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1、傅里叶变换红外光谱仪 红外吸收光谱基本原理红外吸收光谱基本原理 1.11.11.11.1双原子分子的振动与频率双原子分子的振动与频率双原子分子的振动与频率双原子分子的振动与频率 按照胡克定律得出双原子谐振子的振动频率：按照胡克定律得出双原子谐振子的振动频率：按照胡克定律得出双原子谐振子的振动频率：按照胡克定律得出双原子谐振子的振动频率：式中：式中：式中：式中：K K K K为键力常数，为键力常数，为键力常数，为键力常数，/为原子的折合质量。为原子的折合质量。为原子的折合质量。为原子的折合质量。 分子振动能公式：分子振动能公式：分子振动能公式：分子振动能公式：若用波数（cm-1）表示吸收光的频率
2、： 上式中为折合的原子量。相邻振动能级之间的能量差为：振动跃迁吸收频率：n n1.21.2多原子分子的振动多原子分子的振动n n1 1、分子振动的类型、分子振动的类型n n伸缩振动：只发生化学键键长变化的振动称为伸缩振动。伸缩振动：只发生化学键键长变化的振动称为伸缩振动。n n变形振动：只发生化学键键角变化的振动称为变形振动。变形振动：只发生化学键键角变化的振动称为变形振动。n n多原子分子在结构上都是由同一个中心原子与多个原子相多原子分子在结构上都是由同一个中心原子与多个原子相连的。连的。 n n从宏观的角度考虑中心原子与其相连的多个原子整体的振从宏观的角度考虑中心原子与其相连的多个原子整体
3、的振动状态。动状态。n n考虑原则：把与中心原子相连的相同的原子放在一起（基考虑原则：把与中心原子相连的相同的原子放在一起（基团）讨论，不相同的原子则分开讨论。团）讨论，不相同的原子则分开讨论。 图2.1 分子基团振动的方式n n分子对称性分子对称性n n 振动以结构中心为对称，其偶极矩变化为振动以结构中心为对称，其偶极矩变化为0 0，不产，不产生红外吸收。分子对称性差的振动偶极矩变化较大，吸生红外吸收。分子对称性差的振动偶极矩变化较大，吸收强度较强。收强度较强。n n氢键影响氢键影响n n 分子形成氢键，使分子形成氢键，使O-HO-H吸收峰变宽、变强。吸收峰变宽、变强。n n与极性基团共轭与
4、极性基团共轭n n 与极性基团共轭，则吸收强度增强。如与极性基团共轭，则吸收强度增强。如C=CC=C与与C=OC=O共轭，其吸收强度增强。共轭，其吸收强度增强。n n发生费米共振发生费米共振n n 组合频：是指基频与倍频的和或差。即组合频：是指基频与倍频的和或差。即1+21+2，1-1-22，21+221+2等。等。n n分子对称性分子对称性n n 振动以结构中心为对称，其偶极矩变化为振动以结构中心为对称，其偶极矩变化为0 0，不产，不产生红外吸收。分子对称性差的振动偶极矩变化较大，吸生红外吸收。分子对称性差的振动偶极矩变化较大，吸收强度较强。收强度较强。n n氢键影响氢键影响n n 分子形成
5、氢键，使分子形成氢键，使O-HO-H吸收峰变宽、变强。吸收峰变宽、变强。n n与极性基团共轭与极性基团共轭n n 与极性基团共轭，则吸收强度增强。如与极性基团共轭，则吸收强度增强。如C=CC=C与与C=OC=O共轭，其吸收强度增强。共轭，其吸收强度增强。n n发生费米共振发生费米共振n n 组合频：是指基频与倍频的和或差。即组合频：是指基频与倍频的和或差。即1+21+2，1-1-22，21+221+2等。等。n n内容小结内容小结n n 化学键的振动频率由化学键的力常数和原子化学键的振动频率由化学键的力常数和原子的折合质量所决定。多原子分子振动的基本类型的折合质量所决定。多原子分子振动的基本类
6、型有伸缩振动和变形振动。伸缩振动有对称伸缩振有伸缩振动和变形振动。伸缩振动有对称伸缩振动、反对称伸缩振动两种；变形振动有面内摇摆动、反对称伸缩振动两种；变形振动有面内摇摆振动、剪式振动、面外摇摆振动和扭曲振动。红振动、剪式振动、面外摇摆振动和扭曲振动。红外吸收频率取决于振动能级差，也是由化学键的外吸收频率取决于振动能级差，也是由化学键的振动频率所决定，而吸收强度则主要取决于偶极振动频率所决定，而吸收强度则主要取决于偶极矩的变化。只有偶极矩发生变化的振动才能产生矩的变化。只有偶极矩发生变化的振动才能产生红外吸收。偶极矩变化大小与原子的电负性、振红外吸收。偶极矩变化大小与原子的电负性、振动方式、分
7、子的对称性等有关。甲基、亚甲基伸动方式、分子的对称性等有关。甲基、亚甲基伸缩振动位于缩振动位于28002950cm28002950cm-1-1，面内变形振动的频率在，面内变形振动的频率在1420cm1420cm-1-11465cm1465cm-1-1、1310cm1310cm-1-11380cm1380cm-1-1处，处，它们具有它们具有特征性。特征性。傅立叶变换红外光谱仪工作原理示意图傅立叶变换红外光谱仪工作原理示意图 n n(1)(1)制样方法与手段齐全：包括制样方法与手段齐全：包括KBrKBr压片法、石蜡糊、薄膜压片法、石蜡糊、薄膜法及各种各样的气体池和液体池。用于薄膜法的晶片有氯法及各
8、种各样的气体池和液体池。用于薄膜法的晶片有氯化钠晶片化钠晶片(5000-625 cm-1)(5000-625 cm-1)、溴化钾晶片、溴化钾晶片(5000400 cm-(5000400 cm-1)1)、氟化钙晶片、氟化钙晶片(5000-1110 cm-1)(5000-1110 cm-1)以及硒化锌晶片以及硒化锌晶片(5000-(5000-500 cm-1)500 cm-1)。傅里叶变换红外光谱仪功能傅里叶变换红外光谱仪功能 n n(2)(2)配备了衰减全反射光谱配备了衰减全反射光谱Attenuated Total Reflection Attenuated Total Reflection S
9、pectraSpectra简称简称ATR)ATR)又叫内反射光谱又叫内反射光谱(Internal Reflection (Internal Reflection Spectra)Spectra)。ATRATR技术在红外研究中特别是在界面固体薄膜技术在红外研究中特别是在界面固体薄膜领域的领域的IRIR研究中得到了广泛运用。研究中得到了广泛运用。ATRATR研究的体系涉及有研究的体系涉及有机组装膜、金属表面吸附层及液体等。机组装膜、金属表面吸附层及液体等。n n(3)(3)配备了配备了6 6微米微米MylarMylar膜膜(50050cm-1)(50050cm-1)远红外分束远红外分束器：波数范围
10、器：波数范围50050cm-150050cm-1。远红外光谱是研究无。远红外光谱是研究无机化合物，金属有机化合物，尤其是研究金属配机化合物，金属有机化合物，尤其是研究金属配位化合物性质的一种非常重要的手段。在无机化位化合物性质的一种非常重要的手段。在无机化合物中，许多金属的氧化物、硫化物、卤化物、合物中，许多金属的氧化物、硫化物、卤化物、非金属的卤化物在远红外区都有伸缩振动和弯曲非金属的卤化物在远红外区都有伸缩振动和弯曲振动吸收。在远红外区可能会观察到环的面外弯振动吸收。在远红外区可能会观察到环的面外弯曲或折叠曲或折叠( (变形变形) )振动吸收。远红外区会观察到氢振动吸收。远红外区会观察到氢
11、键振动吸收谱带。品格振动吸收只有在晶体的远键振动吸收谱带。品格振动吸收只有在晶体的远红外光谱中才会出现，对于非结晶态固体不存在红外光谱中才会出现，对于非结晶态固体不存在品格振动吸收。气体分子的全部或部分纯转动光品格振动吸收。气体分子的全部或部分纯转动光谱都位于远红外区。谱都位于远红外区。n n(4)(4)气相色谱气相色谱- -红外光谱联用：红外光谱联用：wb050MCTwb050MCT检测器检测器(10000450cm-1)(10000450cm-1)。光管传输线温度。光管传输线温度5035050350度。度。红外光谱法原则上只能用于纯化合物，对于混合红外光谱法原则上只能用于纯化合物，对于混合
12、物的定性分析常常是无能为力的。色谱法长于分物的定性分析常常是无能为力的。色谱法长于分离混合物的优点正是红外光谱法的弱点，红外光离混合物的优点正是红外光谱法的弱点，红外光谱法长于定性和结构分析的优点又正是色谱法的谱法长于定性和结构分析的优点又正是色谱法的弱点，联合这两种方法，把色谱仪作为红外光谱弱点，联合这两种方法，把色谱仪作为红外光谱仪的前置分离工具，或者说，把红外光谱仪作为仪的前置分离工具，或者说，把红外光谱仪作为色谱仪的检测器，就组成了一种理想的分析工具。色谱仪的检测器，就组成了一种理想的分析工具。 n n(5)(5)热重热重- -红外光谱联用：只要在红外光谱联用：只要在TGATGA分析中
13、被分析物所释分析中被分析物所释放的挥发组分有红外吸收，而且能被载气带入红外光谱仪放的挥发组分有红外吸收，而且能被载气带入红外光谱仪的气体池中，就能用红外光谱法对气样进行定性分析。的气体池中，就能用红外光谱法对气样进行定性分析。n n(6)(6)配备了高温高压原位池。配备了高温高压原位池。n n(7)(7)大型大型SadtlerSadtler标准谱库标准谱库( (商品名商品名HaveItAllHaveItAll) )：该谱库是迄：该谱库是迄今为止最全面最权威的纯化合物的红外标准谱库。对红外今为止最全面最权威的纯化合物的红外标准谱库。对红外光谱数据库进行联机检索和利用软件进行计算机辅助谱图光谱数据库进行联机检索和利用软件进行计算机辅助谱图解析，解决研究与生产工作中遇到的结构分析难题已经成解析，解决研究与生产工作中遇到的结构分析难题已经成为化学工作者的常规性操作。为化学工作者的常规性操作。
