仪器分析第04章红外分光光度法.ppt
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1、第四章 红外吸收光谱法Infrared Absorption Spectrometry,IR,红 外 分 光 光 度 计,红外吸收光谱法基本原理,概 述,应 用 简 介,试 样 制 备,红外光谱:分子振动转动光谱,属分子吸收光谱。红外光照射分子时,分子吸收其中一些频率的辐射,引起分子振动或转动偶极矩的净变化,使振-转能级从基态跃迁到激发态。,第一节 概述,IR发展历史,1800发现红外辐射;1900-1910逐渐重视;1940-1950二战期间,橡胶的需求,对有机物结构的研究推动IR发展;目前称UV、IR、NMR和MS为有机分析的四大谱。,一、红外光谱分区,表4.1 红外光谱区划分,红外光谱区
2、:0.781000 m的电磁辐射区,二、红外光谱的表示方法,当一束具有连续波长的红外光通过物质时,其中某些波长的光就要被物质吸收。物质分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时,二者发生共振,分子吸收能量,由原来的基态振动能级跃迁到能量较高的振动能级,将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来,就得到红外光谱图(IR)。IR光谱用T-曲线或T-曲线表示。纵坐标为百分透射比T%,吸收峰向下,向上则为谷。横坐标为波长(单位m)或波数(单位cm-1)。两者的关系是:中红外区的范围为4000-400cm-1。,图4.1 苯酚的IR吸收光谱,图4.2乌桕油的IR光谱,图4.3 聚苯乙烯红外光谱图,三、红外光
3、谱与紫外光谱的区别,光谱产生的机制:紫外主要是电子能级跃迁,红外主要是振动能级跃迁。研究对象不同紫外:具有共轭体系的不饱和化合物,红外:除了单原子分子和同核双原子分子外几乎所有有偶极距变化的有机物。使用范围不同:紫外可以进行定性和定量分析,分析的是液体,红外最重要的用途是有机化合物的结构分析,是一种非破坏性的分析,分析的试样可以是液体、固体、气体。,四、红外光谱特点红外吸收只有振-转跃迁,能量低;应用范围广,除单原子分子及单核分子外,几乎所 有的有机物均有红外吸收;分子结构更为精细的表征:通过波谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团和分子结构;符合朗伯-比尔定律,可以进行定量分析;固、液、气
4、态试样均可用,且用量少,不破坏样品;分析速度快。与色谱等联用(GC-FTIR)具有强大的定性功能。,第二节 红外吸收基本理论,一、分子的振动,(一)谐振子 分子的两个原子以其平衡点为中心,以很小的振幅(与核间距相比)作周期性“简谐”振动,其振动可用经典刚性振动描述:,k为化学键的力常数(N.cm-1),为双原子折合质量:,简谐振动方程式,影响波数或频率的因素:化学键力常数:k大,化学键的振动波数高,如:C-C:k=5 N.cm-1,=1190 cm-1;C=C:k=10 N.cm-1,=1683 cm-1;CC:k=5 N.cm-1,=2062 cm-1;原子质量:质量m大,化学键的振动波数低
5、,如:C-C:=1190 cm-1;C-H:=2920 cm-1,量子力学处理谐振子,求得分子的振动能Ev与谐振子振动频率的关系为:,式中=0,1,2,3,称振动量子数。,(二)非谐振子 实际上双原子分子并非理想的谐振子,aa是谐振子位能曲线,bb是真实双原子分子振动位能曲线。当较小时,真实分子的振动与谐振子相似,可用谐振子的规律近似描述;但高频率时,则偏离较远。,图4.3 双原子分子振动位能比较,0,1,2,3,=0跃迁到=1产生的吸收带叫基频峰 2885.9cm1 最强,=0跃迁到=2产生的吸收带二倍频峰 5668.0 cm-1较弱,=0跃迁到=3产生的吸收带三倍频峰 8346.9 cm-
6、1很弱,=0跃迁到=4产生的吸收带四倍频峰 10923.1 cm1 极弱=0跃迁到=5产生的吸收带五倍频峰 13396.5 cm1 极弱,主要限于那些正、负电荷中心不重叠的、不对称的极性分子,如HCl,CO等。,HCl的基本谱带,(三)分子振动的形式振动的基本类型1.伸缩振动:伸缩振动是指原子沿着价键方向来回运动,即振动时键长发生变化,键角不变。它又分为对称伸缩振动(s)不对称伸缩振动(as)。,2.变形振动:又称变角振动,它是指基团键角发生变化而键长不变的振动。变形振动又分为面内变形和面外变形振动两种。面内变形振动又分为剪式振动(以s表示)和平面摇摆振动(以表示)。面外变形振动又分为非平面摇
7、摆(以表示)和扭曲振动(以表示)。亚甲基的各种振动形式如图所示:,面内剪式振动,平面摇摆振动,面外纽曲振动,面外摇摆振动,+,+,+,-,面内,面外,水分子和CO2的简正振动形式,(四)振动自由度,振动自由度:独立运动数目。三维空间中,每个原子都能沿x、y、z三个坐标方向独立运动,由n个原子组成的分子有3n个自由度。3n=平动自由度+转动自由度+振动自由度。,x,y,z,(a),(b),(c),图4.8分子的平动形式,转动自由度是由原子围绕着一个通过其质心的轴转动引起的。只有原子在空间的位置发生改变的转动才能形成一个自由度。振动自由度=3N(转动自由度+平动自由度),y,z,x,图4.9线性分
8、子转动形式,图4.10 非线性分子(如H2O)的转动,H,H,y,H,H,z,理论振动数(峰数)设分子的原子数为n1.非线形分子,理论振动数=3n-6 如H2O分子,其振动数为33-6=3,图4.11 水分子的简正振动形式,2.线形分子,理论振动数=3n-5 如CO2分子,其理论振动数为33-5=4,图4.12 CO2分子的简正振动形式,+-+,从图中可知,非线性分子绕x、y和z轴转动,均改变了原子的位置,都能形成转动自由度。因此,非线性分子的振动自由度为3n-6。理论上一个振动自由度,在红外光谱上相应产生一个基频吸收带。例如,三个原子的非线性分子H2O有3个振动自由度,红外光谱图中对应出现三
9、个吸收峰,分别为:3650cm1,1595c m1,3750 cm1。同样,苯在红外光谱上应出现3 12-6=30个峰。,二 红外吸收产生的条件和谱带强度,分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件:条件一:辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。根据量子力学原理,分子振动能量Ev 是量子化的,即:EV=(v+1/2)h为分子振动频率,v为振动量子数,其值取 0,1,2,分子中不同振动能级差为 EV=h,(一)分子吸收红外辐射的条件,条件二:辐射与物质之间必须有耦合作用,磁场,电场,交变磁场,分子固有振动a,偶极矩变化(能级跃迁),耦合,不耦合,红外吸收,无偶极矩变化,无红外吸收,实际观察到的红
10、外吸收峰数目小于理论上计算的振动数,这是由如下原因引起的:(1)没有偶极矩变化的振动,不产生红外吸收;(2)相同频率的振动吸收重叠,即简并;(3)仪器不能区别那些频率十分接近的振动或因吸 收带很弱仪器检测不出;(4)有些吸收带落在仪器检测范围之外。,(二)吸收谱带的强度(1)偶极矩变化 取决于分子振动时偶极距的变化,即与分子结构的对称性有关。极性强的基团(如C=O,C-X等)振动,吸收强度较大。分子对称度高,振动偶极矩小,产生的谱带就弱;反之则强。如C=C,C-C因对称度高,其振动峰强度小;而C=X,C-X,因对称性低,其振动峰强度就大。峰强度可用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)、很
11、弱(vw)等来表示。(2)振动简并(3)检测灵敏度(4)检测的波长范围,三、基团振动与红外光谱区,通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率,其所在位置一般又称为特征吸收峰。,(一)基频区(官能团区:40001350 cm-1),由伸缩振动产生的吸收带。由于基团的特征吸收峰一般位于此高频范围,并且在该区域内,吸收峰比较稀疏,因此,它是基团鉴定工作最有价值的区域,称为官能团区。,官能团区又可分为三个波段 l.XH伸缩振动区(40002500 cm-1):X为C、O、N、S等原子,这个区域的吸收峰说明有含氢原子的官能团存在。OH:37003200 cm-1;COOH:360025
12、00 cm-1;NH:35003300 cm-1;CH:3300 cm-1;=CH:3000 cm-1;CH:3000 cm-1。,2.三键和累积双键区(25001900 cm-1)CC、CN、C=C=C等的不对称伸缩振动。SH、SiH、PH、BH的伸缩振动。,3.双键伸缩振动区(19001200 cm-1)CO(酰卤、酸、酯、醛、酮、酰胺等):18501600 cm-1,强峰。CC、CN、N=O的伸缩振动:16801500 cm-1。分子比较对称时,C=C的吸收峰很弱。,表4.2 X-H伸缩振动区:40002500cm-1,表4.3 三键及累积双键区(25001900cm-1),表4.4 双
13、键伸缩振动区(19001200cm-1),图4.14 苯衍生物的红外光谱图,1.1350900 cm-1:包括CO、CN、CF、CP、CS、PO、SiO等键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。2.900650 cm-1:这一区域的吸收峰是很有用的。例如,当 n 4时,CH2的平面摇摆振动吸收出现在 722 cm-1,随着n的减小,逐渐移向高波数。此区域内的吸收峰,还可以为鉴别烯烃的取代程度和构型提供信息。,(二)指纹区(1350650cm-1),包括:单键的伸缩振动及因变形振动产生的复杂光谱。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异。这种情况就象每个人都有不同的指纹一
14、样,因而称为指纹区。指纹区可分为两个波段:,在红外分析中,通常一个基团有多个振动形式,同时产生多个谱峰(基团特征峰及指纹峰),各类峰之间相互依存、相互佐证。通过一系列的峰才能准确确定一个基团的存在。,表4.5,红外光谱图的六个区域,40002500 cm-1 X-H伸缩振动区25001900 cm-1 三键伸缩振动区19001500 cm-1 双键伸缩振动区15001300 cm-1 C-H弯曲振动区1300910 cm-1 单键伸缩振动区910 cm-1以下 苯环取代,X-H伸缩振动(X=O、N、C),OH伸缩:3200-3650cm-1NH伸缩:3300-3500cm-1CH伸缩:3000
15、cm-1饱和C的CH:3000cm-1,表4.6 C-X基团吸收峰的波长,表4.7单键,双键,三键的吸收峰的波长,图4.15 OH伸缩振动峰,游离 OH,缔合 OH,3600(中),3300(强,宽),图4.16 NH伸缩振动,NH2,NH,3200(中),3400(中),3300(中),图4.17 CH伸缩振动(不饱和C),烯,苯,3080(中),3030(弱),图4.18 三键伸缩振动,炔,CC,CN,OCO(反对称体),2140(中),2240(中),2350(中),图4.19双键伸缩振动,羰基,芳环,C=C 双键,1740(强),1600(中),1500(中),1640(强),图4.2
16、0 C-H弯曲振动,CH3,CH2,1460,1380(中),1460(中),取代苯C-H弯曲,单取代:770-730,710-6901,2取代:7701,3取代:810-750,710-6901,4取代:830-8101,3,5取代:910-8401,2,4取代:810,850-900,四、影响基团频率位移的因素 基频峰的位置主要由化学键两端原子的质量、化学键力常数、内部因素(结构因素)和外部因素决定。,(一)内部因素(1)诱导效应,C=01715cm-11731cm-11807cm 11920cm 11928cm 1,(2)共轭效应:共轭效应使共轭体系具有共面性,且使其电子云密度平均化,造
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