學(xué)生--第十章 紅外光譜分析

1、第十章第十章 紅外吸收光譜分析法紅外吸收光譜分析法 概述概述 基本原理基本原理 產(chǎn)生紅外吸收的條件產(chǎn)生紅外吸收的條件 分子振動(dòng)分子振動(dòng) 譜帶強(qiáng)度譜帶強(qiáng)度 振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率 影響基團(tuán)頻率的因素影響基團(tuán)頻率的因素 紅外光譜儀器紅外光譜儀器 試樣制備試樣制備 應(yīng)用簡(jiǎn)介應(yīng)用簡(jiǎn)介第一節(jié)第一節(jié) 紅外吸收光譜分析概述紅外吸收光譜分析概述1 1、定義、定義紅外光譜紅外光譜分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，屬分子吸收光譜。分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，屬分子吸收光譜。紅外吸收光譜分析法紅外吸收光譜分析法 紅外光譜紅外光譜遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外(轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū))(25-300 m)中紅外中紅外(振動(dòng)區(qū)振動(dòng)區(qū))(2.525 m)近紅外近紅外(泛頻）泛頻）

2、(0.782.5 m)倍頻倍頻分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)分區(qū)及波長(zhǎng)范圍分區(qū)及波長(zhǎng)范圍 躍遷類型躍遷類型（常用區(qū)）（常用區(qū)）2. 紅外光譜區(qū)的劃分紅外光譜區(qū)的劃分紅外光譜的表示方法紅外光譜的表示方法 用用T-T- 曲線或曲線或T-T-波數(shù)曲線表示。波數(shù)曲線表示?？v坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：百分透光率百分透光率T%T%，因而吸收峰向下；因而吸收峰向下； 1橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)：波長(zhǎng)波長(zhǎng) （m m），），或波數(shù)或波數(shù)（cmcm-1-1）。）。2例如：例如：苯酚的紅外光譜。苯酚的紅外光譜。波長(zhǎng)波長(zhǎng) 與與之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： （cm-1cm-1 ）= =10104 4 （m m）1 （cmcm）=例

3、：計(jì)算例：計(jì)算8.00 m m的紅外線的的紅外線的和和。（cm-1cm-1 ）10104 4 （m m）=1250cmcm-1-1 = =2.9982.99810101010cm/scm/s8.00 8.00 1010-4-4cmcmC =3.75 101013 13 s s-1-1 3. 紅外光譜特點(diǎn)紅外光譜特點(diǎn)1）高度的特征性；）高度的特征性；2）應(yīng)用范圍廣；）應(yīng)用范圍廣；3）固、液、氣態(tài)樣均可測(cè)定，且用量少、不破壞樣品。）固、液、氣態(tài)樣均可測(cè)定，且用量少、不破壞樣品。4 4）能進(jìn)行定性和定量分析，而且該法是鑒定化合物和測(cè)）能進(jìn)行定性和定量分析，而且該法是鑒定化合物和測(cè) 定分子結(jié)構(gòu)的最有用

4、方法之一。定分子結(jié)構(gòu)的最有用方法之一。第二節(jié)第二節(jié) 紅外吸收光譜的產(chǎn)生條件紅外吸收光譜的產(chǎn)生條件一、產(chǎn)生紅外吸收的條件一、產(chǎn)生紅外吸收的條件分子吸收輻射產(chǎn)生振分子吸收輻射產(chǎn)生振轉(zhuǎn)躍遷必須滿足兩個(gè)條件：轉(zhuǎn)躍遷必須滿足兩個(gè)條件：條件一：條件一：紅外光的能量與發(fā)生振動(dòng)躍遷所需的能量相等；紅外光的能量與發(fā)生振動(dòng)躍遷所需的能量相等；1條件二：條件二：輻射與物質(zhì)之間有耦合作用（相互作用），輻射與物質(zhì)之間有耦合作用（相互作用），2 即分子必須有即分子必須有偶極矩變化。偶極矩變化。用分子的偶極矩用分子的偶極矩來(lái)描述分子極性的大小。來(lái)描述分子極性的大小。 紅外活性紅外活性只有發(fā)生偶極矩變化（只有發(fā)生偶極矩變化（

5、 00）的振動(dòng)才）的振動(dòng)才能能 引起可觀測(cè)的紅外吸收光譜，該分子稱為紅引起可觀測(cè)的紅外吸收光譜，該分子稱為紅 外活性的外活性的。非紅外活性非紅外活性 =0=0的分子振動(dòng)不能產(chǎn)生紅外振動(dòng)吸的分子振動(dòng)不能產(chǎn)生紅外振動(dòng)吸 收，稱為非紅外活性的。收，稱為非紅外活性的。例如：例如： H H2 2 、 N N2 2 、0 02 2 、ClCl2 2 等對(duì)稱分子等對(duì)稱分子，1 H H H H d = 0 d = 0 ， =0=0 振動(dòng)時(shí)沒(méi)有偶極矩的變化振動(dòng)時(shí)沒(méi)有偶極矩的變化，故不吸收紅外故不吸收紅外光，光，不產(chǎn)生不產(chǎn)生紅外光譜紅外光譜，是，是非紅外活性的分子。非紅外活性的分子。例如：例如：H H2 2O O

6、 00 偶極矩變化偶極矩變化 吸收吸收紅外輻射，產(chǎn)生紅外吸收光譜，是紅外輻射，產(chǎn)生紅外吸收光譜，是紅外活性的分子紅外活性的分子。第三節(jié)第三節(jié) 分子振動(dòng)方程式分子振動(dòng)方程式一、雙原子分子的振動(dòng)一、雙原子分子的振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng) 根據(jù)根據(jù)原子質(zhì)量原子質(zhì)量和和相對(duì)原子質(zhì)量相對(duì)原子質(zhì)量之間的關(guān)系，上式可寫成：之間的關(guān)系，上式可寫成：= =2 p p CNAMMk1 12NA：阿伏加得羅常數(shù)，阿伏加得羅常數(shù)， NA=6.022 1023M: 兩個(gè)原子的折合相對(duì)原子質(zhì)量；兩個(gè)原子的折合相對(duì)原子質(zhì)量；M=M1M2M1+ M2= 1303= 1303MMk二、二、影響基本振動(dòng)頻率因素影響基本振動(dòng)頻率因素 =

7、 1303= 1303MMk 相對(duì)原子質(zhì)量相對(duì)原子質(zhì)量 化學(xué)鍵的力常數(shù)化學(xué)鍵的力常數(shù)。 K K 越大，越大， M M 越小，則化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越高，吸收越小，則化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越高，吸收峰將出現(xiàn)在高頻區(qū)；反之，則出現(xiàn)在低頻區(qū)。峰將出現(xiàn)在高頻區(qū)；反之，則出現(xiàn)在低頻區(qū)。例：已知：例：已知：C-HC-H鍵（看作雙原子分子）的力常數(shù)鍵（看作雙原子分子）的力常數(shù)K= 5 N/cm.K= 5 N/cm. 求：求： C-HC-H鍵的振動(dòng)頻率鍵的振動(dòng)頻率解：解：C C 原子和原子和 H H 原子的折合質(zhì)量為：原子的折合質(zhì)量為：M=M1M2M1+ M2=12112+ 1= 0.923= 1303= 13030.

8、9230.9235=3030cm-1= 1303= 1303MMk例：例： C C C C K= 15 N/cm M = 6 K= 15 N/cm M = 6 = 2062 = 2062 cmcm-1-1 C C = = C C K= 10 N/cmK= 10 N/cm M = 6 M = 6 = 1683 = 1683 cmcm-1-1 C C C C K= 5 N/cm M = 6 K= 5 N/cm M = 6 = 1190 = 1190 cmcm-1-1 對(duì)于具有相似質(zhì)量的原子基團(tuán)，對(duì)于具有相似質(zhì)量的原子基團(tuán)， K K例：例： C-CC-C、C-OC-O、C-NC-N鍵的力常數(shù)相近，鍵

9、的力常數(shù)相近， 相對(duì)折合質(zhì)量不同，相對(duì)折合質(zhì)量不同，M MC-CC-C M MC-NC-N M 100 20100 20 100 100 10 10 20 1 20 1 10 1000cm-1）有有更更強(qiáng)強(qiáng)的的發(fā)發(fā)射射；穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好；機(jī)械強(qiáng)度差；機(jī)械強(qiáng)度差； 但但價(jià)格較高價(jià)格較高。 硅碳棒硅碳棒 SiC 1200-1500oC 低波數(shù)區(qū)低波數(shù)區(qū)光光強(qiáng)強(qiáng)較較大大；波波數(shù)數(shù)范圍范圍更更廣廣； 堅(jiān)固、發(fā)光面積大堅(jiān)固、發(fā)光面積大。 2 2、吸收池、吸收池 用用 NaClNaCl、KBrKBr等材料制成的鹽窗。等材料制成的鹽窗。1NaClNaCl、KBrKBr 窗片需注意防潮。窗片需注意防潮。 氣

10、體試樣氣體試樣在氣體吸收池中進(jìn)行測(cè)定的。在氣體吸收池中進(jìn)行測(cè)定的。3 固體試樣固體試樣NaClNaCl、純純KBrKBr混勻壓片，直接進(jìn)行測(cè)定?；靹驂浩?，直接進(jìn)行測(cè)定。2 液體試樣液體試樣使用液體吸收池。使用液體吸收池。13 3、單色器、單色器單色器由色散元件（光柵）、準(zhǔn)直鏡、狹縫、構(gòu)成。單色器由色散元件（光柵）、準(zhǔn)直鏡、狹縫、構(gòu)成。4 4、檢測(cè)器、檢測(cè)器 熱電偶熱電偶 測(cè)熱輻射計(jì)測(cè)熱輻射計(jì)熱釋電檢測(cè)器熱釋電檢測(cè)器碲鎘汞檢測(cè)器碲鎘汞檢測(cè)器 二、二、FourierFourier變換紅外光譜儀變換紅外光譜儀（FTIR）組成組成由光源由光源 、MichelsonMichelson干涉儀、檢測(cè)器、計(jì)算

11、機(jī)。干涉儀、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)。核心核心 MichelsonMichelson干涉儀。干涉儀。 它將光源來(lái)的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)它將光源來(lái)的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn) 行行FourierFourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原 成光譜圖。成光譜圖。區(qū)別區(qū)別干涉儀。干涉儀。第十節(jié)第十節(jié) 試樣的制備試樣的制備 一、一、紅外光譜法對(duì)試樣的要求紅外光譜法對(duì)試樣的要求1 1 1、試樣應(yīng)為、試樣應(yīng)為“純物質(zhì)純物質(zhì)”（98%98%），在分析前樣品需要純），在分析前樣品需要純化；化； 2 2、試樣不含有水（水可產(chǎn)生紅外吸收且可侵蝕鹽窗）；、試樣不含有水（水可產(chǎn)生

12、紅外吸收且可侵蝕鹽窗）；3 3、試樣濃度或厚度應(yīng)適當(dāng)，使、試樣濃度或厚度應(yīng)適當(dāng)，使 T T 在在1 15%-70%5%-70%范圍內(nèi)范圍內(nèi)。二、制樣方法二、制樣方法1 1、氣體樣品、氣體樣品 氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅外透光的外透光的NaClNaCl或或KBrKBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。入。2 2 、 液體和溶液試樣液體和溶液試樣（1 1）液體池法）液體池法 沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中，液層厚度一般為中，液層厚度一般為0.01-10.01-1mmmm。（2 2）液膜法液膜法 沸點(diǎn)較高的試樣，直接滴在兩片鹽片之間，形成液膜。沸點(diǎn)較高的試樣，直接滴在兩片鹽片之間，形成液膜。2（2 2）石蠟糊法）石蠟糊法 將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟混合，調(diào)成糊將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測(cè)定。狀，夾在鹽片中測(cè)定。3 3、固體試樣、固體試樣（1 1）壓片法）壓片法 試樣和試樣和KBrKBr都應(yīng)經(jīng)干燥處理