材料分析测试 第十一章 红外吸收光谱分析法

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1、第十一章红外吸收光谱分析法第一节红外光谱基本原理第二节红外光谱仪第三节红外光谱的实验技术第四节红外光谱的应用Infraredabsorptionspectroscopy西南科技大学张宝述spectrometry1第一节红外光谱基本原理一、红外光谱的形成和红外区的分类红外吸收光谱图（Infraredabsorptionspectrum)，简称“红外光谱”，IR1.红外光谱的形成红外光谱是物质对红外辐射产生共振吸收，用仪器记录下来所得到的图谱。22.红外区的分类不同区所用仪器不同，获得的知识各异。近红外区：主要用来研究O-H、N-H及C-H键的倍频吸收中红外区：最为有用，分子

2、的振动能级跃迁远红外区：分子的纯转动能级跃迁和晶体的晶格振动3二、红外光谱选律二个能级间电偶极矩改变不为零。4三、分子的转动光谱一个分子可以围绕许多不同的轴转动。例如，一个简单的HCl分子，它可以围绕价键转动，也可以围绕通过分子重心并垂直价键的轴转动。在后者的情况下，分子偶极发生变化，吸收红外光并以高频率速度转动，从而在红外光谱区出现吸收。5非极性双原子分子转动时，因偶极不变化，故不吸收也不发射光，无转动光谱。极性双原子分子，允许转动能量跃迁的选律是J＝1，但在吸收光谱中，J＝-1无意义。对于刚性双原子分子：1）转动能级的距离是不等的；2）以波数表示时，转动光谱应该

3、是一系列等距离的谱线；3）用转动光谱可以算出分子的转动惯量和键长；4）轻的分子转动惯量小，谱线波长较短，它们的转动光谱在远红外区，重的分子转动光谱则落在微波区。分子的转动光谱J-转动量子数刚性转子模型6四、分子的振动光谱振动能级跃迁时，伴随转动能级的跃迁，所以无法测得纯粹的振动光谱，得到的只能是分子的振动-转动光谱（振-转光谱，一般直接称为振动光谱）。以HCl为例。若组成HCl分子的氢原子和氯原子以较小的振幅围绕其平衡位置振动，则可近似地把它看作是一维谐振子。双原子分子振动平衡状态伸缩振动7双原子分子谐振子模型的选律1)非极性的同核双原子分子在振动过程中偶极距不发生变化，

4、n＝0，无振动光谱。2)极性分子n＝1。非谐振子的选律量子力学证明，非谐振子的选律不再局限于n＝l，它可以等于任何其它整数值即：n＝l，2，3……。这就是为什么在红外光谱图上除了可以观察到较强的基频吸收外，还可以观察到弱的倍频和组频等泛音吸收的缘故。双原子分子振动的选律n——振动量子数8振动光谱的用途（1）当把双原子分子看成是一谐振子时，只要知道力常数k，即可求出吸收位置v(cm-1)。反过来，可由振动光谱求价键的力常数。力常数是衡量价键性质的一个重要参量。（2）测定同位素的质量。（3）获得具有相同原子对的单键、双键和叁键的吸收位置间的关系。双原子分子伸

5、缩振动频率9如果振动频率用波数表示，则为若以相对原子质量（简称“原子量”）代替原子质量，那么上式可简化为式中，M——折合原子量，M1和M2分别为两原子的原子量。c——真空中光速，31010cms-1N——阿伏加德罗常数，6.0231023mol-110常见化学键的伸缩力常数（Ncm-1）键力常数以前的单位：mdynÅ-11dyn=10-5N，1Å=10-8cm11例1计算HCl的伸缩振动频率。（kHCl=5.16Ncm-1）解：实测HCl的红外吸收峰为2885.9cm-1，因此计算值与实验值较接近。12例2计算复杂分子中CH键的伸缩振动频率。（kCH=5.0N

6、cm-1）解：实际上在烯烃和芳烃中的碳氢键伸缩振动频率=CH在3030附近；在饱和碳氢化合物中，-CH3的as在2960cm-1，s在2860cm-1。-CH2的as在2930cm-1，s在2850cm-1。13例3计算羰基的伸缩振动频率。（kC=O=12Ncm-1）解：实际上羰基化合物的-C=O为：羧基~1760cm-1，酯基~1735cm-1，醛基~1725cm-1，酮基~1715cm-1。14运动自由度：一个自由运动的原子，它运动的自由度是3，因为真正独立的坐标只有3个。简正振动：分子真实的振动是复杂的，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任

7、意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的相互独立的和比较简单的振动方式的迭加，这些比较简单的振动称为简正振动。振动自由度：分子的简正振动数目称为振动自由度。由N个原子组成的分子有（3N-6）个简正振动模式[线型分子为（3N-5）个]。运动自由度3N-平动自由度3-转动自由度3（线型2）多原子分子的振动光谱15多原子分子的自由度DegreesoffreedomforpolyatomicmoleculesTypeofdegreesoffreedomLinearNon-linearTranslational33Rotational23