红外吸收光谱法
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红外吸收光谱法
红外吸收光谱法
红外吸收光谱法简称红外光谱法。
当一定频率（能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和外界红外辐射频率一致时，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。
将分子吸收红外光的情况用仪器记录就得到该试样的红外吸收光谱图，利用光谱图中吸收峰的波长、强度和形状来判断分子中的基团，对分子进行结构分析。
常用于中药化学成分的结构分析。
红外光谱法，又称“红外分光光度分析法”，是分子吸收光谱的一种。
根据不同物质会有选择性的吸收红外光区的电磁辐射来进行结构分析；对各种吸收红外光的化合物的定量和定性分析的一种方法。
物质是由不断振动的状态的原子构成，这些原子振动频率与红外光的振动频率相当。
用红外光照射有机物时，分子吸收红外光会发生振动能级跃迁，不同的化学键或官能团吸收频率不同，每个有机物分子只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱，所得到的吸收光谱通常称为红外吸收光谱，简称红外光谱“IR”，对红外光谱进行分析，可对物质进行定性分析。
各个物质的含量也将反映在红外吸收光谱上，可根据峰位置、吸收强度进行定量分析。
红外吸收光谱法
不饱和度：U=1/2（ 2+2n4+n3-n1 ） ① 链状饱和脂肪化合物的U=0 ②一个双键或一个饱和环状结 构的U=1 ③一个三键的U=2 ④一个苯环的U=4
解析方法 一般原则：先特征，后指纹；先最 强，后次强；先粗查，后细找；先 否定，后肯定。 解析三要素：峰位、峰强、峰形。 原则：一组相关峰确认一个官能团。
所以非线性分子振动自由度=3N-6 线性分子振动自由度=3N-5
意义
用振动自由度可以估计分子的基本 振动频率所产生的吸收峰的数目。
不能用官能团所含的原子数估计官能团的 基本振动频率所产生的吸收峰的数目。
基本原理（二）
IR产生的条件和吸收峰强度 1、条件：①红外辐射的能量必须等于分子的振动 能级差②分子振动的过程中偶极矩必须发生变化。 分子振动的过程中偶极矩发生变化的振动称 为红外活性振动。
示例（1）
已知分子式C6H10O推断分子结构。
示例（2）
已知分子式C10H10O4推断分子结构。
特征吸收峰 （简称特征峰 ） 可用于鉴别官能团 存在的吸收峰。 相关峰（简称相关峰） 由一个官能团产生的一 组相互具有依存关系的吸收峰。
有机化合物的典型光谱
脂肪烃类 芳香烃类 醇、酚、醚 羰基化合物 含氮化合物
脂肪烃类
芳香烃类
醇、酚、醚
羰基化合物
含氮化合物
红外光谱仪
特征区、指纹区
特征区 红外光谱4000~1300cm -1区域。 吸收峰稀疏、易辨认、与官能团一一对应。 确定官能团的存在、化合物的类型。 指纹区 红外光谱1300~400cm -1区域。 吸收峰密集、多变复杂，体现化合物的光谱 特征性如人的指纹一样强。 查找相关吸收峰，进一步确定官能团的存在。
红外吸收光谱法
）．未知物结构的测定 （ 2 ）．未知物结构的测定
基本方法： 基本方法：图谱解析 测绘样品的红外谱图 分析吸收峰的位置、形状、强度等要素 分析吸收峰的位置、形状、 确定分子中所含的基团或化学键 推断分子的结构
步骤1 步骤1： 准备工作 了解样品的来源、制备过程、外观、 了解样品的来源、制备过程、外观、 纯度、 纯度、经元素分析后确定的化学式以及熔 沸点、溶解性质等物理性质， 点、沸点、溶解性质等物理性质，取得对 样品有个初步的认识或判断
特点 光谱来源：分子振动和转动； 光谱来源：分子振动和转动； 样品：气态、液态、固态样品； 样品：气态、液态、固态样品； 应用：结构分析。 应用：结构分析。
一、
红外吸收光谱法的基本原理
1、红外光谱(IR)的产生 、红外光谱 的产生 样品受到的红外光照 射时， 射时，分子吸收其中 一些频率的辐射， 一些频率的辐射，发 生振-转能级的跃迁, 生振-转能级的跃迁, 分子的偶极矩发生变 即得红外光谱。 化，即得红外光谱。
3. 单色器
组成：色散元件、准直镜和狭缝。 组成：色散元件、准直镜和狭缝。 棱镜： 单晶。 棱镜：LiF、CaF2、NaF、KBr单晶。 、 、 单晶 光栅：可用几个光栅组合。 光栅：可用几个光栅组合。
三、
红外光谱法的应用
1
）．已知物的鉴定 （ 1 ）．已知物的鉴定 ）．未知物结构的测定 （ 2 ）．未知物结构的测定
二、色散型红外光谱仪
与紫外可见分光光度计对比 基本组成部件相似： 均有光源、吸收池、 基本组成部件相似： 均有光源、吸收池、单 相似 色器、检测器等。 色器、检测器等。 每个部件的结构、材料和性能不同： 每个部件的结构、材料和性能不同： 不同 如光源、吸收池等。 如光源、吸收池等。
红外吸收光谱分析法FTIR
光谱解析难度大
红外光谱的复杂性较高，需要专业的 知识和技能进行解析，对分析人员的 要求较高。
仪器成本高
FTIR仪器的制造成本较高，使得其普 及和应用受到一定限制。
测试时间较长
与一些其他分析方法相比，FTIR的测 试时间可能较长，需要更多的时间来 完成分析。
未来发展前景
提高检测灵敏度和分辨率 通过改进仪器性能和技术，提高 FTIR的检测灵敏度和分辨率，使 其能够更好地应用于微量样品和 高精度分析。
环境监测
FT-IR可以用于环境监测领域， 如气体分析、水质分析、土壤
分析等。
02 ftir仪器组成
光源
光源是红外傅里叶变换红外光 谱仪（ftir）中的重要组成部分， 负责提供足够能量和合适波长 的红外辐射。
常见光源有硅碳棒、陶瓷气体 放电灯、远红外激光等。
光源的选择直接影响ftir的灵敏 度和分辨率，因此需要根据实 验需求选择合适的光源。
小型化和便携化 为了方便现场快速检测和实时监 测，FTIR仪器的小型化和便携化 成为一个重要的发展方向。
拓展应用领域 随着FTIR技术的不断成熟和普及， 其应用领域将会进一步拓展，包 括生物医学、环境监测、食品安 全等领域。
智能化和自动化 通过引入人工智能和自动化技术， 实现FTIR分析的智能化和自动化， 提高分析效率和准确性。
基频峰
分子振动能级跃迁产生的谱线，是红外光谱中最 强的峰。
特征峰
与分子中特定化学键或振动模式对应的峰，可用 于鉴定化合物结构。
谱图解析方法
峰位置分析
通过分析峰的位置，确定特定化学键或基团的存在。
峰强度分析
通过分析峰的强度，了解分子中特定化学键或基团的相对含量。
峰形分析
红外吸收光谱法的应用原理
红外吸收光谱法的应用原理1. 红外吸收光谱的基本原理红外吸收光谱法（Infrared Absorption Spectroscopy）是一种用于分析物质的方法，它基于物质对红外辐射的吸收特性。
红外光谱法广泛应用于药物分析、材料表征、环境监测等领域。
红外光谱法的基本原理是当物质处于特定的分子振动状态时，它会吸收特定的红外辐射，这些吸收发生在物质的红外光谱区域。
红外光谱法通过测量物质对红外辐射的吸收程度，从而得到物质的红外吸收光谱图。
2. 红外吸收光谱法的仪器原理红外吸收光谱法的仪器主要包括红外光源、样品室、光路系统、检测器和数据处理部分。
2.1 红外光源红外光源产生红外辐射，常用的红外光源包括红外线灯和红外线激光器。
红外线灯产生的辐射广谱而连续，适用于一般的红外光谱分析。
而红外线激光器产生的辐射则是单一波长的单色辐射，适用于高分辨率和高精确度的红外光谱分析。
2.2 样品室样品室用于容纳待测样品。
在样品室中，样品与红外辐射发生相互作用，然后通过光路系统送入检测器进行接收。
2.3 光路系统光路系统由多个光学元件组成，包括光源耦合、样品室与检测器间的光传输路径。
光路系统的设计对于保证测量的准确性和灵敏度至关重要。
2.4 检测器检测器用于接收样品室中的红外辐射，并将其转换为电信号。
常见的红外光谱检测器包括晶体检测器、半导体检测器和热电偶检测器。
不同的检测器具有不同的灵敏度和响应时间。
2.5 数据处理数据处理部分负责接收、处理和呈现红外光谱的数据。
主要的数据处理方法包括谱图的平滑、峰识别和定量分析等。
3. 红外吸收光谱法的应用红外吸收光谱法广泛应用于各个领域的分析和检测中，包括但不限于：•药物分析：红外光谱法可以用于药物的结构鉴定、纯度检验和含量测定等。
•材料表征：红外光谱法可以用于材料的组成分析、结构表征和质量控制等。
•环境监测：红外光谱法可以用于大气中气体的监测和水中污染物的鉴定等。
此外，红外光谱法还可以与其他分析技术相结合，如气相色谱（Gas Chromatography, GC）、质谱（Mass Spectrometry, MS）等，以提高分析的灵敏度和准确性。
红外吸收光谱分析法
红外吸收光谱分析法
一、红外吸收光谱分析法概述
红外吸收光谱分析法是一种利用物质的红外光吸收能力来探测它们的物质组成的技术。
它特别适用于有机化合物和无机化合物的光谱分析。
通过分析红外吸收光谱，可以检测物质中的有机键、C-H键、C-O键或N-H 键的存在和位置，从而鉴定出物质的化学结构和性质。
红外光吸收法的原理是，物质中的分子、晶体或其他结构会在不同的波长处吸收光，产生光谱，这些吸收光谱是物质的独特特征，反映出物质的特性。
根据这种特性，分析用不同波长的光照射样品，并从所得到的光谱中提取出电子激发、分子振动等信息，从而得到物质的结构和性质。
二、红外吸收光谱分析法基本原理
红外吸收光谱分析法的原理是，当物质受到红外幅射的照射时，它的分子会产生振动和旋转，这些振动和旋转的能量会转化为更高能量的电子跃迁。
这些电子跃迁会引起物质材料吸收一些具有特定波长的红外光，从而产生在不同波长的吸收光谱，通过分析这些吸收光谱，就可以求取物质分子的结构和性质。
红外吸收光谱法
AX 2型分子
ωCH2 ~ 1300cm
−1
2）蜷曲τ：一个X原子在面上，一个X原子在面下的 ）蜷曲τ：一个X原子在面上，一个X 振动
AX 2型分子
τCH2 ~ 1250cm
−1
续前
3．变形振动： 1）对称的变形振动δs：三个AX键与轴线的夹角同时 对称的变形振动δ ：三个AX键与轴线的夹角同时 变大
AX3型分子
δ
s CH3
~ 1375cm
−1
2）不对称的变形振动δas：三个AX键与轴线的夹角不 不对称的变形振动δ ：三个AX键与轴线的夹角不 同时变大或减小
AX3型分子
as δCH3 ~ 1450cm−1
图示
as νCH3 ~ 2960cm−1
ν ν
as −1 CH2 ~ 2925cm s −1 CH3 ~ 2870cm
λmax ,σ max 或ν max
1．基本振动频率
1 ν= 2π K m折
K ⇒σ =1302 m折
m1 ⋅ m2 其中 m折 = m1 + m2
注：σ 与K 和m折有关
讨论： 讨论：
1） 相近， K m折 ↑⇒σ ↓，ν ↓ （光谱区右端） 例：ν C−H >ν C−C >ν C−O 2） 同类原子： 折一定， ↑⇒σ ↑，ν ↑，（光谱区左端） m K
3） 同一基团的振动形式不 ⇒峰位不同 同
as s νCH >νCH
续前
2．基频峰分布图
（二）影响吸收峰位的因素
1．内部因素： （1）诱导效应（吸电效应）： 诱导效应（吸电效应） 使振动频率移向高波数区
吸电性 ↑，双键性 ↑，K ↑⇒ν ↑
续前
（2）共轭效应： 使振动频率移向低波数区
ωCH2 ~ 1300cm
−1
2）蜷曲τ：一个X原子在面上，一个X原子在面下的 ）蜷曲τ：一个X原子在面上，一个X 振动
AX 2型分子
τCH2 ~ 1250cm
−1
续前
3．变形振动： 1）对称的变形振动δs：三个AX键与轴线的夹角同时 对称的变形振动δ ：三个AX键与轴线的夹角同时 变大
AX3型分子
δ
s CH3
~ 1375cm
−1
2）不对称的变形振动δas：三个AX键与轴线的夹角不 不对称的变形振动δ ：三个AX键与轴线的夹角不 同时变大或减小
AX3型分子
as δCH3 ~ 1450cm−1
图示
as νCH3 ~ 2960cm−1
ν ν
as −1 CH2 ~ 2925cm s −1 CH3 ~ 2870cm
λmax ,σ max 或ν max
1．基本振动频率
1 ν= 2π K m折
K ⇒σ =1302 m折
m1 ⋅ m2 其中 m折 = m1 + m2
注：σ 与K 和m折有关
讨论： 讨论：
1） 相近， K m折 ↑⇒σ ↓，ν ↓ （光谱区右端） 例：ν C−H >ν C−C >ν C−O 2） 同类原子： 折一定， ↑⇒σ ↑，ν ↑，（光谱区左端） m K
3） 同一基团的振动形式不 ⇒峰位不同 同
as s νCH >νCH
续前
2．基频峰分布图
（二）影响吸收峰位的因素
1．内部因素： （1）诱导效应（吸电效应）： 诱导效应（吸电效应） 使振动频率移向高波数区
吸电性 ↑，双键性 ↑，K ↑⇒ν ↑
续前
（2）共轭效应： 使振动频率移向低波数区
仪器分析第十五章红外吸收光谱法
单 核 芳 烃 的 C ＝ C 伸 缩 振 动 出 现 在 1600 － 1500cm-1附近，有2－4个峰，这是芳环的骨架振动， 用于确定有无芳核的存在。
苯的衍生物在2000－1650cm-1区域出现C－H面外弯曲变 形振动的倍频或者组合频吸收，但因为强度较弱，只有在加 大样品浓度时才呈现出来。可以根据该区的吸收情况，判断 苯环的取代情况。
影响基团频率位移的因素－外部因素和内部因素
（1）电子效应－包括诱导效应、共轭效应和中介 效应，是由于化学键的电子分布不均匀引起的。
诱导效应（I效应）－由于取代基的不同的电负性， 通过静电诱导作用，引起分子中的电子分布的变化， 改变了键的力常数，使特征频率发生位移。例如有 电负性较强的元素如Cl与羰基相连时，由于诱导效 应，发生氧上电子转移，使C=O的力常数变大，吸 收向高波数移动。元素电负性越强，移动越厉害。
组频——如果分子吸收一个红外光子，同时激 发了基频分别为v1和v2的两种跃迁，此时所产 生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频 率之和，故称组频。
对谐振子，倍频、组频均为禁阻跃迁。
但由于真实分子的非谐性，倍频、组频跃迁几 率并不为零。但强度都很弱。
分子的振动自由度
每个原子在空间的位置必须有三个坐标来确定， 则由N个原子组成的分子就有了3N个坐标，或称为 有3N个运动自由度。分子本身作为一个整体，有三 个平动自由度和三个转动自由度。
线性分子只有两个转动自由度，因为总有一个 轴心于双原子分子的键轴重合，原子在空间的 坐标并不改变。线性分子的振动自由度为3N-5， 非线性为3N－6。
例如苯分子的振动自由度为3×12-6＝30，即30 种简正振动。任何一个分子的振动，都可看成 3N－6或者3N－5个简正振动的叠加而成。
苯的衍生物在2000－1650cm-1区域出现C－H面外弯曲变 形振动的倍频或者组合频吸收，但因为强度较弱，只有在加 大样品浓度时才呈现出来。可以根据该区的吸收情况，判断 苯环的取代情况。
影响基团频率位移的因素－外部因素和内部因素
（1）电子效应－包括诱导效应、共轭效应和中介 效应，是由于化学键的电子分布不均匀引起的。
诱导效应（I效应）－由于取代基的不同的电负性， 通过静电诱导作用，引起分子中的电子分布的变化， 改变了键的力常数，使特征频率发生位移。例如有 电负性较强的元素如Cl与羰基相连时，由于诱导效 应，发生氧上电子转移，使C=O的力常数变大，吸 收向高波数移动。元素电负性越强，移动越厉害。
组频——如果分子吸收一个红外光子，同时激 发了基频分别为v1和v2的两种跃迁，此时所产 生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频 率之和，故称组频。
对谐振子，倍频、组频均为禁阻跃迁。
但由于真实分子的非谐性，倍频、组频跃迁几 率并不为零。但强度都很弱。
分子的振动自由度
每个原子在空间的位置必须有三个坐标来确定， 则由N个原子组成的分子就有了3N个坐标，或称为 有3N个运动自由度。分子本身作为一个整体，有三 个平动自由度和三个转动自由度。
线性分子只有两个转动自由度，因为总有一个 轴心于双原子分子的键轴重合，原子在空间的 坐标并不改变。线性分子的振动自由度为3N-5， 非线性为3N－6。
例如苯分子的振动自由度为3×12-6＝30，即30 种简正振动。任何一个分子的振动，都可看成 3N－6或者3N－5个简正振动的叠加而成。
红外吸收光谱法课件
*
红外吸收光谱法
在倍频峰中，二倍频峰还比较强，三倍频峰以上。因跃迁的几率很小。一般都很弱，常常观测不到。 4000～400cm-1间主要测基频峰，既使有倍频峰也很弱。 还有 合频峰（v1＋v2 , 2 v1 ＋ v2 ….) 差频峰（ v1 - v2 , 2v1 -v2 …….） 很弱，不易辨认。 倍频峰，合频峰，差频峰通称泛频峰，分 子振动并不是严格的简谐振动。
*
红外吸收光谱法
（2）倍频峰： 在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态（υ =0），跃迁至第二振动激发态（υ＝2），第三振动激发态（ υ＝3）…..等等，所产生的吸收峰。这些吸收峰称为倍频峰。 二倍频峰： υ0→2 νL=△u·v＝(2－0) ·v ＝2 v 三倍频峰: υ0→3 νL =△ u·v =(3-0) ·v =3v
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红外吸收光谱法
4.基频峰数目减少的原因 (1)△μ=0 (2)o=c=o (3)仪器分辨率低 对一些频率很近的吸收峰分不开，一些 弱峰仪器灵敏度低，未捡出。 (4)波长超过了仪器的可测范围。 如 CO2只有两个峰。
*
红外吸收光谱法
图6-6二氧化碳的红外光谱图
*
红外吸收光谱法
*
红外吸收光谱法
2. 产生红外吸收的第二个条件 分子在振动，转动过程中必须有偶极矩 的净变化。即偶极矩的变化△μ≠0
图6～2：偶极子在交变电场中的作用示意图
*
红外吸收光谱法
（1）红外活性 分子振动引起偶极矩的变化，从而产生红外吸收的性质，称为红外活性。其分子称为红外活性分子。相关的振动称为红外活性振动。如H2O ，HCl ，CO为红外活性分子。 （2）非红外活性 若△μ＝0，分子振动和转动时，不引起偶极矩变化。不能吸收红外辐射。即为非红外活性。其分子称为红外非活性分子。如 H2 ，O2 ，N2 ，Cl2….相应的振动称为红外非活性振动。
红外吸收光谱法
在倍频峰中，二倍频峰还比较强，三倍频峰以上。因跃迁的几率很小。一般都很弱，常常观测不到。 4000～400cm-1间主要测基频峰，既使有倍频峰也很弱。 还有 合频峰（v1＋v2 , 2 v1 ＋ v2 ….) 差频峰（ v1 - v2 , 2v1 -v2 …….） 很弱，不易辨认。 倍频峰，合频峰，差频峰通称泛频峰，分 子振动并不是严格的简谐振动。
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红外吸收光谱法
（2）倍频峰： 在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态（υ =0），跃迁至第二振动激发态（υ＝2），第三振动激发态（ υ＝3）…..等等，所产生的吸收峰。这些吸收峰称为倍频峰。 二倍频峰： υ0→2 νL=△u·v＝(2－0) ·v ＝2 v 三倍频峰: υ0→3 νL =△ u·v =(3-0) ·v =3v
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红外吸收光谱法
4.基频峰数目减少的原因 (1)△μ=0 (2)o=c=o (3)仪器分辨率低 对一些频率很近的吸收峰分不开，一些 弱峰仪器灵敏度低，未捡出。 (4)波长超过了仪器的可测范围。 如 CO2只有两个峰。
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红外吸收光谱法
图6-6二氧化碳的红外光谱图
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红外吸收光谱法
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红外吸收光谱法
2. 产生红外吸收的第二个条件 分子在振动，转动过程中必须有偶极矩 的净变化。即偶极矩的变化△μ≠0
图6～2：偶极子在交变电场中的作用示意图
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红外吸收光谱法
（1）红外活性 分子振动引起偶极矩的变化，从而产生红外吸收的性质，称为红外活性。其分子称为红外活性分子。相关的振动称为红外活性振动。如H2O ，HCl ，CO为红外活性分子。 （2）非红外活性 若△μ＝0，分子振动和转动时，不引起偶极矩变化。不能吸收红外辐射。即为非红外活性。其分子称为红外非活性分子。如 H2 ，O2 ，N2 ，Cl2….相应的振动称为红外非活性振动。
仪器分析 第四章--红外吸收光谱法
章节重点：
分子振动基本形式及自由度计算；
红外吸收的产生2个条件；
各类基团特征红外振动频率；
影响红外吸收峰位变化的因素。
第八章 红外吸收光谱分 析法
第三节 红外分光光度计
1. 仪器类型与结构
2. 制样方法
3. 联用技术
1. 仪器类型与结构
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
弯曲振动：
1.4 振动自由度
多原子分子振动形式的多少用振动自由度标示。
三维空间中，每个原子都能沿x、y、z三个坐标方向独 立运动，n个原子组成的分子则有3n个独立运动，再除 掉三个坐标轴方向的分子平移及整体分子转动。
非线性分子振动自由度为3n-6，如H2O有3个自由度。 线性分子振动自由度为3n-5，如CO2有4个自由度。
某些键的伸缩力常数：
键类型: 力常数: 峰位:源自-CC15 2062 cm-1
-C=C10 1683 cm-1
-C-C5 1190 cm-1
-C-H5.1 2920 cm-1
化学键键强越强（即键的力常数K越大），原子折合 质量越小，化学键振动频率越大，吸收峰在高波数区。
1.2 非谐振子
实际上双原子分子并非理想的谐振子！随着振动量子 数的增加，上下振动能级间的间隔逐渐减小！
（1）-O-H，37003100 cm-1，确定醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐 ，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。
注意区分： -NH伸缩振动：3500 3300 cm-1 峰型尖锐
（2）饱和碳原子上的-C-H -CH3 2960 cm-1 2870 cm-1 反对称伸缩振动 对称伸缩振动
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• 红外光谱以T~或T~ 来表示，下图为苯酚的红外 光谱。
~
T(%)
10.2 基本原理
• 样品受到频率连续变化的红外光照射时，样品分子 选择性地吸收某些波数范围的辐射，引起偶极矩的 变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的 跃迁，并使相应的透射光强度减弱。 • 红外光谱中，吸收峰出现的频率位置由振动能级差 决定，吸收峰的个数与分子振动自由度的数目有关， 而吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩的 变化以及能级的跃迁概率。下面我们分别具体说明。
10.2.1 产生红外吸收的条件
分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件： 条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。 根据量子力学原理，分子振动能量E振 是量子化的， 即 E振=（V+1/2）h 为分子振动频率，V为振动量子数，其值取 0，1，2，… 分子中不同振动能级差为 E振= Vh 也就是说，吸收光子的能量（ha ）要与该能量差相 等，即a= V时，才可能发生振转跃迁。例如当分 子从基态（V=0）跃迁到第一激发态（V=1），此时 V=1，即a=
红外吸收光谱法
Infrared spectrometry
10.1 概论
• 红外吸收光谱法是利用物质分子对红外辐射的特 征吸收，来鉴别分子结构或定量的方法。 • 红外光谱属于分子振动光谱，由于分子振动能级 跃迁伴随着转动能级跃迁，为带状光谱。
连续h ( I0 ) M 分子振动转动 跃迁 M * I t
远红外光谱区： 气体分子的转动能级跃迁 液体与固体中重原子的伸 缩振动 晶体的晶格振动 某些变角振动、骨架振动 -异构体的研究 金属有机化合物、氢键、 吸附现象研究 该光区能量弱,较少用于分析
10.1.2 红外吸收光谱的特点
• 红外吸收只有振-转跃迁，能量低； • 应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所 有有机物均有红外吸收；
理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际上，谱 峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为：
a）偶极矩的变化=0的振动，不产生红外吸收；
b）谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。 以上介绍了基本振动所产生的谱峰，即基频峰（V=±1允许跃 迁）。在红外光谱中还可观察到其它跃迁谱峰：
• 分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、 波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；
• 定量分析； • 固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； • 分析速度快。
• 与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。
10.1.2 红外吸收光谱的特点
10.1.3 红外吸收光谱图的表示方法
• 红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的 结构鉴定。 • 也可用于定量分析。
10.1.1 红外光区的划分及应用
10.1.1 红外Байду номын сангаас区的划分及应用
波谱区 波长/m 波数/ cm-1 跃迁类型
近红外光谱区：
近红外光 0.75~2.5 13333~4000
中红外光 2.5~50 4000~200
远红外光 50~1000 200~10 分子转动
分子振动
低能电子能级跃迁
含氢原子团：-OH、 -NH、-CH伸缩振动的 倍频吸收峰 稀土及过渡金属离子 配位化学的研究对象 适用于水、醇、高分 子化合物、含氢原子 团化合物的定量分析 红外吸收光谱法： 分子的振动、转动 基频吸收光谱区 应用最为广泛的 红外光谱区
10.2.3 多原子分子的振动
多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复 杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。 简正振动 整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频 率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线 性组合。 简正振动基本形式 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。 变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称 弯曲振动或变角振动。
• k为化学键的力常数（N/cm = mdyn/Å），为双原
子折合质量
• 如将原子的实际折合质量（通过Avogaro常数计算） 代入，则有
1 2c k k 1 1302 ( cm ) ' ' Ar / N A Ar
10.2.2 双原子分子的振动
• 影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学 键力常数k和原子质量。 • k大，化学键的振动波数高，如
10.2.1 产生红外吸收的条件
条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用
电场
无偶极矩变化
磁场
无红外吸收
红外吸收 偶极矩变化
交变磁场
分子固有振动
a
（能级跃迁）
10.2.2 双原子分子的振动
• 分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅 （与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其振动 可用经典刚性振动描述：
10.2.3 多原子分子的振动
10.2.3 多原子分子的振动
理论振动数（峰数）
设分子的原子数为n， 对非线型分子 , 理论振 动数=3n-6
如H2O分子，其振动数
为3×3-6=3 对线型分子，理论振动 数=3n-5 如CO2分子，其理论振 动数为3×3-5=4
10.2.3 多原子分子的振动
倍频峰：由基态向第二、三….振动激发态的跃迁（V=±2、± 3.）； 泛频峰 合频峰：分子吸收光子后，同时发生频率为1，2的跃迁，此时 产生的跃迁为 1+2的谱峰。
差频峰：当吸收峰与发射峰相重叠时产生的峰 1-2。 泛频峰可以观察到，但很弱，可提供分子的“指纹”。
• kCC(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)（质量相近）
• 质量m大，化学键的振动波数低，如
• mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1)(力常数相近）
• 经典力学导出的波数计算式为近似式。因为振动能 量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键之 间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构（内 因）和所处的化学环境（外因）有关。
~
T(%)
10.2 基本原理
• 样品受到频率连续变化的红外光照射时，样品分子 选择性地吸收某些波数范围的辐射，引起偶极矩的 变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的 跃迁，并使相应的透射光强度减弱。 • 红外光谱中，吸收峰出现的频率位置由振动能级差 决定，吸收峰的个数与分子振动自由度的数目有关， 而吸收峰的强度则主要取决于振动过程中偶极矩的 变化以及能级的跃迁概率。下面我们分别具体说明。
10.2.1 产生红外吸收的条件
分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件： 条件一：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。 根据量子力学原理，分子振动能量E振 是量子化的， 即 E振=（V+1/2）h 为分子振动频率，V为振动量子数，其值取 0，1，2，… 分子中不同振动能级差为 E振= Vh 也就是说，吸收光子的能量（ha ）要与该能量差相 等，即a= V时，才可能发生振转跃迁。例如当分 子从基态（V=0）跃迁到第一激发态（V=1），此时 V=1，即a=
红外吸收光谱法
Infrared spectrometry
10.1 概论
• 红外吸收光谱法是利用物质分子对红外辐射的特 征吸收，来鉴别分子结构或定量的方法。 • 红外光谱属于分子振动光谱，由于分子振动能级 跃迁伴随着转动能级跃迁，为带状光谱。
连续h ( I0 ) M 分子振动转动 跃迁 M * I t
远红外光谱区： 气体分子的转动能级跃迁 液体与固体中重原子的伸 缩振动 晶体的晶格振动 某些变角振动、骨架振动 -异构体的研究 金属有机化合物、氢键、 吸附现象研究 该光区能量弱,较少用于分析
10.1.2 红外吸收光谱的特点
• 红外吸收只有振-转跃迁，能量低； • 应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所 有有机物均有红外吸收；
理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际上，谱 峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为：
a）偶极矩的变化=0的振动，不产生红外吸收；
b）谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。 以上介绍了基本振动所产生的谱峰，即基频峰（V=±1允许跃 迁）。在红外光谱中还可观察到其它跃迁谱峰：
• 分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、 波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；
• 定量分析； • 固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； • 分析速度快。
• 与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。
10.1.2 红外吸收光谱的特点
10.1.3 红外吸收光谱图的表示方法
• 红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的 结构鉴定。 • 也可用于定量分析。
10.1.1 红外光区的划分及应用
10.1.1 红外Байду номын сангаас区的划分及应用
波谱区 波长/m 波数/ cm-1 跃迁类型
近红外光谱区：
近红外光 0.75~2.5 13333~4000
中红外光 2.5~50 4000~200
远红外光 50~1000 200~10 分子转动
分子振动
低能电子能级跃迁
含氢原子团：-OH、 -NH、-CH伸缩振动的 倍频吸收峰 稀土及过渡金属离子 配位化学的研究对象 适用于水、醇、高分 子化合物、含氢原子 团化合物的定量分析 红外吸收光谱法： 分子的振动、转动 基频吸收光谱区 应用最为广泛的 红外光谱区
10.2.3 多原子分子的振动
多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复 杂），但可将其分解为多个简正振动来研究。 简正振动 整个分子质心不变、整体不转动、各原子在原地作简谐振动且频 率及位相相同。此时分子中的任何振动可视为所有上述简谐振动的线 性组合。 简正振动基本形式 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长变化但键角不变的振动。 变形振动：基团键角发生周期性变化，但键长不变的振动。又称 弯曲振动或变角振动。
• k为化学键的力常数（N/cm = mdyn/Å），为双原
子折合质量
• 如将原子的实际折合质量（通过Avogaro常数计算） 代入，则有
1 2c k k 1 1302 ( cm ) ' ' Ar / N A Ar
10.2.2 双原子分子的振动
• 影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学 键力常数k和原子质量。 • k大，化学键的振动波数高，如
10.2.1 产生红外吸收的条件
条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用
电场
无偶极矩变化
磁场
无红外吸收
红外吸收 偶极矩变化
交变磁场
分子固有振动
a
（能级跃迁）
10.2.2 双原子分子的振动
• 分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅 （与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其振动 可用经典刚性振动描述：
10.2.3 多原子分子的振动
10.2.3 多原子分子的振动
理论振动数（峰数）
设分子的原子数为n， 对非线型分子 , 理论振 动数=3n-6
如H2O分子，其振动数
为3×3-6=3 对线型分子，理论振动 数=3n-5 如CO2分子，其理论振 动数为3×3-5=4
10.2.3 多原子分子的振动
倍频峰：由基态向第二、三….振动激发态的跃迁（V=±2、± 3.）； 泛频峰 合频峰：分子吸收光子后，同时发生频率为1，2的跃迁，此时 产生的跃迁为 1+2的谱峰。
差频峰：当吸收峰与发射峰相重叠时产生的峰 1-2。 泛频峰可以观察到，但很弱，可提供分子的“指纹”。
• kCC(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)（质量相近）
• 质量m大，化学键的振动波数低，如
• mC-C(1430cm-1)<mC-N(1330cm-1)<mC-O(1280cm-1)(力常数相近）
• 经典力学导出的波数计算式为近似式。因为振动能 量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键之 间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构（内 因）和所处的化学环境（外因）有关。