Chapter 10 Infrared absorption spectroscopy (IR)
Chapter 10 Infrared absorption spectroscopy (IR)
IR Absorption IR radiation is of too low an energy to excite electronic transitions. Absorption is limited to vibrational and rotational levels. For liquids and solids, molecular rotation is often limited so the major type of interaction is vibrational
IR Absorption IR radiation is of too low an energy to excite electronic transitions. Absorption is limited to vibrational and rotational levels. For liquids and solids, molecular rotation is often limited so the major type of interaction is vibrational
一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~ 1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红 外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ），中红外 光区（2.5 ~ 25µm ），远红外光区（25 ~ 1000µm ）。 远红外区（0.75 ~ 2.5µm ） 近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子 团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收(overtone band)等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属 离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含 氢原子团化合物的定量分析。 §10.1 Preface
一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~ 1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红 外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ），中红外 光区（2.5 ~ 25µm ），远红外光区（25 ~ 1000µm ）。 远红外区（0.75 ~ 2.5µm ） 近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子 团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收(overtone band)等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属 离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含 氢原子团化合物的定量分析。 §10.1 Preface
中红外光区（2.5 ~ 25µm ） 绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收 (fundamental frequency band)带出现在该光区。由于基 频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于 进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光 谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数 据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红 外光谱法又简称为红外光谱法
中红外光区（2.5 ~ 25µm ） 绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收 (fundamental frequency band)带出现在该光区。由于基 频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于 进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光 谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数 据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红 外光谱法又简称为红外光谱法
远红外光区（25 ~ 1000µm ） 该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、 振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些 变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对 异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合 物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该 光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带， 一般不在此范围内进行分析
远红外光区（25 ~ 1000µm ） 该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、 振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些 变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对 异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合 物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该 光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带， 一般不在此范围内进行分析
红外吸收光谱一般用T~曲线或T~ 波数曲线表示。 纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上则 为谷；横坐标是波长（单位为µm ），或波数（单 位为cm-1）
红外吸收光谱一般用T~曲线或T~ 波数曲线表示。 纵坐标为百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上则 为谷；横坐标是波长（单位为µm ），或波数（单 位为cm-1）
二、红外光谱法的特点 紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是 具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动 中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉 曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、 O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有 吸收。 cm m nm cm / 10 / 10 / 1 / 4 7 1 = = = − 波长与波数之间的关系为： 中红外区的波数范围是4000 ~ 400 cm-1 。σ depends only on k and μ and independent of the energy added to system
二、红外光谱法的特点 紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是 具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动 中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉 曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、 O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有 吸收。 cm m nm cm / 10 / 10 / 1 / 4 7 1 = = = − 波长与波数之间的关系为： 中红外区的波数范围是4000 ~ 400 cm-1 。σ depends only on k and μ and independent of the energy added to system
通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子 结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化 学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含 量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分 析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量 少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不 仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且 该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一
通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子 结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化 学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含 量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分 析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量 少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不 仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且 该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一
1.The conditions of IR absorption (1) The energy of radiation photon equals to vibrational transition energy(辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所 需的跃迁能量相等) 红外吸收光谱是分子振动能级跃迁产生的。因为分 子振动能级差为0.05~1.0eV，比转动能级差（0.0001 0.05eV）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避免 地伴随转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱，而 是振动－转动光谱。 §10.2 Principle of Infrared Spectroscopy
1.The conditions of IR absorption (1) The energy of radiation photon equals to vibrational transition energy(辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所 需的跃迁能量相等) 红外吸收光谱是分子振动能级跃迁产生的。因为分 子振动能级差为0.05~1.0eV，比转动能级差（0.0001 0.05eV）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避免 地伴随转动能级的跃迁，因而无法测得纯振动光谱，而 是振动－转动光谱。 §10.2 Principle of Infrared Spectroscopy
(2) Coupling interaction between radiation and the substances(辐射与物质之间有耦合作用) 为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩 的变化。红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的 机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变 的电磁场（红外线）相互作用 发生的。只有发生 偶极矩变化（△≠0）的振动才能引起可观测的红 外吸收光谱，该分子称之为红外活性的；
(2) Coupling interaction between radiation and the substances(辐射与物质之间有耦合作用) 为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩 的变化。红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的 机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变 的电磁场（红外线）相互作用 发生的。只有发生 偶极矩变化（△≠0）的振动才能引起可观测的红 外吸收光谱，该分子称之为红外活性的；