近代物理-红外教案

1 n 2
1 1 k( ) m1 m2
(1)
红外光谱中，频率常用波数表示。
波数——每厘米中振动的次数。波数与波长互为倒数。
cm
1
1
lmm
10 4
(1cm=104μm)
若将频率采用波数表示，Hooke’s rule则可表示为：
1 1 1 k( ) 2c m1 m 2
H
乙醛
1165cm-1 H H H
1730cm-1
C
2720cm-1
C
d（CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。 n（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。
cm
1
1
l mm
10 4
红外谱图有等波长及等波数两种，对照标准谱图时应注意。
无瞬间偶极距变化时，无红外吸收。
（3）瞬间偶极距变化大，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；
C2H4O
O
红外光谱的产生
红外光谱就是当红外光照射有机物时，用仪器记录下来的吸 收情况（被吸收光的波长及强度等）。
可见光 l/mm n/cm-1 分子跃迁类型 适用范围 0.8 12500
近 2.5 4000
中 25 400 分子振动 和转动
远 1000 10 晶格振动 和纯转动
微波
泛频、倍频 有机官能团 定量分析
（3）1900~1200 cm-1为双键伸缩振动区 该区域主要包括三种伸缩振动： ① C=O伸缩振动出现在1900~1650 cm-1 ，是红外光谱中 特征的且往往是最强的吸收，以此很容易判断酮类、 醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基 吸收带由于振动耦合而呈现双峰。 ② C=C伸缩振动。烯烃 的C=C伸缩振动出现在1680~1620 cm-1 ，一般很弱。单核芳烃的C=C伸缩振动出现在 1600 cm-1和1500 cm-1附近，有两个峰，这是芳环的骨 架结构，用于确认有无芳核的存在。 ③ 苯的衍生物的泛频谱带，出现在2000~1650 cm-1范围， 是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收，虽然强 度很弱，但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上有 一定的作用。
1.3 分子中基团的基本振动形式
basic vibration of the group in molecular
1.3.1．两类基本振动形式
伸缩振动（ν）：只改变键长，不改变键角；波数较高。 弯曲振动（δ）：只改变键角，不改变键长；波数较低。
ì õ ñ ¯ É Ë Õ ¶ (n ) Ö Ó ñ ¯ ·×Õ ¶
（2）2500~1900 为叁键和累积双键区。 主要包括-CC、 -CN等叁键的伸缩振动，以及-C =C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。 对于炔烃类化合物，可以分成R-CCH和R-C C-R两 种类型。 R-CCH的伸缩振动出现在2100~2140 cm-1附近； R-C C-R出现在2190~2260 cm-1附近； R-C C-R分子是对称，则为非红外活性。 -C N 基的伸缩振动在非共轭的情况下出现2240~2260 cm-1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到 2220~2230 cm-1附近。若分子中含有C、H、N原子， -C N 基吸收比较强而尖锐。若分子中含有O原子，且O原子离-C N基越近， -C N基的吸收越弱，甚至观察不到。
（二）指纹区 （1）1800（1300） cm-1 ~ 900 cm-1区域是C-O、C-N、C-F、 C-P、C-S、 P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、 P=O等双键的伸缩振动吸收。 其中1375 cm-1的谱带为甲基的dC-H对称弯曲振动，对 识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在1300~1000 cm-1 ，是 该区域最强的峰，也较易识别。 （2）900 ~ 650 cm-1区域的某些吸收峰可用来确认化合物的 顺反构型。
1.2.2 IR的基本原理
红外光谱仪用来检测被物体吸收的红外光。红外光的吸收激发分子振动 和转动，这种振动和转动的频率和电磁波的红外范围一致。 下面是经典物理学描述红外吸收的谐波振荡的简单模型。将原子看成指 定质量的粒子，那么双原子分子（如HCl）的振动模型可以描述如下：
分子振动与红外光谱
分子的近似机械模型——弹簧连接小球。 分子的振动可用Hooke’s rule来描述：
¨² Ê · £ £¨ý ß ©
nas （不对称） s （对称） n
ä ú ñ ¯ Í Ç Õ ¶ (d)
£² Ê µ£ ¨¨ý Í © ¡ ¯ Ò ¶ (r) ô ¯ ¼ ¶ (s) ¿ ¯ É ¶ (w) Å ¶ (t) ¤¯
æ Ú Ã Ä
æ â Ã Í
同一键型，伸缩振动所需能量比弯曲振动的能量高，故吸收峰的波数也 高
亚甲基伸缩振动:
亚甲基
变形振动
甲基的振动形式
伸缩振动 甲基： 对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1 变形振动 甲基 对称δ s(CH3)1380㎝-1 不对称δ
as(CH3)1460㎝ -1
不对称 υ as(CH3) 2960㎝-1
同等原子之间键的伸缩振动所需能量远比弯曲振动的 能量高，因此伸缩振动的吸收峰波数比相应键的弯曲振动 峰波数高．今以乙醛为例，各种键的振动波数标于图1—2。 甲基和醛基的C—H键伸缩振动波数(νC—H)比弯曲振动波数 (δC—H)大l倍多．
第一章 红外光谱 （Infrared Spectroscopy,IR）
1.1 概述
不同波段的光连接起来构成成了整个光谱范围。
• 红外区域的划分：近红外（0.75---2.5）微米
• • 中红外（2.5---25）微米 远红外（25---1000）微米
•
•
波数=1/波长（单位：cm-1)
中红外（2.5---25）微米对应波数为4000---400
1.2.1 红外吸收峰产生的条件 1.2.2 IR的基本原理
1.2.1红外吸收光谱产生的条件
condition of Infrared absorption spectroscopy
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。（定义，CO2） 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。 偶极子在交变电场中的作用示 意图。
C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。 饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以下，约3000 ~2800 cm-1 ， 不饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以上，以此来判 别化合物中是否含有不饱和的C-H键。 苯环的C-H键伸缩振动出现在3030 cm-1附近，它的特征 是强度比饱和的C-H键稍弱，但谱带比较尖锐。 不饱和的双键=C-H的吸收出现在3010~3040 cm-1范围内， 末端= CH2的吸收出现在3085 cm-1附近。 叁键CH上的C-H伸缩振动出现在更高的区域（3300 cm-1 ）附近。
1 A log( ) 纵坐标：吸光度A或透光率T。 T
红外吸收峰的强度和形状常用下列符号表示：
很强 强 中等 弱 Vs (very strong) S (strong) M (midium) W (weak) 宽峰 肩峰 双峰 B (broad) Sh (shoulder) D (double)
图1—2 乙醛分子中诸键伸缩和弯曲振动示意图
1.3.2 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）
（2）峰数
峰数与分子自由度有关(3n-6,线性分子3n-5)(原理）。
傅里叶变换红外光谱仪的结构
每一台傅立叶变换红外光谱仪，由以下几部分构成：一个光源、一个干 涉仪（分束器是它的一部分）以及一个检测器。
FT-IR: 基本原理 ...
红外光谱仪
干涉仪是红外光谱仪的心脏部件
红外光 源发出 的光束
到样品
在干涉仪的出口，两束有光程差的光发生干涉，然后到样品。
1.2 IR的产生
(2)
式中： k— 化学键的力常数；
m —成键原子的质量。
不同分子的结构不同，化学键的力常数不同，成键原 子的质量不同，导致振动频率不同。 用红外光照射有机分子，样品将选择性地吸收那些与 其振动频率相匹配的波段，从而产生红外光谱。
在谐波振荡器中，振荡频率n， 在双原子分子情况下可以用 下式计算：
为折合质量
有机分子结构分析 无机矿物和 金属有机物 和样品成分分析
红外光谱法主要讨论有机物对中红区的吸收。
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 （ mm ） 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；
1.4.2 影响基团频率的因素 基团频率主要是由基团中原子的质量和原子间的化学键 力常数决定。 分子内部结构和外部环境的改变对它都有影响，因而同 样的基团在不同的分子和不同的外界环境中，基团频率可能 会有一个较大的范围。因此了解影响基团频率的因素，对解 析红外光谱和推断分子结构都十分有用。
1.4.1基团频率区和指纹区 （一）基团频率区 中红外光谱区可分成4000 cm-1 ~1300cm-1和1300 cm-1 ~ 600 cm-1两个区域。最有分析价值的基团频率在4000 cm-1 ~ 1300 cm-1 之间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征 区。 基团频率区可分为三个区域： （1）4000 ~2500 cm-1 X-H伸缩振动区，X可以是O、N、 C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在3650 ~3200 cm-1 范围内，它 可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。 胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100 cm-1 ，因 此，可能会对O-H伸缩振动有干扰。