《基础化学 Fundamentals in Chemistry》课程教学课件（分子形状与结构 The Shapes and Structures of Molecules）Part II 分子结构的测量与表征（How to measure and charaterize the structure of molecules）i1-6

电磁波谱能级差h=6.626× 10-34 J sAE=hy微波红外缘可見光紫外線X射線伽馬射線辐射種類無線電10~1010~810-1210~210~50.5×10~6103波(m)(sub)mminfraredvisibleultravioletradiomicrowavex-raygamma-ray10m10cm1mm0.3mm780nm380nm10nm0.01nm0.000001nmwavelengthfrequency(Hz)10141015101610191020102710111012107109energy (ev)10-510-3105101210-810-2106109101001核自旋核过程转动跃迁振动跃迁电子跃迁X射线可见紫外红外光谱核磁共振光谱衍射吸收光谱Xiamen University2

Xiamen University 电磁波谱 2 能级差 ∆�=ℎ� ℎ=6.626×10-34 J·s 核自旋 转动跃迁 振动跃迁 电子跃迁 核过程 X 射线 衍射 可见紫外 吸收光谱 核磁共振光谱 红外光谱

红外光谱（InfraredSpectroscopy,IRSpectroscopy)红外光谱观察分子中不同振动能级之间的跃迁，提供了化合物中化学键类型的信息。XiamenUniversity3

Xiamen University 3 红外光谱 （Infrared Spectroscopy, IR Spectroscopy) 红外光谱观察分子中不同振动能级之间的跃迁，提供了化合物中化学键类型的信息

红外光谱谱图下面显示的是Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱：100%80%060%isse40%20%0%4000350030002000150010002500500frequency/cm-1根据悠久的传统，红外光谱被绘制为百分比透射率与频率的关系。当样品完全不吸收时，透射率为100%，因此迹线出现在图的顶部。当样品确实因此吸收吸收特定频率的光时，穿过样品的光量会下降，并且迹线向下移动。峰对应于向下指向的特征XiamenUniversity4

Xiamen University 4 下面显示的是 Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱： 根据悠久的传统，红外光谱被绘制为百分比透射率与频率的关系。 当样品完全不吸收时，透射率为 100%，因此迹线出现在图的顶部。 当样品确实 吸收特定频率的光时，穿过样品的光量会下降，并且迹线向下移动。 因此吸收 峰对应于向下指向的特征 红外光谱谱图

红外光谱谱图下面显示的是Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱：100%80%060%issre40%20%0%4000350030002000150010002500500frequency/cm-1频率以波数（cm-1）绘制。这些是以一厘米为单位的完整波数，或以厘米表示的波长范围内的波数。波数与频率成正比，可以将其视为频率单位。(wherecisthespeedoflight)asywavenumber, ,(aincm)1v(inHz)=c(incms-)x(incm-)i.e.yαyXiamen University5

Xiamen University 5 红外光谱谱图 下面显示的是 Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱： 频率以波数 (cm-1) 绘制。 这些是以一厘米为单位的完整波数，或以厘米表示的 波长范围内的波数。 波数与频率成正比，可以将其视为频率单位

红外光谱谱图下面显示的是Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱：100%80%060%isse40%20%0%4000350020001500100030002500500frequency/cm-1由于AE=hv，吸收频率与振动跃迁的能量成正比。因此，光谱左侧高波数处的峰值对应于需要更多能量的振动。红外光谱中最有用的振动是拉伸，这些通常需要最多的能量。几乎所有超过1500cm-1的峰都对应于键拉伸。XiamenUniversity6

Xiamen University 6 红外光谱谱图 下面显示的是 Lynx“亚特兰蒂斯”身体喷雾除臭剂样品的红外光谱： 由于 ΔE = hν，吸收频率与振动跃迁的能量成正比。 因此，光谱左侧高波数 处的峰值对应于需要更多能量的振动。红外光谱中最有用的振动是拉伸，这 些通常需要最多的能量。 几乎所有超过 1500 cm-1 的峰都对应于键拉伸

模拟双原子分子振动我们可以将一个简单的双原子分子视为与代表键的弹簧相连的两个质量。当键被拉伸或压缩时，系统的能量上升，并且存在试图将键恢复到其平衡长度的恢复力。erequilibriumbondlength00000000m2reKempextension描述这种系统的一个有用的模型，至少对于小振荡，是谐振子。这种振荡器在机械世界中以悬挂在弹簧上的重物为代表。当重物被拉下，即从其平衡位置移位时，弹簧会施加一个力使其返回到原始位置。结果是重量围绕平衡位置振荡。Xiamen University

Xiamen University 7 模拟双原子分子振动 描述这种系统的一个有用的模型，至少对于小振荡，是谐振子。 这种振荡器在 机械世界中以悬挂在弹簧上的重物为代表。当重物被拉下，即从其平衡位置移 位时，弹簧会施加一个力使其返回到原始位置。 结果是重量围绕平衡位置振荡。 我们可以将一个简单的双原子分子视为与代表键的弹簧相连的两个质量。 当键 被拉伸或压缩时，系统的能量上升，并且存在试图将键恢复到其平衡长度的恢 复力

红外光谱理论基础一简谐振荡restoring1forceequilibriumpositionrestoringmforce振荡的频率取决于两件事，即重量的重量和弹簧的强度，最快的振荡发生在刚度弹簧和质量较轻的情况下。这些参数之间的关系由胡克定律给出描述这种系统的一个有用的模型，至少对于小振荡，是谐振子。这种振荡器在机械世界中以悬挂在弹簧上的重物为代表。当重物被拉下，即从其平衡位置移位时，弹簧会施加一个力使其返回到原始位置。结果是重量围绕平衡位置振荡。XiamenUniversity8

Xiamen University 8 描述这种系统的一个有用的模型，至少对于小振荡，是谐振子。 这种振荡器在 机械世界中以悬挂在弹簧上的重物为代表。当重物被拉下，即从其平衡位置移 位时，弹簧会施加一个力使其返回到原始位置。 结果是重量围绕平衡位置振荡。 振荡的频率取决于两件事，即重量的重量和弹簧的强度，最快的振荡发生在刚 度弹簧和质量较轻的情况下。 这些参数之间的关系由胡克定律给出 红外光谱理论基础—简谐振荡

红外光谱理论基础一简谐振荡restoringforceequilibriumpositionrestoringmforce振荡的频率取决于两件事，即重量的重量和弹簧的强度，最快的振荡发生在刚度弹簧和质量较轻的情况下。这些参数之间的关系由胡克定律给出：k（牛顿第二运动定律）F=ma.mF=-kx（胡克定律）A0-A+AXiamen University9

Xiamen University 9 振荡的频率取决于两件事，即重量的重量和弹簧的强度，最快的振荡发生在刚 度弹簧和质量较轻的情况下。 这些参数之间的关系由胡克定律给出： F = ma (牛顿第二运动定律) m F = -kx (胡克定律) k -A 0 +A x 红外光谱理论基础—简谐振荡

红外光谱理论基础一振动双原子模型二个小球被一个劲度系数为的弹簧连接kk1Vm=振动频率2元Vμmim2m,'m,折合质量=m,+mz我们可以调整这个模型以应用于振动双原子。预期更强的键更难拉伸并因此具有更大的力常数是合理的。尽管拉伸键的难易程度与断裂键的难易程度不同，但键强度与力常数之间存在相当大的相关性，如下表所示：bond strengthforceconstantdiatomic/ kJ mol-i/Nm-l193246Br-Br575H-H43649811770=010771902C=OXiamenUniversity10

Xiamen University 10 我们可以调整这个模型以应用于振动双原子。 预期更强的键更难拉伸并因此 具有更大的力常数是合理的。 尽管拉伸键的难易程度与断裂键的难易程度不 同，但键强度与力常数之间存在相当大的相关性，如下表所示： 二个小球被一个劲度系数为k的弹簧连接 振动频率 折合质量 m1 m2 k 红外光谱理论基础—振动双原子模型

红外光谱理论基础一振动双原子模型二个小球被一个劲度系数为的弹簧连接kk1Um振动频率2元Vμmim2m.m,=折合质量m,+m2修改模型时我们需要考虑的第二件事是，与天花板悬挂质量的情况不同，当双原子分子振动时，两个原子都在移动。我们可以通过使用系统的折合质量Ⅱ来考虑这两个质量：m,m2H=mi+m2请注意，如果一个质量比另一个质量大得多，则折合质量的表达式可简化mm2whenm>m2~m2Hamii.e.whenmi》m2(lightermassμ~m2XiamenUniversity11

Xiamen University 11 修改模型时我们需要考虑的第二件事是，与天花板悬挂质量的情况不同，当双原 子分子振动时，两个原子都在移动。 我们可以通过使用系统的折合质量 μ 来考虑 这两个质量： 二个小球被一个劲度系数为k的弹簧连接 振动频率 折合质量 m1 m2 k 请注意，如果一个质量比另一个质量大得多，则折合质量的表达式可简化： 红外光谱理论基础—振动双原子模型