材料现代分析测试方法-分子振动光谱课件.ppt

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1、第五节分子振动光谱红外（IR）和拉曼（Raman）光谱统称为分子振动光谱，但它们分别对振动基团的偶极矩和极化率的变化敏感。红外光谱为极性基团的鉴定提供最有效的信息，拉曼光谱对研究物质的骨架特征特别有效。一般非对称振动产生强的红外吸收，而对称振动则出现显著的拉曼谱带。红外和拉曼分析法结合，可更完整地研究分子的振动和转动能级，从而更可靠地鉴定分子结构。一、红外光谱的基本原理分子的振动具有一些特定的分裂的能级。当用红外光照射物质时，该物质结构中的质点会吸收一部分红外光的能量。引起质点振动能量的跃迁，从而使红外光透过物质时发生了吸收而产生红外吸收光谱。被吸收的特征频

2、率取决于被照射物质组成的原子量、键力以及原子分布的几何特点，即取决于物质的化学成分和内部结构。每一种具有确定化学组成和结构特征的物质，都应具有特征的红外吸收谱图（谱带位置、谱带数目、谱带宽度、谱带强度）等。当化学组成和结构特征不同时，其特征吸收谱图也就发生了变化。我们就可以根据红外光谱的特征吸收谱图对物质进行分析鉴定工作，并按其吸收的强度来测定它们的含量。（一）红外吸收的条件分子吸收红外辐射必须满足两个条件1．偶极矩的变化分子在振动过程中，原子间的距离（键长）或夹角（键角）会发生变化，这可能引起分子偶极矩的变化，产生一个稳定的交变电场，它的频率等于振动的频率

3、。这个稳定的交变电场将和运动的具有相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量，产生红外光谱的吸收。如果振动中没有偶极矩的变化就不会产生交变的偶极电场，这种振动不会和红外辐射发生相互作用，分子没有红外吸收光谱。非极性分子的振动、极性分子的对称伸缩振动偶极矩变化为零，不产生红外吸收。这种不发生吸收红外辐射的振动，称为非红外活性振动，非红外活性振动往往是拉曼活性的。2．选律分子的振动能级是量子化的，而不是连续变化的。式中，n可取值0，1，2，3……。在简谐振动模型中，其谐振子吸收或发射辐射就必定依照Δn=±1的规律增减，这称为选律或选择定则。由选律可知：分子

4、的振动从一个能级跃迁到相邻高一级能级，只获得一个量子，由这类吸收产生的光谱频率称为基频，基频的吸收带就称作基频带。由于真实分子的振动不完全符合谐振子模型，在很多情况下可能出现Δn＞±1的跃迁。如果分子振动能级跃迁两个以上能级，所产生的吸收谱带叫倍频带，它出现在基频带的几倍处。由于分子振动能级连续跃迁二级以上的几率很小，因此，倍频带的强度仅有基频带强度的1/10左右或更低。如果吸收谱带是在两个以上的基频带波数之和或差处出现，则此谱带称为合频带，其强度也比基频带弱得多。（二）基团特征频率分子除了有简谐振动对应的基频谱带外，由于各种振动之间的相互作用，以及振动的非

5、谐性质，还有倍频、合频、偶合以及费米共振等的吸收谱带，因此确定各个谱带的归属是比较困难的。但是根据大量的光谱数据发现，具有相同化学键或官能团的一系列化合物有近似共同的吸收频率，这种频率称为基团特征频率。同一种基团的某种振动方式若处于不同的分子和外界环境中，其化学键力常数是不同的，因此它们的特征频率也会有差异。掌握各种官能团与红外吸收频率的关系以及影响吸收峰在谱图中的位置的因素是光谱解析的基础。可将整个红外光谱大致分为两个区：官能团区（特征谱带区）（4000～1300cm-1）、指纹区（1300～400cm-1）。官能团区的吸收光谱：主要反映分子中特征基团的振

6、动，基团的鉴定工作主要在该区进行。在此波长范围的振动吸收数较少，多数是X—H键（X为N、O、C等）、有机化合物中C==O、C==C、C≡C、C==N等重要官能团在这范围内有振动。在无机化合物中，除H2O分子及OH—键外，CO2、CO32-、N—H等少数键在此范围内有振动吸收。指纹区的吸收光谱：很复杂，特别能反映分子结构的细微变化，每一种化合物在该区的谱带位置、强度和形状都不一样，相当于人的指纹，用于认证化合物是很可靠的。无机化合物的基团振动大多在这一波长范围内。二、红外吸收光谱分析（一）红外光谱图谱图的横坐标一般标有两种量纲，即波长（μm）（图上方）和波数（

7、cm-1）（图下方），纵坐标则常用透过率T%（=I/I0）表示（有时也用吸光度A=lg1/T表示）。在红外光谱图中的吸收均称为谱带。1．红外光谱图与表示方法图聚苯乙烯红外光谱注意以下几方面的特征：1）谱带的数目首先要分析它所含有的谱带数目，如上图中聚苯乙烯在3000cm-1附近有七个吸收带。2）吸收带的位置由于每个基团的振动都有特征振动频率，在红外光谱中表现出特定的吸收谱带位置。在鉴定化合物时，谱带位置常是最重要的参数。如OH—基的吸收波数在3650～3700cm-1，而水分子的吸收在较低的波数3450cm-1左右。2．红外光谱图的特征3）谱带的形状如果所分

8、析的化合物较纯，它们的谱带比较尖锐，对称性好。若是混