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红外光谱分析原理详解

2020-05-08 16:31:59 领先检测 阅读

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作者:任工18682224565


1 红外光的定义

红外光是英国科学家赫歇尔1800年在实验室中发现的。它是波长比红光长的电磁波,具有明显的热效应,使人能感觉到而看不见。科学家发现,一定波长的光(可见光或不可见光)照射到某些金属等材料表面时,金属等材料会发射电子流,称为光电效应。

红外光,又叫红外线,是波长比可见光要长的电磁波(光),波长为770纳米到1毫米之间,习惯上,往往把红外区分为三个区域,近红外区(波长780nm~2500nm),中红外区(波长2500nm~25000nm),远红外区(波长25μm~1000μm)。一般说来,近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的;中红外光谱属于分子的基频振动光谱;远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。

由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区,因此中红外区是研究和应用最多的区域,积累的资料也最多,仪器技术最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。

  

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2 红外光谱的产生

2.1 红外光谱的定义

光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成,结构或者相对含量的方法。按照分析原理,光谱技术主要分为吸收光谱,发射光谱和散射光谱三种;

按照被测位置的形态来分类,光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。红外光谱属于分子光谱,有红外发射和红外吸收光谱两种,常用的一般为红外吸收光谱。

当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。

所以,红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。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。

当外界电磁波照射分子时,如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等,该频率的电磁波就被该分子吸收,从而引起分子对应能级的跃迁,宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一,这决定了吸收峰出现的位置。

红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用,为了满足这个条件,分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子,这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。

红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于 20 世纪初期,自 1940 年商品红外光谱仪问世以来,红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。现在一些新技术 (如发射光谱、光声光谱、色谱—红外联用等) 的出现,使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。

2.2 分子振动类型

伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动,振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式,例如,伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动,分别用 Vs 和Vas 表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动(δ)和面外弯曲振动(γ)。

2.3 红外光谱表示方法

红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标,表示吸收峰的位置,用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标,表示吸收强度。

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3 红外光谱的信息

l  峰位:吸收峰的位置(吸收频率)

分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光谱的一定范围,如:C=O的伸缩振动一般在1700cm-1范围左右。

l  峰强:吸收峰的强度

峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化,偶极矩的变化越小,谱带强度越弱。

l  峰形:吸收峰的形状(尖峰、宽峰、肩峰)

不同基团可能在同一频率范围内都有红外吸收,如-OH、-NH的伸缩振动峰都在3400~3200 cm-1,但二者峰型状有显著不同,峰型的不同有助于官能团的鉴别。


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