红外测试原理及方法

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1、InfraredandRaman参考文献:1）《近代傅立叶变换红外光谱技术及其应用》吴瑾光,科学技术文献出版社2）《高分子结构研究中的光谱方法》薛奇,高等教育出版社3）《有机分子结构波谱解析》朱淮武,化学工业出版社红外吸收光谱是一种分子吸收光谱。分子中电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属一定能级。电子受到光、热、电的激发，从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。由于分子内部运动所牵涉到能级变化较复杂，分子吸收光谱也较复杂。在分子内部除了电子运动状态之外，还有核间相对运动，即核的振动和分子绕重心的转动。一、概述introduction

2、分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构近红外区中红外区远红外区分子振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，称为红外吸收光谱。红外光谱图：纵坐标透射百分比T%，横坐标为波长λ（m）和波数单位：cm-1可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。应用：有机化合物的结构解析。定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度；红外光谱与有机化合物结构红外光谱法的特点研究振动中伴有偶极矩变化的化合物除单原子和同核分子外，几

3、乎所有化合物在红外区均有吸收。除光学异构体，某些高分子量高聚物及分子量微小差异的化合物外，结构不同两化合物不会有相同红外光谱。波数位置、波峰数目及吸收谱带强度反映分子结构特点，可鉴定未知物结构组成或确定其化学基团；谱带吸收强度与分子组成或化学基团含量有关，可进行定量分析和纯度鉴定。气、液、固体样都可测，用量少，速度快，不破坏样品。能进行定性和定量分析，鉴定化合物和测定分子结构。二、红外吸收光谱产生的条件conditionofInfraredabsorptionspectroscopy满足两个条件：(1)辐射具物质产生振动跃迁所需能量；(2)辐射与物质间有

4、相互偶合作用。对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：N2、O2、Cl2等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。一定频率红外光照射分子，如分子中某基团振动频率和它一致，会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩变化传递给分子，基团吸收一定频率红外光，产生振动跃迁。如用连续频率红外光照射样品，试样对不同频率红外光吸收程度不同，通过试样的红外光在一些波数范围减弱或仍较强，仪器记录该红外吸收光谱，进行样品定性和定量分析。偶极子在交变电场中的作用示意图分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：E振=（V+1/2）h：化学键的振动频率；V：振动量子数。双

5、原子分子的简谐振动及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧任意两个相邻的能级间的能量差为：K化学键的力常数，与键能和键长有关，为双原子的折合质量=m1m2/（m1+m2）发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于K和，即取决于分子的结构特征。表某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）键类型—CC—>—C=C—>—C—C—力常数15179.59.94.55.6峰位2222cm-11667cm-11429cm-1化学键键强越强（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。例:由表中查知C=C键的K=9.59.9,令其为9.6

6、,计算波数值。正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652cm-1上述用经典方法来处理分子振动是宏观处理方法。但真实分子的振动能量变化量子化；分子中基团间，基团中化学键间相互影响，除化学键两端原子质量、力常数影响基本振动频率外，还与内部因素和外部因素（化学环境）有关。三、分子中基团的基本振动形式简正振动basicvibrationofthegroupinmolecular1．两类基本振动形式伸缩振动亚甲基：变形振动亚甲基振动状态是分子质心保持不变，整体不转动，每个原子在其平衡位置附近做简谐振动，振动频率和相位相同，即每个原子都在同一瞬间通过其平衡位置，且

7、同时达到其最大位移值。分子中任何一个复杂振动都可以看成这些简正振动的线性组合甲基的振动形式伸缩振动甲基：变形振动甲基对称δs(CH3)1380㎝-1不对称δas(CH3)1460㎝-1对称不对称υs(CH3)υas(CH3)2870㎝-12960㎝-1例１　水分子（非对称分子）２．峰位、峰数与峰强（1）峰位化学键的力常数K越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区；反之，出现在低波数区。（2）峰数无瞬间偶极距变化时无红外吸收。简正振动的数目称为振动自由度，每个振动自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。分子由n个原子组成，每个原子在

8、空间有3个自由度，因此n个原子组成的分子共有3n个自由度，即3n种运动状态。3n