仪器分析第七章红外吸收光谱法

第七章

红外吸收光谱法

(Infrared absorption spectrum,IR) 学习目的 通过本章学习，应明确红外吸收光谱研究 的对象，理解红外光谱基本原理，掌握红 外光谱产生的条件以及主要基团的特征吸 收频率，掌握红外光谱仪的基本结构及其 功能，了解红外光谱的应用。

本章主要内容 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 红外吸收光谱法概述 红外吸收光谱法基本原理 基团频率和特征吸收 红外吸收光谱仪 红外吸收光谱法的应用

7.1 红外吸收光谱法概述 红外吸收光谱法又称红外分光光度法，简 称红外，属于分子光谱，带状，用于研究 分子振动能级跃迁。IR是利用物质分子对 红外光区电磁辐射的选择性吸收特性来进 行结构鉴定、定性和定量分析的一种分析 方法。

具体地说：IR谱是根据光谱中吸收峰的位 置和形状来推断未知化合物的结构，依照 特征吸收峰的强度来进行定量分析。因此， 常把IR谱中峰的位置、强度、峰形称为红 外吸收光谱的三要素。 IR已成为现代结构化学、分析化学最常用 和不可缺少的工具。 红外光谱区域：习惯上按红外线的波长， 将红外光谱分成三个区域

λ/µm

σ /cm-1 12820~4000

近红外

0.78~2.5

红外光谱

中红外

2.5~25

4000~400

远红外

25~300

400~33

红外光谱图表示法： 纵坐标：百分透过率，(T﹪) 横坐标：吸收频率，(σ :cm-1)

图1. 乙酸乙酯的IR谱图

图2.对硝基苯甲醛的红外光谱

7.2 红外吸收光谱法基本原理 一、红外吸收光谱产生的条件 红外吸收光谱是由分子振动能级跃迁(同 时伴随分子转动能级跃迁)而产生的。物 质吸收电磁辐射应满足两个条件：①能级 间的能量差等于辐射能，即ΔE=hν;②辐 射与物质之间有偶合作用。因此产生红外 吸收光谱的第一个条件为：

红外辐射的光子所具有的能量EL恰好等于 分子振动能级间的能量差ΔE时，则分子将 吸收红外辐射而跃迁至激发态，即 ΔE振动= EL ① 例如：对于双原子分子A—B,可以近似看 作沿键轴方向的简谐振动。

量子力学证明，分子振动的总能量Ev为 Ev = (v+1/2)hν振 ② 由②式分子振动能级间的能量差为： ΔEv=Δv· 振动( Δv =±1,±2‥) ③ hν 当满足第一个条件时，分子则吸收红外辐 射，由基态振动能级(v=0)跃迁至不同的 振动激发态产生吸收峰(吸收带)。 由基态振动能级跃迁至第一振动激发态， 即v 0→1时所产生的吸收峰称为基频峰。由 于Δv =1,所以ν振动=νL。即基频峰的振 动频率(位置)等于双原子分子的振动频 率。

对于多原子分子，在红外谱图中有许多吸 收峰，其中每个基团

都有其特征的基频峰。 在红外谱图中，除基频峰外，还有倍频峰、 合频峰及差频峰。 基频峰v 0→1 Δv=1(νL=ν)最强 二倍频峰v 0→2 Δv=2(νL=2ν)较弱 三倍频峰v 0→3 Δv=3(νL=3ν)很弱 泛 频 合频峰(ν1+ν2, 2ν1+ν2)很弱 峰 差频峰(ν1-ν2, 2ν1-ν2)很弱

例如氯化氢分子的振动频率为8.658×1013 s-1,在发生Δv=1的能级跃迁时，吸收频率 为8.658×1013s-1的红外线，即波数为 2886cm-1的红外线。 上例说明，氯化氢分子的振动频率为 2886cm-1,基频峰的位置为2886cm-1。 二倍频峰：5668.0cm-1 三倍频峰：8347cm-1 四倍频峰：10923cm-1

红外吸收光谱产生的第二个条件是：分子 在振动过程中必须有偶极矩的变化，即偶 极矩的变化µ≠0( µ =q· d)。 对于极性分子(或基团),分子内的原子 处于不断振动状态，d的瞬时值不断变化， 则分子的µ也发生变化，即µ≠0。 对于对称非极性分子，由于其正负电荷中 心重叠，d=0,故分子中原子的振动并不引 起µ的改变，即µ=0。如O2、N2等。

因此，红外光谱产生的第二个条件，实质 上是外界辐射迁移它的能量到分子中去。 而这种能量的转移是通过偶极矩的变化来 实现的。 由上可见，并非所有的振动都会产生红外 吸收，只有发生偶极矩变化的振动才能引 起可观测的红外吸收带，这种振动称为红 外活性(infrared active),反之则称为非 红外活性(infrared inactive)。

综上所述，当一定频率的红外光照射物质 分子时，如果分子中某个基团的振动频率 和它一样，二者就会产生共振，此时光的 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，检测记录下来就获得物质的红外 吸收光谱图。 二、分子振动方程 分子振动方程是以双原子分子为例，由经 典力学中的Hooke定律导出：