第2节 红外光谱仪
人教版高中化学选择性必修二第2章第2节第1课时分子结构的测定多样的分子空间结构价层电子对互斥模型课件
氢为 1 ,其他原子= 8-该原子的价电子数 。
(3)几种分子或离子的中心原子上的孤电子对数。
分子或
中心原子 a
离子
x
b
SO2
N+
S
N
6
5-1=4
2
4
2
1
C
C
4+2=6
3
2
中心原子
上的孤电
子对数
1
0
0
3.VSEPR模型与分子或离子的空间结构。
量远离”的原则快捷地判断它们分子的空间结构。
①根据图示,结合价层电子对互斥模型分析乙醇分子中C—
O—H的空间结构。
②根据图示,结合价层电子对互斥模型分析乙酸分子中
的空间结构。
提示:①在乙醇分子中,羟基上的氧原子有两个σ键电子对和
两个孤电子对,价层电子对共有四个空间取向,氧原子的价层
电子对相互排斥而远离,呈四面体形,因此C—O—H呈V形。
对)间由于相互排斥作用,尽可能趋向彼此远离。电子对之间
的夹角越大,相互之间的斥力越小。如图所示。
(1)仔细观察上图,依次描述图中分子的价层电子对互斥模
型与分子的空间结构。
提示:从左到右,分子的价层电子对互斥模型分别为直线形、
平面三角形、四面体形、三角双锥形、八面体形;分子的空
间结构分别为直线形、V形、四面体形、三角锥形、四角锥
D.键角为90°~109°28'之间的分子,空间结构可能是V形
答案:B
解析:键角为180°的分子,空间结构是直线形,例如CO2是直
线形分子,A项正确。苯的键角为120°,但其空间结构是平面
正六边形,B项错误。白磷的键角为60°,空间结构为正四面体
红外光谱
AX 2型分子
s δ CH2 ～ 1465+20 cm -1
面外摇摆ω：两个X原子同时向面下或面上的振动
AX 2型分子
ω CH2 ～ 1300 cm -1
注意：
不是所有的振动都能引起红外吸收，只有偶极 矩(μ)发生变化的，才能有红外吸收。
H2、O2、N2 电荷分布均匀，振动不能引起红外 吸收。
2）共轭效应（C）
－共轭使不饱和键振动频率移向低波数区
共轭效应使电子离域, 双键性 , K ,吸收波数 .
问题2 : 下列化合物的C=O 吸收波数为什么有
高低之分？
H3C H3C
O2N
C H O
C H O
N
C H O
A 1708 cm-1
B 1690 cm-1
C 1660 cm-1
p－共轭:
CH2
1775 cm-1 1850 cm-1
CH2 CH2
1650 cm-1
1657 cm-1
1678 cm-1
1781 cm-1
1639 cm-1
1623 cm-1
1566 cm-1
1541 cm-1
4.氢键效应
分子内氢键：
分子内氢键使伸缩频率向低波数移动，谱带变宽
注意：分子内氢键，不受浓度影响
：折合质量
k：力常数，与键长、键能有关：键能↑（大），键 长 ↓(短)，k↑。
从基态跃迁到第一激发态，产生的谱带称为基频 峰（fundamental bands），特点是峰较强。
从基态跃迁到第二激发态，产生的谱带称为倍频
峰（overtone bands），特点是峰较弱。 真实分子的化学键并非理想谐振子，其倍频峰频
红外光谱仪基本概念
红外光谱仪基本概念光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成，结构或者相对含量的方法。
按照分析原理，光谱技术主要分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱三种；按照被测位置的形态来分类，光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。
红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。
2. 红外吸收光谱的基本原理是什么？分子运动有平动，转动，振动和电子运动四种，其中后三种为量子运动。
分子从较低的能级E1，吸收一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2,整个运动过程满足能量守恒定律E2-E1=hv。
能级之间相差越小，分子所吸收的光的频率越低，波长越长。
红外吸收光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的, 组成化学键或官能团的原子处于不断振动(或转动)的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。
所以，用红外光照射分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
分子的转动能级差比较小，所吸收的光频率低，波长很长，所以分子的纯转动能谱出现在远红外区（25~300 μm）。
振动能级差比转动能级差要大很多，分子振动能级跃迁所吸收的光频率要高一些，分子的纯振动能谱一般出现在中红外区（2.5~25μm）。
（注：分子的电子能级跃迁所吸收的光在可见以及紫外区，属于紫外可见吸收光谱的范畴）值得注意的是，只有当振动时，分子的偶极矩发生变化时，该振动才具有红外活性（注：如果振动时，分子的极化率发生变化，则该振动具有拉曼活性）。
3. 分子的主要振动类型在中红外区，分子中的基团主要有两种振动模式，伸缩振动和弯曲振动。
伸缩振动指基团中的原子沿着价键方向来回运动（有对称和反对称两种），而弯曲振动指垂直于价键方向的运动（摇摆，扭曲，剪式等），如上图所示。
仪器分析课件-第10章-红外光谱分析法
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红外光谱分析基本原理
三、 分子的振动形式
两类基本振动形式：变形振动和伸缩振动。以甲烷为例：变形振动
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红外光谱分析基本原理
五. 红外光谱峰的吸收强度 P297
这种方法适用于组分简单，样品厚度一定（一般在液体样品 池中进行），特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸光度不成线性 关系的样品。
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红外光谱的应用
3 ．吸收度比法 该发适用于厚度难以控制或不能准确测定其厚度的样品，例如厚度不均匀 的高分子膜，糊状法的样品等。这一方法要求各组分的特征吸收谱带相互 不重叠，且服从于郎伯 — 比尔定律。 如有二元组分 X 和 Y ，根据 朗伯 -比尔定律 ，应存在以下关系；
1.位置：由振动频率决定，化学键的力常数 K 越大，原子折合质量 m 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）； 2.峰数：分子的基本振动理论峰数，可由振动自由度来计算，对于由 n 个原子 组成的分子，其自由度为3 n
3n= 平动自由度+振动自由度+转动自由度 分子的平动自由度为3，转动自由度为：非线性分子3，线性分子2
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红外光谱的应用
二、定性分析
定性分析大致可分为官能团定性和结构定性两个方面。 定性分析的一般过程： 1. 试样的分离和精制 2.了解与试样性质有关的其它方面的材料 3. 谱图的解析 4. 和标准谱图进行对照 5. 计算机红外光谱谱库及其检索系统 6. 确定分子的结构
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红外光谱的应用
人教版高中化学选择性必修三第一章第二节第2课时有机化合物实验式分子式分子结构的确定
第2课时有机化合物实验式、分子式、分子结构的确定[素养发展目标]1．知道红外光谱、核磁共振等现代仪器分析方法在有机化合物分子结构测定中的应用，培养宏观辨识与微观探析的学科核心素养。
2．通过测定有机化合物的元素含量、相对分子质量，能确定有机化合物的分子式，并能根据特征结构和现代分析仪器确定有机化合物的分子结构。
知识点一确定实验式、分子式1．确定实验式(1)实验式：有机化合物分子内各元素原子的最简整数比，又称最简式。
(2)李比希法定量分析流程2．确定分子式——质谱法质谱仪用高能电子流等轰击样品，使有机分子失去电子，形成带正电荷的分子离子和碎片离子等。
这些离子因质量不同、电荷不同，在电场和磁场中的运动行为不同。
计算机对其进行分析后，得到它们的相对质量与电荷数的比值，即质荷比。
以质荷比为横坐标，以各类离子的相对丰度为纵坐标记录测试结果，就得到有机化合物的质谱图。
质谱图中，质荷比的最大值就表示了样品分子的相对分子质量。
如实验式为C2H6O的有机化合物的质谱图如下：为了测定某有机化合物A的结构，进行如下实验：①将2.3 g该有机化合物完全燃烧，生成0.1 mol CO2和2.7 g水；②用质谱仪测定其相对分子质量，得到如图所示的质谱图。
(1)有机化合物A的相对分子质量是多少？(2)有机化合物A的实验式是什么？(3)能否根据A的实验式确定其分子式？请说明原因。
提示：(1)根据质荷比可知，有机化合物A的相对分子质量为46。
(2)2.3 g有机化合物A完全燃烧生成0.1 mol CO2和2.7 g水，则n(C)＝n(CO2)＝0.1 mol，m(C)＝0.1 mol×12 g/mol＝1.2 g，n(H2O)＝2.7 g18 g/mol＝0.15 mol，m(H)＝2×0.15 mol×1 g/mol＝0.3 g，则m(C)＋m(H)＝1.2 g＋0.3 g＝1.5 g<2.3 g，故有机化合物A含有O元素，且m(O)＝2.3 g－1.5 g＝0.8 g，故n(O)＝0.8 g16 g/mol＝0.05 mol，n(C)∶n(H)∶n∶∶0.05＝2∶6∶1，即有机化合物A的实验式为C2H6O。
红外光谱测试分析
红外光谱测试分析引言：红外光谱测试是一种常用的实验技术，用于分析样品的化学结构、官能团及其化学环境。
它是通过观察和记录样品在红外区域（4000至400 cm^-1）的吸收、散射或透射红外辐射而得到的。
红外光谱测试广泛应用于有机、无机、生物、聚合物等领域。
本文将介绍红外光谱测试的原理、仪器、样品制备以及数据分析等内容。
一、红外光谱测试原理红外光谱测试基于物质与红外辐射的相互作用。
红外光谱仪将红外辐射通过样品，然后测量样品吸收、散射或透射的光强。
红外辐射包含许多波长，在红外区域中的每种波长都与特定的分子振动模式相对应。
当样品中的分子振动发生时，它们会吸收特定波长的红外光，从而产生特征峰。
根据这些特征峰的位置和强度可以推断样品的化学组成和结构。
二、红外光谱测试仪器红外光谱测试仪器主要由光源、样品盒、分光器和探测器等组成。
常见的红外光谱仪有傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和色散红外光谱仪（dispersive IR）。
其中，FTIR光谱仪具有高分辨率、高灵敏度和快速测量的优点，被广泛应用于科研和工业领域。
三、样品制备样品制备是红外光谱测试的关键步骤之一、样品可以是固体、液体或气体。
对于固体样品，常用的方法是将样品与适合的红外吸收剂混合，然后挤压成适当的片状样品。
对于液体样品，可以使用液态电池夹持装置保持样品在红外光束中。
对于气体样品，需要将气体置于透明的气室中，并对室内气体进行红外光谱的测量。
四、红外光谱数据分析红外光谱数据分析是针对测得的吸收谱进行的。
常见的红外光谱数据分析包括鉴定功能性团、质谱相关性分析和量子化学计算等。
鉴定功能性团是通过对比样品的吸收峰位置和精确峰位表进行的。
质谱相关性分析是利用红外光谱和质谱数据之间的相关性，为红外光谱的解释提供重要信息。
量子化学计算是通过计算得到的理论红外光谱与实际测量的红外光谱进行比对，以验证实验结果的准确性。
结论：红外光谱测试是一种重要的化学分析技术，广泛应用于化学、材料、药物和环境等领域。
红外光谱与核磁共振光谱
单色器：把通过试样池和参比池而进入入射狭缝的复
合光散射成单色光，再投射到检测器上进行测量。色
散元件为棱镜或光栅。
检测器 ：检测器的作用是接收红外辐射并使之转换成电
信号。
常用的有三种：真空热电偶、高莱池和电阻测辐射热计。
IR与UV的主要区别：
(1)IR谱仪的试样放在光源与单色器之间，而UV的试
样放在单色器之后、检测器之前。
定性好，均匀，不均匀性小于六千万
分之一。扫场线圈。
2 ．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，
发射一定频率的电磁辐射信号。
60MHz或100MHz。
3 ．射频信号接受器（检测器）：当
质子的进动频率与辐射频率相匹配时，
中红外光谱法又简称为红外光谱法。
认识IR
T透过率
红外吸收光谱一般用T~曲线或T~ 波数曲线表
示。纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，
向上则为谷；横坐标是波长（单位为µm ），或波
数（单位为cm-1）。中红外区的波数范围是4000 ~
400 cm-1 。
二、红外光谱法的特点
➢分子的振动、转动光谱
➢吸收能量较低，波长范围在红外区的电磁波
➢分子不产生电子能级的跃迁
➢只产生分子的振动和转动
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，几乎所有
的有机化合物在红外光谱区均有吸收。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。
在4000~1300cm-1 区域内有一个明显的特点，即每一
个吸收峰都和一定的官能团相对应，而且有机化合物
分子中的一些主要官能团的特征吸收，多发生在这个
实验二红外光谱
实验二、红外光谱仪的使用及固体、液体样品的红外光谱分析一、实验目的1．了解AVATAR-360 FT-IR光谱仪的使用方法；2．学习固体样品压片制样的方法；3．学习用ATR附件测定液体化合物红外光谱的方法；4．测定季戊四醇和环己酮的红外光谱，了解如何从红外光谱图中识别基团以及如何从这些基团确定未知物的主要结构。
二、红外光谱法被广泛应用的优点无论从仪器的普及程度，从数据和谱图的积累来看，红外光谱都占据重要的地位。
50年代初期，商品红外光谱仪问世，红外光谱法得以开展，揭开了有机物结构鉴定的新篇章，到50年代末期已积累了丰富的红外光谱数据，至70年代中期，红外光谱法一直是有机化合物结构鉴定的最重要的方法，近十年来，傅里叶变换红外光谱仪的问世以及一些新技术（如发光光谱，光声光谱，色-红联用等）的出现，使红外光谱得到了更加广泛的应用。
红外光谱法的广泛应用是由于它有下列优点：1.任何气态，液态，固态样品均可进行红外光谱测定。
这是核磁，质谱，紫外等方法所不及的。
固体样品可加溴化钾晶体共同研碎或加石蜡油调糊进行测定，对不透光的样品可作反射光谱测定，液体样品可直接在结晶盐片上涂膜或用适当溶剂配制成溶液装入液体池测定，气体或蒸汽则用气体吸收池直接测定。
2.每种化合物均有红外吸收，由有机化合物的红外光谱可得到丰富的信息。
一般有机物的红外光谱至少有十几个吸收峰，官能团区的吸收显示了化合物中存在的官能团，而指纹区的吸收则对化合物结构鉴定提供了可靠的依据。
3.常规红外光谱仪价格低廉（与核磁，质谱相比），易于购买。
4.样品用量少。
高级的红外光谱仪用样量可减少到微克数量级。
5.针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量技术。
如光声光谱（PAS）,衰减全反射光谱（ATR），漫反射，红外显微镜等。
三、原理(Principle)红外光谱（Infrared Spectra）是分子光谱，用于研究分子的振动能级跃迁，在有机结构分析中，是有机官能团鉴定及结构研究的常用方法。
红外光谱
某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 力常数 峰 位
ห้องสมุดไป่ตู้
－CC－>－C =C－>－C－C－ 15 17 4.5 m 9.5 9.9 6.0 m 4.5 5.6 7.0 m
化学键越强（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。
2. 非谐振子
（1）没有偶极矩变化的振动Δμ=0，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠，即简并； （3）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带 很弱，仪器无法检测； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。
产生红外吸收是有条件的.
例如：线性分子CO2，理论上计算其基本振动数为？ 但在红外图谱上，只出现2个基频吸收峰。 具体振动形式：
其所在的位臵一般又称为特征吸收峰。
例：
2800 3000 cm-1
－CH3
特征峰
特征峰
1600 1850 cm-1 －C=O
基频峰与泛频峰
a）基频峰：分子吸收一定频率红外线，振动能级从 基态跃迁至第一振动激发态产生的吸收峰 （即υ=0 → 1产生的峰）
基频峰的峰位等于分子的振动频率 基频峰强度大——是红外主要吸收峰
X－H伸缩振动区（X=O，N，C，S）；
三键，累积双键伸缩振动区； 双键伸缩振动区；
(4) 1650 1350 cm-1
X－H弯曲振动区。
(1) X－H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ） a. －O－H 3650 3200 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；
比较内容 光谱产生
红外吸收光谱 分子的振动和转动能级的跃迁
红外光谱基本原理
5
红外光谱与紫外可见光谱的区别
1.光谱产生的机制不同
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。
N-O N-N C-F C=N
N-H
C-H，N-H，O-H 3500 3000 2500 2000 1500 1000 指纹区
25
500
特征区
三、影响基团频率的因素
基团频率（谱峰位置）主要由化学键的力常数决定。
但分子结构和外部环境因素也对其频率有一定的影响，相
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。
基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：
－CH2－CO－CH2－ －CH2－CO－O－ －CH2－CO－NH－ 1715 cm-1 1735 cm-1 1680 cm-1 酮 酯 酰胺
21
相关峰：由同一基团的不同振动形式所产生的 一组应同时存在的峰。 如羧基的相关峰包括：羰基伸缩、羟基伸缩、
碳碳氢伸缩、羟基面内弯曲和羟基面外弯曲五个振
H NH cm-1 O 游 离 1 6 9 0 R R -1 cm 1 6 5 0 氢 键 O HN H
HO O C H C 3 缩 OH伸 OCH 3 2 8 3 5 cm-1
伸 缩 伸 缩 变 形 N-H C = O N-H
-1 cm 6 2 0 1 3 5 0 0 1 5 9 0
6 5 0 1 6 2 0 cm-1 1 3 4 0 0
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infrared absorption spectroscopy，IR
第二节 红外光谱仪
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一、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型（主要用于定性分析） 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）（定性和 定量分析）
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
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(2) 单色器
光栅； (3) 检测器
真空热电偶：不同导体构成回路时的温差电现象 涂黑金箔接受红外辐射； 傅立叶变换红外光谱仪采用热释电(TGS)和碲镉汞(MCT) 检测器； TGS：硫酸三苷肽单晶为热检测元件；极化效应与温度有 关，温度高表面电荷减少(热释电)； 响应速度快；高速扫描；
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1. 色散型红外光谱仪主要部件
光源 光源 单色器 样品室 样品室 单色器 检(1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成 的中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm； 室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年；
②溶液法——液体池
溶剂： CCl4 ，CS2常用。 ①研糊法（液体石腊法）
3) 固体:
②KBr压片法 ③薄膜法
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压片法：固体试样与KBr粉末以质量1：100混 合均匀。压片机上压片。 糊状法：将固体样品研成细末，与糊剂（如液 体石蜡）混合成糊状，然后夹在两窗片之间进 行测谱。 薄膜法：有两种方法 a、直接将样品放在盐窗上加热，熔融样品涂 成薄膜 b、样品溶于挥发性溶剂中制成溶液，然后滴 在盐片上，待溶剂挥发后，即成薄膜。 溶液法：将液体或固体溶于适当的红外用溶剂 中，然后注人固体池进行检测。
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三、联用技术
hyphenated technology
GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用） LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用）
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. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图
干涉仪 样品室 检测器 显示器 光源 计算机 绘图仪
干涉图
FTS
光谱图
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迈克尔干涉仪工作原理图
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仪器的主要部件
1）光源： 能发射稳定、能量强、发射度小的具有 连续波长的光，常用能斯特灯、硅碳棒 或涂有稀土化合物的镍铬旋状灯丝。 2）迈克尔逊干涉仪： 核心部分 由定镜、动镜、分束器和探测器组成。 分束器是迈克尔逊干涉仪的核心部分。
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2.傅立叶变换红外光谱仪
Nicolet公司的 AVATAR 360 FT-IR
内部结构
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. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点
光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，
（干涉仪分光）通过试样后，包含的光信息需要
经过数学上的傅立叶变换解析成普通的谱图。 特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用； (2)不需要分光（没有狭缝），信号强，灵 敏度很高； (3)仪器小巧。
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3）检测器： 4）记录系统
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二、制样方法
1、试样制备的要求： 试样应该是单一组分的纯物质 试样中应不含游离水 试样的浓度和测试厚度应选择适当
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二、制样方法
sampling methods
1）气体——气体池 ①液膜法——难挥发液体（BP》80C） 2）液体：