸收红外辐射而产生的光谱。
当红外辐射与物质相互作用时，分子中的化学键发生振动或转动，从而吸收一部分红外辐射。
不同的功能基团吸收的红外辐射频率不同，因此可以通过测量样品吸收的红外辐射强度来推断样品中的化学成分和功能基团。
红外光谱可分为两种主要类型：傅里叶变换红外光谱（FTIR）和色散红外光谱（dispersive IR）。
FTIR技术采用干涉仪和快速傅里叶变换（FFT）算法进行信号分析，具有高分辨率和快速采集速度的优点，适用于快速分析和定性鉴定。
而色散红外光谱则采用光栅或棱镜对红外光进行分光处理，其分辨率较低但可以进行微弱信号的分析。
二、应用领域1.聚合物材料表征聚合物是一类重要的工程材料，其化学结构和功能特性对性能有着重要的影响。
红外光谱可以对聚合物材料的结构、分子链的方向和有序程度等方面进行表征。
例如，通过红外光谱的峰位和形状分析可以确定聚合物链的取向，进而推断材料的结晶度。
此外，红外光谱还可以检测聚合物中的卤素、酰胺和酯等功能基团的存在与否，进而确定材料的化学组成和结构。
2.无机材料表征红外光谱在无机材料表征中也有广泛应用。
例如，可以通过红外光谱检测到表面吸附的分子、材料的晶格振动和与有机物质的作用等信息，揭示材料的表面和晶体结构。
同时，红外光谱还可以作为非常规样品表征的工具，例如检测催化剂和颗粒材料中的物质，研究材料与水的相互作用等。
3.医药化学领域在药物设计和研究中，红外光谱也发挥了重要作用。
例如，可以通过红外光谱检测药物与受体分子的相互作用、药物的晶体结构和药物结构的合成方案等方面。
红外光谱还可以定量分析药物的成分和相对含量，快速筛查药物污染物和检测新药物的分子结构等。
4.生物医学领域红外光谱在生物医学领域中也有广泛应用。
红外光谱
材料分析测试技术一、名词解析：1.红外光谱（Infrared Spectroscopy, IR）是利用试样吸收红外光的特征对物质进行结构鉴定的表征技术。
2.拉曼光谱（Raman Spectroscopy）就是利用光经过试样产生的拉曼散射特征对物质进行结构鉴定的表征技术。
3.Raman位移就是Stokes或Anti-Stokes线频率与入射光频率的差值。
4.核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）是记录处于外磁场中磁核能级之间跃迁的一种技术。
5.化学位移：由于质子所处的化学环境不同，其周围的微磁场自然不同，因此，核磁共振发生时外加的磁场强度并不相同，而是相对有一定的位移，这种吸收峰位置的差距被称为化学位移。
6.凝胶渗透色谱（Gel Permeation Chromatography, GPC）是一种色谱技术，它用高度多孔性的、非离子型的凝胶小球将溶液中多分散的聚合物逐级分开，配合分子量检测器使用即可得到分子量分布，是目前测定分子量分布最广泛应用的方法。
7.X射线衍射如果试样具有周期性结构（结晶），则X射线被相干散射（相对于入射光，散射光没有波长和相关系的改变），该现象被称为X射线衍射8.漫射X射线衍射如果试样具有不同电子密度的非周期性结构，则X射线被不相干散射（相对于入射光，散射光有波长和相关系的改变），该现象被称为漫射X 射线衍射（简称散射）。
9.热分析（Thermal Analysis, TA）是指在程序控温下测量物质的物化性质与温度关系的一类技术10.热重分析（Thermalgravimetry or Thermalgravimetric analysis, TG or TGA）是在程序控温下测量试样质量对温度的变化。
11.热机械分析（Thermomechanical analysis, TMA）是在程序控温和加载静态载荷（压或拉）下测量样品尺寸对温度的变化。
材料表征方法
材料表征方法一、引言。
材料表征是材料科学研究中的一个重要环节，通过对材料进行表征可以了解材料的结构、性能和特性，为材料的设计、合成和应用提供重要依据。
本文将介绍常见的材料表征方法，包括显微结构表征、物理性能表征和化学性能表征。
二、显微结构表征。
1. 光学显微镜。
光学显微镜是最常用的显微结构表征方法之一，通过光学显微镜可以观察材料的表面形貌和微观结构，了解材料的晶体形态、晶粒大小和分布等信息。
2. 电子显微镜。
电子显微镜包括扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM），能够观察材料的微观形貌和晶体结构，对材料的晶体学性质进行详细表征。
三、物理性能表征。
1. X射线衍射。
X射线衍射是一种常用的物理性能表征方法，通过分析材料对X射线的衍射图样，可以得到材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶面指数和结晶度等。
2. 热分析。
热分析是通过对材料在不同温度下的热学性质进行测试，包括热重分析（TGA）、差热分析（DSC）和热膨胀分析（TMA），可以得到材料的热稳定性、热容量和热传导性等信息。
四、化学性能表征。
1. 质谱分析。
质谱分析是一种常用的化学性能表征方法，通过对材料中各种化合物的质谱进行分析，可以确定材料的组成和结构，了解材料的化学成分和分子结构。
2. 红外光谱。
红外光谱可以用于表征材料的化学成分和分子结构，通过分析材料在红外光谱下的吸收特征，可以得到材料中各种官能团的信息，包括羟基、羰基和氨基等。
五、结语。
材料表征是材料科学研究中的重要内容，通过对材料的显微结构、物理性能和化学性能进行全面表征，可以为材料的设计、合成和应用提供重要依据。
本文介绍了常见的材料表征方法，希望能够对材料科学研究者有所帮助。
红外光谱在材料科学中的表征分析
红外光谱在材料科学中的表征分析红外光谱是材料科学领域广泛应用的一种非常重要的分析技术。
它通过检测材料对红外辐射的吸收和散射来获取关于材料结构、化学键以及分子组成的信息。
红外光谱能够提供有关材料的结构、功能和性质的详尽信息，因此在材料科学中具有极高的应用价值。
本文将介绍红外光谱技术的原理、应用以及其在材料科学中的具体表征分析方法。
首先，让我们来了解一下红外光谱的原理。
红外光谱是基于材料对红外辐射的吸收和散射原理而工作的。
红外光谱的原理基于分子固有振动的概念，即材料中分子之间的原子相对位置的变化会引起不同的振动。
当红外光线通过材料时，与样品中的化学键发生相互作用后，红外光线的振动状态发生变化，部分光线被吸收。
通过分析被吸收的光线的频率和强度，我们可以获得材料的红外光谱图。
红外光谱在材料科学中的应用非常广泛。
首先，它被用于材料的组成分析。
由于不同材料的化学键和分子结构不同，它们对红外光的吸收和散射特性也会有所差异。
通过分析红外光谱图，可以识别和确定材料的化学组成。
这对于材料的鉴定和品质控制非常重要。
其次，红外光谱可用于材料的结构分析。
由于红外光谱可以提供材料中化学键的信息，因此可以推断材料的分子结构和晶体结构。
这对于研究材料的结构性能关系以及开发新材料具有重要意义。
此外，红外光谱还可以用于研究材料的表面性质和界面反应等方面。
在材料科学中，红外光谱的表征分析方法具有多样性。
常见的红外光谱技术包括傅里叶红外光谱、红外反射光谱和红外拉曼光谱等。
傅里叶红外光谱是最常用的方法之一，它可以提供关于材料中各种键的信息。
利用傅里叶变换技术，我们可以将红外光谱进行数学处理，得到频率和强度的谱图。
这种方法非常适用于材料的成分分析和结构表征。
红外反射光谱则是通过将红外光线投射到材料表面上，然后测量反射光的强度和频率来分析材料。
这种方法通常用于非透明材料的表面分析，可以提供关于材料表面化学键和结构的信息。
红外拉曼光谱是一种结合了拉曼光谱和红外光谱的方法，可以提供分子振动模式的信息。
材料分析测试 红外吸收光谱分析法PPT教案
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28
对于无机物（矿物）中的基团（化学键）来说： 离子电价：阴离子和阳离子的电价升高，使键强相对增
大，从而分子(基团）振动频率增高。这里起主要作用 的是阳离子，其电价变化为1~6。
这就是为什么在红外光谱图上除了可以观察到较强的基频吸收外，还可以观 察到弱的倍频和组频等泛音吸收的缘故。
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8
双 原 子 分 子 伸缩振 动频率
1 k/
2
振动光谱的用途
（1）当把双原子分子看成是一谐振子时，只要知道力 常数k，即可求出吸收位置v(cm-1)。 反过来，可由振动光谱求价键的力常数。 力常数是衡量价键性质的一个重要参量。
振动自由度：分子的简正振动数目称为振动自由度。 由N个原子组成的分子有（3N-6）个简正振动模式[线 型分子为（3N-5）个]。 运动自由度3N-平动自由度3-转动自由度3（线型2）
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15
16
多原子分子的自由度 Degrees of freedom for poly atomic molecules
如CO2的1不伴随偶极变化，无红外光谱[出现在拉曼光 谱中]
多原子分子的选择定则（判断振动是否红外活性、是否 拉曼活性）与其对称性有关，运用群论方法可以确定各 种分子振动红外跃迁的选择定则。
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19
简正振动模式（Normal Modes of Vibration ）
伸缩振动：键长发生变化，键角不变。又分为对称伸缩振动和不（反）对称 伸缩振动；
频吸收带数目常少于根据3N-6（或3N-5）所确定的振动 数目。
红外光谱技术在材料表征中的应用研究
红外光谱技术在材料表征中的应用研究引言红外光谱技术是一种广泛应用于材料表征领域的重要科学工具。
它通过测量材料在红外区域的吸收和散射光谱，可以获取材料的结构和性质信息。
本文将探讨红外光谱技术在材料表征中的应用研究，并着重讨论其在聚合物材料、无机材料和生物材料等领域中的具体应用。
聚合物材料表征中的应用红外光谱技术在聚合物材料的表征中发挥着重要作用。
聚合物是由重复单元组成的大分子化合物，红外光谱可以通过测量材料分子中的键振动来确定其化学结构。
例如，红外光谱可以帮助研究人员确定聚合物中的官能团，如羰基、羟基、胺基等，并进一步探究它们在材料性能中的作用。
此外，红外光谱还能够揭示聚合物材料中的其它性质，如晶型结构、有序程度和分子间相互作用等。
无机材料表征中的应用除了聚合物材料，红外光谱技术在无机材料中也发挥着重要作用。
无机材料是由非碳基小分子化合物组成的，相对于聚合物材料，其红外光谱特征更加清晰。
通过红外光谱，研究人员可以鉴定无机材料中的化学键种类和结构，如金属氧化物中的金属-氧键和氧化物键等。
此外，红外光谱还可以提供无机材料晶体结构的信息，研究人员利用该技术可以确定无机材料的晶体结构和晶格参数，以及材料中的杂质和缺陷等。
生物材料表征中的应用在生物材料的表征中，红外光谱技术也有广泛的应用。
生物材料通常包括蛋白质、核酸和多糖等复杂分子，在红外光谱中具有特定的吸收峰。
通过红外光谱，研究人员可以确定生物材料的功能基团，如蛋白质中的酰胺键和羧基等，进而了解其化学组成和结构性质。
此外，红外光谱还可以研究生物材料中的相互作用，如蛋白质和药物之间的相互作用和多肽链的构象变化等。
这些信息对于研究人员理解生物材料的生理活性和功能具有重要意义。
红外光谱技术的发展趋势红外光谱技术在材料表征中的应用正随着科学技术的进步不断发展。
随着仪器设备的升级和红外光谱的分辨率提高，研究人员可以获取更加准确和详细的信息。
此外，红外光谱技术与其它分析技术的结合也为材料表征提供了更多的手段。
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伸 缩 振 动 改 变 键 长
对称伸缩振动
分子的振动方式
伸 缩 振 动 改 变 键 长
不对称伸缩振动分子的振动来自式弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面箭式弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面摇摆弯曲振动
分子的振动方式
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外摇摆弯曲振动
分子的振动方式
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
500
View Mode: Ov erlay R es =4.0 CM-1
FT-IR Absorbance Spectrum
Bio-Rad Win-IR
.3
697.684 2922.98 3081.5 3059.57 3025.3 1492.46 1451.73 1600.65 2849.8
.25
Absorbance
.2
.15
.1
.05
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)
3500
3000
2500 2000 W av enumber (cm-1)
1500
1000
1028
756.936
500
View Mode: Peaks R es =4.0 CM-1
弯 曲 振 动 改 变 键 角
平面外扭曲弯曲振动
以水分子的振动为例加以说明
水分子是非线型分子，振动自由度：3×3-6=3个 振动形式，分别为不对称伸缩振动、对称伸缩振动和 变形振动。这三种振动皆有偶极矩的变化，具有红外 活性。
水的红外光谱
不同状态水的红外吸收频率（cm-1）
9. 红外谱图的峰强
红外光(0.76～1000μm)
λ(m) σ(cm-1) 0.78 12820 近红外 3 3333 中红外 30 333 远红外 300 33
红外光谱分类及功能
104 (cm ) ( m)
1
1. 红外光谱的定义：
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，并由其 振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产 生的分子振动和转动能级从基态到激发态 的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红 外光谱，又称为分子振动转动光谱。
振动跃迁过程中分子必须有偶极矩的变化。
只有能够引起偶极矩变化的振动，才能产生共振 吸收。像N2，O2，Cl2等对称分子，由于两原子核外电 子云的密度相同，正、负电荷中心重合，等于0，故 振动时没有偶极矩的变化，不吸收红外辐射，不能产 生红外吸收光谱。
①化学键两端连接的原子电负性差别大，则伸 缩振动时引起的峰也越强。 ② 振动形式不同对分子的电荷分布影响不同 ③ 分子对称性越高，峰越弱
三、红外光谱原理概述
基本原理： 基团振动能级是量子化： Ev=（n+1/2）h（n=0，1，2，…） (1) 基团振动能级的能量差为： △E振=△n×h (2) 当某红外频率的光子能量等于基团振动能级的 能量差时，可产生红外吸收。
分子中基团的能级从基态向第1，2， N激发态 跃迁，对应的吸收光谱带： 基频峰 （0→1） 2885.9 cm-1 最强，最有用 二倍频峰（ 0→2 ） 5668.0 cm-1 较弱 三倍频峰（ 0→3 ） 8346.9 cm-1 很弱 四倍频峰（ 0→4 ） 10923.1 cm-1 极弱 五倍频峰（ 0→5 ） 13396.5 cm-1 极弱 除基频峰、倍频峰外，还出现合频峰（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。
7. 红外谱图的峰位
分子的振动频率决定分子基团吸收的红外光频率，即红外 吸收位置。
1 2
K m1
K
m2
或
1 2C
K
m1 m2 m1 m2
K为双原子形成的化学键力常数
双原子分子伸缩振动示意图
m1和m2分别为质量两个原子 相对原子
振动频率
与
原子的质量
化学键强度
有关
8、分子的振动方式
红外光谱法的特点
任何气态、液态、固态样品均可进行红外
光谱测定； 不同的化合物有不同的红外吸收，由红外 光谱可得到化合物丰富的结构信息； 常规红外光谱仪价格低廉； 样品用量少； 可针对特殊样品运用特殊的测试方法
一、红外光谱的基础知识
红外光谱是分子吸收红外光引起振 动和转动能级跃迁产生的吸收信号。
二、红外光谱仪
国产双光束比例记录红外分光光度计
美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR
FT-IR Transmission Spectrum
Bio-Rad Win-IR
90 85 80
Transmittance
75 70 65 60 55 50
4000 File # 1 : POLYR N umber of Scans : C omment: POLYR (1)
S0 UV/Vis
V3 V2 V1 V0
S0 IR
5. 红外光谱图
6. 红外谱图的峰数
由n个原子组成的分子有3n-6个(线性分子为3n-5)振动模
式, 即有3n-6个吸收带。 H2O 自由度=3×3-6=3 有三个基本振动模式 C6H6 自由度=3×12-6=30 有30个基本振动模式 例：HCl 自由度=3×2-5=1 只有一个伸缩振动
2. 红外活性分子和非红外活性分子 产生红外吸收的分子称为红外活性分子，如 CO2分子；反之为非红外活性分子，如O2分子。
3. 局限 （1）CH3(CH2)6CH3 与 CH3 (CH2)8CH3图谱区 别不大 （2）定量测量的误差可达百分之几！
4.红外吸收的能量
Electronic Spectroscopy S1 Vibrational Spectroscopy S1
第四章 红外吸收光谱(IR)
Infrared Absorption Spectroscopy
本章主要内容
1.1红外光谱的基本原理 1.2红外谱图的峰数、峰位与峰强（难点） 1.3红外光谱特征基团的吸收频率（重点） 1.4红外光谱在结构分析中的应用（重点）
红外光谱法发展历程
50年代初期，商品红外光谱仪问世。 70年代中期，红外光谱已成为有机化 合物结构鉴定的最重要的方法。 近十年来，傅里叶变换红外的问世以 及一些新技术的出现，使红外光谱得到更 加广泛的应用。