第六章 红外光谱法
第六章 红外吸收光谱分析
active) ；反之则为红外非活性（infrared inactive)。
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二、 分子振动方程式
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双原子分子可以看成是谐振子，根据经典力 学(胡克定律)，可导出如下公式：
1 v 2 k
k
m1 m2 m1 m2
1303 k
v
1 2 c
-1) ； k为力常 ν 为振动频率(Hz)， 用波数表示 (cm v 数，表示每单位位移的弹簧恢复力 (dyncm-1) ； μ 为折合质量(g)。
实验中观察到的C＝O伸缩振动频率都在1700cm－1附近。 值得注意的是：在弹簧和小球的体系中，其能量变化是 连续的，而真实分子的振动能量变化是量子化的。
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三、 分子振动的形式
（一）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。
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直线型分子的振动形式：3N - 5 非直线型分子的振动形式：3N -6
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（二）分子的振动形式
a.直线型分子：3N-5
如CO2
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b. 非线形分子： 3N – 6
如H2O
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分子的振动形式：
•化学键两端的原子沿键轴方向作来回周期运动 对称伸缩振动
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可见，影响基本振动频率 (即基频峰位置 )的直接原因是原 子质量和化学键力常数。
表15－1 某些化学键的力常数
化 学 键 键 长(A) k(N· cm－1)
C－C C＝C 1.54 4.5 1.34 9.6
C≡C C－H O－H N－H C＝O 1.20 15.6 1.09 5.1 0.96 7.7 1.00 6.4 1.22 12.1
第六章 红外光谱法 第一节 红外光谱法基础
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到了六十年代，用光栅代替棱镜作分光器 的第二 代红外光谱仪投入了使用。这种计算机化的光栅为分 光部件的第二代红外分光光度计仍在应用。
七十年代后期，干涉型傅里叶变换红外光谱仪 (FT-IR)投入了使用，这就是第三代红外分光光度计。
（2）红外光谱不破坏样品，并且对任何样品的存在状态都适 用，如气体、 液体、可研细的固体或薄膜似的固体都 可以分析。测定方便，制样简单。
（3）红外光谱特征性高。由于红外光谱信息多，可以对不同 结构的化合物给出特征性的谱图，从“指纹区”就可以
确 定化合物的异同。所以人们也常把红外光谱叫“分子指 0纹0:30光:37 谱”。
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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
2c
12 / 2
正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652 cm-1
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三、分子的基本红外光谱振动形式
1、两类基本振动形式
第六章 红外吸收光谱
分析法
第一节 红外光谱分析基础
一、概述 二、分子振动和特征振
动频率 三、分子的基本红外光
谱振动形式 四、红外吸收峰强度
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一、概述
振-转光谱：分子中基团的振动和转动能级跃迁产生 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: 0.75-2.5μm 中红外区: 2.5-50μm 远红外区: 50-1000μm 常用: 2.5-25μm
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。
红外吸收光谱s
（2）分析时间短。 通过检索、与标准红外吸收谱图对照， 一般可在10～30min完成分析。若用计算机 检索标准谱图，可在几分钟内完成分析。 （3）所用试样量少。 对固体和液体试祥，进行常量定性分析 只需20mg，半微量分析约5mg，微量分析约 20μg。对气体试样约200mL。
这种能量通常可由照射体系的红外线供给。振动
能级是量子化的，分子振动只能吸收一定的能量 ★吸收的能量将取决于键力常数（k）与两端连接的 原子的质量，即取决于分子内部的特征。这就是 红外光谱可以测定化合物结构的理论依据。
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红外吸收光谱的术语：
基频峰：当分子吸收红外辐射后，振动能级从 基态跃迁到第一激发态时所产生的 吸收峰。
IR（远） IR(中)
UV-Vis
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分子振动能级差为0.05～1.0eV，比转动 能级差（0.0001 ～ 0.05 eV）大，因此分子 发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随转动 能级跃迁，红外光谱实际上是分子的振动转动光谱，即带状光谱。
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■红外光谱 当样品受到频率连续变化的红外光照射时， 分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或 转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振 动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相 应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录 红外光的百分透射比（T%）与波数（ζ）或 波长（λ）关系的曲线，就得到红外光谱。
如：醇类的OH基在四氯化碳溶剂中伸缩振 动的强度比在乙醚溶剂中弱得多。而在不同浓 度的四氯化碳溶液中，由于缔合状态不同，强 度也有很大差别。
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（3）谱带的强度与振动形式有关。
第六章 红外吸收光谱
二、分子振动方程式
h E h 2 k
k 1307 M
M 1M 2 M M1 M 2
沿轴振动，只改变键长，不改变键角 1 1 k
2c
K化学键的力常数，与键能和键长有关 M为双原子的折合质量 影响振动频率的因素：键两端原子的折合质量、键的力常数，即取 决于分子的结构特征。
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
2、四分区（4000 670 cm-1）
(1)40002500 cm-1X—H伸缩振动区（X：O，N，C，S） (2)25001900 cm-1三键，累积双键伸缩振动区 (3)19001200 cm-1双键伸缩振动区 (4)1200670 cm-1X—Y伸缩，X—H变形振动区
醚：C－O－C伸缩振动位于 1250～1050 cm-1 ，确定醚类存在的唯一谱带
常见基团的红外吸收带
=C-H O-H
CC
C-H
C=C
C=O C-C，C-N，C-O C-X
O-H（氢键）
S-H
N-H
P-H CN
N-O N-N C-F C=N
C-H，N-H，O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000
§6.2 红外光谱分析基本原理
一、红外吸收光谱产生的条件
1、辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量 振= 红外光 2、分子要有偶极距
红外吸收是由于分子振动引起的偶极距和红外光束的振动相互作用产生的
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。
《红外光谱法》课件
红外光谱的应用前 景
红外光谱技术在化学、工业 和环境领域有广泛应用，将 继续发展和创新。
红外光谱技术的发 展方向
红外光谱技术将逐步提高仪 器性能、扩大应用范围，并 与其他技术紧密结合进行研 究和创新。
基础理论知识
1 振动模式
物质分子在红外辐射作用下发生的振动现象，是红外光谱分析的基础。
2 红外辐射
红外辐射是一种波长较长的电磁辐射，它与物质相互作用产生能量的吸收和发射。
3 能量吸收
红外光谱通过测量物质在不同波长的红外辐射下吸收的能量量来分析物质的组成和结构。
红外光谱仪的组成
光源
红外光谱仪中使用红外光源产生红外辐射，常 用的包括热电偶和红外光管。
样品室
样品室是放置待测物质的空间，通过样品室中 的红外辐射与物质相互作用来进行光谱分析。
分光仪
分光仪用于将红外辐射分解成不同波长的光线， 常用的接收分光仪分离出的红外光谱信号，并 转化成电信号进行检测和分析。
红外光谱的应用
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化学分析
红外光谱在化学领域广泛应用，可用于分析物质的组成、结构和化学变化。
红外光谱法的发展趋势
红外光谱技术的研究方向
开发更高分辨率的仪器、提升信号处理和数 据分析算法、拓展红外光谱的应用范围。
未来发展趋势
红外光谱技术将在医药、生物和环境领域得 到广泛应用，与其他技术相结合推动科学研 究和工业创新。
总结
红外光谱法的意义
红外光谱法是一种重要的分 析技术，可用于物质组成和 结构分析，推动科学研究和 工业发展。
《红外光谱法》PPT课件
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《红外吸收光谱法》课件
图：6～1
红外光谱图表示法。
σ(cm-1)
二.红外吸收光谱产生的条件
A-B分子 获得红外辐射hνL发生： Eυ＝（υ＋1/2）hν υ：振动量子数 υ＝0.1.2.3…….. ν: 振动频率
室温下 u＝0 E(u=0)=1/2h v △E振动＝Eu－E(u=0) ＝ △u•hv （振动能级差） 光子能量为： E＝hvL＝ △E振 vL＝ △u • ν
不同点： 1. 产生机理不同： 紫外也称电子光谱。是由于分子中价电子跃迁所产生的，且能级差大△E→大， ν→大;而红外光谱称为振转光谱是振动和转动能级跃迁，能级差小，△E→小 V→小。 2.从研究对象和使用范围上，紫外光谱只能分析不饱和有机化学物。特别是有共轭体系的化合物及少数无机物。红外适用于分析那些分子振动偶极矩变化不为0的所有化合物（包括有机和无机。）
图6-6二氧化碳的红外光谱图
四.基团频率和基团频率位移
1.基团频率：同一类的基团（化学键）都有其特定的红外吸收，它产生吸收峰的位置就称为基团频率。也称为特征吸收频率。对应的吸收峰叫特征吸收峰。
a.4000～1300cm-1官能团区 k →大， 强度大，峰宽度大。 b.1300~600cm-1指纹区(弯曲振动)定性分析主要用指纹区，对结构改变比较敏感。 （通常把这种能代表某基团存在，并有较高强度的吸收峰称为特征吸收峰，其所在的位置称特征吸收频率或基团频率）
第六章-红外光谱分析PPT课件
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第一节 概述
量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外， 凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红 外光谱。通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度， 反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构
组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子 组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯 度鉴定。由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固
在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态 （ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3） ，所产生的吸收峰称为倍频峰。
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第二节 基本原理
由=0跃迁至=2时， △=2，则L=2，即吸收的红 外线谱线（ L ）是分子振动频率的二倍，产生的吸收峰 称为二倍频峰。
由=0跃迁至=3时， △=3，则L=3，即吸收的红 外线 谱线（ L ）是分子振动频率的三倍，产生的吸收 峰称为三倍频峰。其它类推。在倍频峰中，二倍频峰还 比较强。三倍频峰以上，因跃迁几率很小，一般都很弱， 常常不能测到。
二、红外光谱法的特点
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特 别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研 究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变 化的振动在拉曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同 核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合 物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体，某些高分子
两个小球，把连结它们的化学键看成质量可以忽略不计 的弹簧，则两个原子间的伸缩振动，可近似地看成沿键 轴方向的间谐振动。由量子力学可以证明，该分子的振 动总能量(E)为：
E= （ +1/2）h（=0，1，2，） 式中为振动量子数（ =0，1，2，……）；E是与 振动量子数相应的体系能量；为分子振动的频率。
红外光谱法
剪式（δ） 面内变形振动
2. 变形振动 （弯曲振动）
面外变形振动
平面摇摆振动（ρ）
面外摇摆振动（ω）
面外扭曲振动（τ）
（三）基本振动的理论数（振动自由度） 1. 振动自由度的计算公式 3N个自由度=平动自由度+振动自由度+转动自由度 振动自由度=3N-3-转动自由度 线性分子：振动自由度=3N-3-2=3N-5 非线性分子：振动自由度=3N-3-3=3N-6
=C-H
990-970 cm-1
=C-H
690 cm-1
P62表4.4典型有机化合物的基团频率（了解）
§ 6.4 红外光谱仪
色散型红外光谱仪 红外光谱仪 傅立叶(Fourier)变换红外光谱仪
一、色散型红外光谱仪
光源 → 样品池 →单色器→检测器 → 记录系统
样品池放在光源和单色器之间： 1. 红外辐射没有足够的能量引起试样的光化学分解 2. 可使抵达检测器的杂散辐射量（来自试样和吸收池）减至最小
基本振动频率公式 虎克定律
1 2
k
或
ῦ
1 2c
k
k - - - 化学键的力常数N cm-1
m1 m2 - - - 折合质量 m1 m2
c - - - 光速3.0 1010 cm s 1 M1 M 2 m1 m2 M1 M 2 1 NA NA M NA m1 m2 M 1 M 2 M 1 M 2 N A NA NA M 折合摩尔质量 N A Avogadro 常数6.022 10 23 mol 1 1 ῦ 2c kN A N A 2 M 2c
O-H：3700 – 3200 cm-1
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1.下列羰基化合物中，C=O伸缩振动频率出现最高的是：（）
（A）RCOF （B）RCOCl （C）RCOH （D）RCOR
2.在醇类化合物中，O-H伸缩振动频率随溶液C上升，向低波数方向移动的原因是（）（A）溶液极性增加（B）诱导效应增加（C）分子间氢键的增加（D）易产生振动偶合
3.一种氯苯的红外谱图在900cm-1~690cm-1间无吸收带，它的可能结构为：（）
（A）对二氯苯（B）间三氯苯（C）六氯苯（D）四取代氯苯
4.CO2的平动、转动、振动的自由度分别为：（）
（A）324 （B）234 （C）342 （D）423
5.乙炔分子的平动、转动、振动自由度为（）
A. 2, 3, 3
B. 3, 2, 8
C. 3, 2, 7
D. 2, 3, 7
6.分子式为C7H11N2OSCl的不饱和度Ω为：（）
（A）1 （B）2 （C）3 （D）4
7.下面四种气体无红外吸收光谱的为（）
（A）H2O （B）CO2（C）HCl （D）N2
8. 红外光谱法中的红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度, 可以用来（）
A. 鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团及进行定量分析与纯度鉴定;
B. 确定
配位数; C. 研究化学位移; D. 研究溶剂效应.
9. 下列哪种方法是由外层电子跃迁引起的？( )
A. 原子发射光谱和紫外吸收光谱
B. 原子发射光谱和核磁共振谱
C. 红外光谱和Raman光谱
D. 原子光谱和分子光谱
10. 同时具有红外活性和拉曼活性的是：( )
A. O2对称伸缩振动
B.CO2的不对称伸缩振动
C. H2O的弯曲振动
D. CS2的弯曲振动
11. 分子不具有红外活性的者,必须是：( )
Ａ：分子的偶极矩为零Ｂ：分子没有振动Ｃ：非极性分子Ｄ：分子振动时没有偶极矩变化Ｅ：双原子分子
12 .试比较以下五个化合物,羰基伸缩振动的红外吸收波数最大者是:( )
A: B: C: D: E:
13．以下五个化合物羰基伸缩振动的红外吸收波数最小的是：( )
A: B: C: D:
E:
:
A:乙烷中C-H 键,=k 5.1510⨯达因1-⋅cm B: 乙炔中C-H 键, =k 5.9510⨯达因1-⋅cm
C: 乙烷中C-C 键,=k 4.5510⨯达因1-⋅cm D: CH 3C≡N 中C≡N 键,=k 17.5510⨯达因1-⋅cm
E: 乙醛中C=O 键, =k 12.3510⨯达因1-⋅cm 、
15. 中红外光谱的波数范围是（ ）
（A ）200－4000 cm -1 （B ）400－4000 cm -1 （C ）600－4000 cm -1 （D ）1300－4000 cm -1 多选：
16. 可以作为红外光谱仪检测器的有
（A ）热电偶 （B ） 光电倍增管 （C ） 测热辐射计 （D ）高莱池
17. 能用作红外光谱仪光源的有
（A ）D2灯， （B ） Nernst 灯（C ）HCL （空心阴极灯）（D ）碳硅棒
18. 指出具有红外活性的CH2=CH2振动模式
（A ）
（B ）（C ）（D ）C
H H C H H C H
H C
H C H H C C H H C 19 ．红外光谱是：
A ：分子光谱
B ：原子光谱
C ：吸光光谱
D ：电子光谱
E ：振动光谱
20．当用红外光激发分子振动能级跃迁时，化学键越强，则：
A ：吸收光子的能量越大
B ：吸收光子的波长越长
C ：吸收光子的频率越大
D ：吸收光子的数目越多
E ：吸收光子的波数越大
填空题：
1. 红外光谱是由于分子振动能级的跃迁而产生，当用红外光照射分子时，要使分子产生红
外吸收，则要满足两个条件：(1)________________________________________________，
(2)_______________________________________________。
2. 对于同一个化学键而言，如C-H 键,弯曲振动比伸缩振动的力常数_______，所以前者的
振动频率比后者______________。
3. C-H,C-C,C-O,C-Cl,C-Br 键的振动频率,最小的是___________________.
4. 以下三个化合物的不饱和度各为多少?
(1)188H C ,Ω =____________.(2)N H C 74, Ω=____________.
(3) ，Ω＝________.
5. 在中红外区中,人们经常把4000～13501-cm 区域称为__________,而把1350～6501-cm 区
域称为_____________.。