《仪器分析》课程教学资源（教案讲义）第二章 红外吸收光谱法

第二章红外吸收光谱法【教学目的】1.掌握红外吸收的基本理论，包括分子振动红外光谱产生的条件。2．了解红外吸收光谱仪结构。3.掌握简单的红外图谱分析。【教学重点和难点】1.红外光谱产生的条件2.红外图谱解析【教学方法】讲授、讲解、讨论、多媒体【教学时数】4课时【教学过程】第一节概述一、红外吸收光谱（IR）基本概念是依据物质对红外辐射的特征吸收建立的一种光谱分析方法。分子吸收红外辐射后发生振动能级和转动能级的跃迁，故又称为分子振动一转动光谱。红外光谱法是有机化合物结构分析的重要手段，与紫外吸收光谱法、核磁共振波谱法及质谱法被称为四大谱学方法。二、红外光区划分红外区（0.78～1000μm）按波长分成三个波区：1.近红外区0.78-2.5Hm（780nm=2500nm)C-H，N-H，0-H的振动能级跃迁所产生的泛频吸收或能量较低的电子能级的跃迁发生在此波区。主要用于蛋白质、脂肪、水分、淀粉、纤维、半纤维、木质素等的定性定量分析。2.中红外区2.5~25um3.远红外区25~1000um4.红外光谱图线性波长表示法：横坐标为波长（um），纵坐标为T。线性波数表示法：横坐标为波数（cm-1)，纵坐标为T。第二节红外吸收产生的原理与条件一、红外吸收光谱产生的条件1.辐射具有能满足分子跃迁所需要的能量2.辐射与分子之间有耦合作用发生。（一）辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等基频峰：分子由基态振动能级（=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸收峰。倍频峰：=0→=2，3，4..·.跃迁产生的谱带，称第一倍频，第二倍频，….等。只有符合△V=土1，土2....的跃迁才会产生红外吸收带。例：C02三原子线性分子，振动自由度为3×3-5=4，但Vs1388cm-1为非活性的，8668cm-1频率相同，发生简并，故只有二条。（二）辐射与分子之间有耦合作用发生只有在振动过程中偶极矩发生变化的那种振动方式，才能吸收红外幅射，在红外光谱中出现吸收谱带。这种方式称红外活性的，否则称红外非活性的。二、多分子振动的几种方式1.伸缩振动---一沿键轴方向伸缩，使键长发生变化的振动。伸缩振动有两种方式：对称伸缩振动（用VS表示)；反对称伸缩振动（亦称不对称伸缩振动，用VAS表示）2.弯曲振动（变形振动）-------键角发生变化的振动。面内弯曲振动：剪式振动（8）和平面摇摆振动（）。面外弯曲振动：扭曲振动（t）和非平面摇摆振动（α）。三、振动自由度

第二章 红外吸收光谱法 【教学目的】 1. 掌握红外吸收的基本理论，包括分子振动红外光谱产生的条件。 2. 了解红外吸收光谱仪结构。 3. 掌握简单的红外图谱分析。 【教学重点和难点】 1. 红外光谱产生的条件 2. 红外图谱解析 【教学方法】 讲授、讲解、讨论、多媒体 【教学时数】 4课时 【教学过程】 第一节 概述 一、红外吸收光谱（IR) 基本概念 是依据物质对红外辐射的特征吸收建立的一种光谱分析方法。分子吸收红外辐射后发生振动能级和转动能级的跃迁， 故又称为分子振动-转动光谱。 红外光谱法是有机化合物结构分析的重要手段，与紫外吸收光谱法、核磁共振波谱法及质谱法被称为四大谱学方法。 二、红外光区划分 红外区（0.78～1000µm)按波长分成三个波区: 1. 近红外区 0.78 - 2.5 µm (780 nm – 2500 nm)C-H, N-H, O-H 的振动能级跃迁所产生的泛频吸收或能量较低 的电子能级的跃迁发生在此波区。 主要用于蛋白质、脂肪、水分、淀粉、纤维、半纤维、木质素等的定性定量分析。 2. 中红外区 2.5～25um 3. 远红外区 25～1000 um 4. 红外光谱图 线性波长表示法: 横坐标为波长(um), 纵坐标为T。 线性波数表示法: 横坐标为波数(cm-1), 纵坐标为T。 第二节 红外吸收产生的原理与条件 一、红外吸收光谱产生的条件 1.辐射具有能满足分子跃迁所需要的能量 2.辐射与分子之间有耦合作用发生。 （一）辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等 基频峰：分子由基态振动能级（ =0）跃迁至第一振动激发态（ =1）时，所产生的吸收峰。 倍频峰： =0→ =2, 3, 4.跃迁产生的谱带, 称第一倍频, 第二倍频, .等。 只有符合△V=±1,±2.的跃迁才会产生红外吸收带。 例: CO2三原子线性分子,振动自由度为 3×3-5=4，但Vs 1388cm-1为非活性的,δ668cm-1频率相同,发生简并,故只 有二条。 （二）辐射与分子之间有耦合作用发生 只有在振动过程中偶极矩发生变化的那种振动方式, 才能吸收红外幅射,在红外光谱中出现吸收谱带。这种方式称红外 活性的,否则称红外非活性的。 二、 多分子振动的几种方式 1. 伸缩振动-沿键轴方向伸缩, 使键长发生变化的振动。 伸缩振动有两种方式： 对称伸缩振动 (用 VS表示); 反对称伸缩振动(亦称不对称伸缩振动,用VAS表示) 2. 弯曲振动(变形振动)-键角发生变化的振动。 面内弯曲振动: 剪式振动(δ)和平面摇摆振动(γ)。 面外弯曲振动:扭曲振动(τ)和非平面摇摆振动(ω)。 三、振动自由度

简正振动（基本振动）--基频谱带（V=0→V=1）四、吸收红外幅射的选择定则1．只有在振动过程中偶极矩发生变化的那种振动方式，才能吸收红外幅射，在红外光谱中出现吸收谱带。这种方式称红外活性的，否则称红外非活性的。2.只有符合△V=士1，土2.．.的跃迁才会产生红外吸收带。例：C02三原子线性分子，振动自由度为3×3-5=4但Vs1388cm-1为非活性的，8668cm-1频率相同，发生简并，固只有二条。五、基团频率区和指纹区1.基团频率区4000~1300cm-1（1）4000~2500cm-1是X-H伸缩振动区（2）2500~1900cm-1为叁键和累积双键区（3）1900~1200cm-1是双键伸缩振动区2.指纹区1300~600cm-1（1）1300~900区域cm-1是C-0，C-N等单键的伸缩振动和C=S，S=0等双键的伸缩振动。（2）900~650cm-1区域可用来确认化合物的顺反异构。第三节红外光谱仪一、色散型红外光谱仪的基本部件1.光源2.样品池液体样品：a.液膜法：a.固定池、可拆装式液体池、可变池固体样品：1~2mg样品，150~200mgKBr研磨压成厚度为1~2mm透明薄片。3.单色器：与UV-Vis相同。4.检测器：硫酸三甘肽（TGSO、碲汞镉检测器、热电偶、测幅射热计、GolayCell。二、富立叶变换红外光谱仪1、迈克尔逊干涉仪当动镜移动1/4的奇数倍时：光程差X为1/2，3/2，5/2，.…，两光束位相差180度，发生相消干涉，亮度最小。当动镜移动1/4的偶数倍时：光程差X为的整数倍，发生相长干涉，亮度最大。当动镜连续运行时，其干涉图方程：I(x)=B()Cos2X其中：I-干涉强度；B-入射光强度；X-光程差。当为复合光时，其方程为：I(x) - 0, B(v)Cos 2pvXdx当干涉光通过样品后，样品吸收某些频率的光，经计算机对方程进行富立叶变换后，得到透过率随波长变化的红外图谱。2、FT-IR的工作原理3、富立叶变换红外光谱仪的优点A.分辨率高在1000cm-1处时：棱镜3cm-1，光栅0.2cm-1,FT-IR0.1-0.005cm-1。B.波数精度高FT-IR可精确至0.01cm-1。C..扫描时间快FT-IR1秒钟可扫完全图谱D.光谱范围宽10000--10cm-1E..灵敏度高可分析10-9g样品第四节定性分析有机分子红外吸收光谱与分子结构之间的关系基团频率区和指纹区1.基团频率区4000~1300cm-1（1）4000~2500cm-1是X-H伸缩振动区（2）2500~1900cm-1为叁键和累积双键区

简正振动(基本振动)-基频谱带(V=0 → V=1) 四、吸收红外幅射的选择定则 1. 只有在振动过程中偶极矩发生变化的那种振动方式, 才能吸收红外幅射,在红外光谱中出现吸收谱带。这种方式称 红外活性的,否则称红外非活性的。 2.只有符合△V=±1,±2.的跃迁才会产生红外吸收带。 例: CO2三原子线性分子, 振动自由度为 3×3-5=4但Vs 1388cm-1为非活性的,δ668cm-1频率相同,发生简并,固只有 二条。 五、基团频率区和指纹区 1.基团频率区 4000~1300 cm-1 (1) 4000~2500 cm-1是X-H伸缩振动区 (2) 2500~1900 cm-1为叁键和累积双键区 (3) 1900~1200 cm-1是双键伸缩振动区 2.指纹区 1300~600cm-1 （1）1300~900区域cm-1是C-O, C-N等单键的伸缩振动和C=S, S=O等双键的伸缩振动。 （2）900~650 cm-1区域可用来确认化合物的顺反异构。 第三节 红外光谱仪 一、色散型红外光谱仪的基本部件 1. 光源 2. 样品池 液体样品：a. 液膜法； a. 固定池、可拆装式液体池、可变池 固体样品：1～2mg样品，150～200mg KBr研磨压成厚度为1～2mm透明薄片。 3. 单色器：与UV-Vis相同。 4. 检测器：硫酸三甘肽（TGS0、碲汞镉检测器、热电偶、测幅射热计、Golay Cell。 二、富立叶变换红外光谱仪 1、迈克尔逊干涉仪 当动镜移动 1/4 的奇数倍时：光程差 X 为 1/2，3/2，5/2，.，两光束位相差180度，发生相消干涉，亮度最 小。 当动镜移动 1/4 的偶数倍时：光程差 X 为 的整数倍，发生相长干涉，亮度最大。 当动镜连续运行时，其干涉图方程： I(x)=B()Cos2X 其中：I-干涉强度；B-入射光强度；X-光程差。 当为复合光时，其方程为： 当干涉光通过样品后，样品吸收某些频率的光，经计算机对方程进行富立叶变换后，得到透过率随波长变化的红外 图谱。 2、FT-IR的工作原理 3、富立叶变换红外光谱仪的优点 A. 分辨率高 在1000cm-1处时: 棱镜 3cm-1, 光栅 0.2cm-1,FT-IR 0.1-0.005cm-1。 B. 波数精度高 FT-IR 可精确至0.01cm-1。 C. 扫描时间快 FT-IR 1秒钟可扫完全图谱 D. 光谱范围宽 10000-10cm-1 E. 灵敏度高 可分析10-9 g样品 第四节 定性分析 一、有机分子红外吸收光谱与分子结构之间的关系 基团频率区和指纹区 1.基团频率区 4000~1300 cm-1 (1) 4000~2500 cm-1是X-H伸缩振动区 (2) 2500~1900 cm-1为叁键和累积双键区

（3）1900~1200cm-1是双键伸缩振动区2.指纹区1300~600cm-1（1）1300~900区域cm-1是C-0，C-N等单键的伸缩振动和C=S，S=0等双键的伸缩振动。（2）900~650cm-1区域可用来确认化合物的顺反异构。二、定性分析利用已知物与未知物图谱比较对照鉴定。1.2．未知物的结构测定步骤：A.用元素分析仪测定未知物的C,H，0,N等元素的比例，求取分子式。B.测定红外光谱。C.计算不饱和度W=1 +n4 + (n3- n1)/2ni,n3,n4分别是价数为1,3,4的原子数通常：双键和饱和环状化合物的U为1，叁键U为2，苯环U为4。D.先找官能团区，后找指纹区证实。【布置作业】P72-73 1-25【教学后记】

(3) 1900~1200 cm-1是双键伸缩振动区 2.指纹区 1300~600cm-1 （1）1300~900区域cm-1是C-O, C-N等单键的伸缩振动和C=S, S=O等双键的伸缩振动。 （2）900~650 cm-1区域可用来确认化合物的顺反异构。 二、定性分析 1. 利用已知物与未知物图谱比较对照鉴定。 2. 未知物的结构测定 步骤： A. 用元素分析仪测定未知物的C,H,O,N等元素的比例,求取分子式。 B. 测定红外光谱。 C. 计算不饱和度 W＝1 + n4 + (n3 - n1)/2 n1,n3,n4分别是价数为1,3,4的原子数 通常: 双键和饱和环状化合物的 U为1，叁键 U为2，苯环 U为4。 D. 先找官能团区, 后找指纹区证实。 【布置作业】 P72-73 1-25 【教学后记】