实验三十四红外吸收光谱 目的和要求 1.通过红外吸收光谱实验,了解红外光谱的基本原理,初步掌握红外定性分析法。 2.了解红外分光光度计的工作原理,掌握红外吸收光谱的测量技术。 基本原理 当一束连续变化的各种波长的红外光照射样品时,其中一部分被吸收,吸收的这部分 光能就转变为分子的振动能量和转动能量;另一部分光透过,若将其透过的光用单色器 进行色散,就可以得到一带暗条的谱带。若以波长或波数为横坐标,以百分吸收率为纵 坐标,把这谱带记录下来,就得到了该样品的红外吸收光谱图。 根据量子力学的观点,分子的每一个运动状态都属于一定的能级,处于某特定的运 动状态的分子之能量E可以近似地分三部分:分子中的电子运动能E电,组成分子 的振动能E振和分子的整体转动能E转,于是 E=E电()+E振()+E转(J 式中n,v,J分别为电子量子数,振动量子数和转动量子数。如果这些分子在光照射下发 生能级迁跃,就会产生分子对光的吸收或发射。分子由低能级E'跃迁到高能级E"时 吸收光的频率(以波数表示) E -E ch 式中C为光速,h为普朗克常数。由于 (Et-Et)>(E振-E振)>(E转一E转) 电子能级跃迁引起的电子光谱,出现在紫外和可见区,称之为紫外和可见光谱。振 动能级跃迁引起的振动光谱区出现在红外光谱区,称之为红外光谱。纯转动能级的跃迁 引起的转动光谱,出现在极远红外及微波区。实际上,电子能级的跃迁,常常伴随振动, 转动能级的跃迁,得到所谓电子一振动一转动光谱。同样振动能级的跃迁伴随转动能级 的跃迁,这时得到振动一转动光谱 我们知道,谐振子模型是双原子的极好模型,在解薛定谔方程后可得双原子分子的振 动能级为 E振()=(v+)hcv 式中ν为分子的振动频率(以波数表示)。在室温下一般分子处在势能较低的v=0 振动状态,因此我们只须考虑从v=0跃迁到v所吸收的红外频率vo→>V,于是有
实验三十四 红外吸收光谱 一． 目的和要求 1. 通过红外吸收光谱实验 ，了解红外光谱的基本原理，初步掌握红外定性分析法。 2. 了解红外分光光度计的工作原理，掌握红外吸收光谱的测量技术。 二 . 基本原理 当一束连续变化的各种波长的红外光照射样品时，其中一部分被吸收，吸收的这部分 光能就转变为分子的振动能量和转动能量；另一部分光透过，若将其透过的光用单色器 进行色散，就可以得到一带暗条的谱带。若以波长或波数为横坐标，以百分吸收率为纵 坐标，把这谱带记录下来，就得到了该样品的红外吸收光谱图。 根据量子力学的观点，分子的每一个运动状态都属于一定的能级，处于某特定的运 动状态的分子之能量 E 可以近似地分三部分：分子中的电子运动能 E电 ，组成分子 的振动能 E振 和分子的整体转动能 E转 ，于是 E = E电(n)+ E振（v）+ E转（J） 式中 n，v, J 分别为电子量子数，振动量子数和转动量子数。如果这些分子在光照射下发 生能级迁跃，就会产生分子对光的吸收或发射。分子由低能级 E 跃迁到高能级 E 时， 吸收光的频率（以波数表示） (E电 E电 ) (E振 E振 ) (E转 E转 ) ch ch E E v = − + − + − − = 1 式中 c 为光速， h 为普朗克常数。由于 (E电 − E电 ) (E振 − E振 ) (E转 − E转 ) 电子能级跃迁引起的电子光谱，出现在紫外和可见区，称之为紫外和可见光谱。振 动能级跃迁引起的振动光谱区出现在红外光谱区，称之为红外光谱。纯转动能级的跃迁 引起的转动光谱，出现在极远红外及微波区。实际上，电子能级的跃迁，常常伴随振动， 转动能级的跃迁，得到所谓电子—振动—转动光谱。同样振动能级的跃迁伴随转动能级 的跃迁，这时得到振动—转动光谱。 我们知道，谐振子模型是双原子的极好模型，在解薛定谔方程后可得双原子分子的振 动能级为 E )hcv 2 1 振 ( ) = ( + 式中 为分子的振动频率（以波数表示）。在室温下一般分子处在势能较低的 = 0 振动状态，因此我们只须考虑从 = 0 跃迁到 所吸收的红外频率 0 → ，于是有
E"(v)-E(0) (v+=chv--chv 从量子力学的观点来看,在一般地考虑红外光谱的强度I11”时,我们必须考虑不 同能级v,之间跃迁偶极矩M的变化,它们之间有关系 1=∫v(q)Mw…(q)t 由此可以证明: (1)只有偶极矩会随q而变化的那些振动才会在红外光谱中出现。例如极性双原子 分子HBr会得到红外光谱,而偶极矩为零的H2,O2,Cl2等非极性分子则不会产生 红外光谱 (2)在谐振子模型近似下,红外吸收只允许发生在振动量子数改变为△v=±1的状 态间。实际上由于振动的非谐性等原因,使得△v=±2±3等几率较小的跃迁也成 为可能。这也定性的说明了ψo→1(称为基频)强度很大,voy2(称为第一倍频) 较弱, v3(称为第二频)则更弱的事实。在多原子分子中还会出 现合频吸收带(即v=v+v2) 对于多原子分子,分子振动复杂的。但是这些复杂的。但是这些复杂振动3N 个简正振动,线性分子为3N-5个)(N为分子中的原子数)。这些简正振动是 作为分子整体的振动,但是每种振动只是分子中某个功能基或化学键在不同化合物 中的振动频率在一定的范围内,这样的振动频率叫该功能基的特征振动频率,通常 把这种能代表某个基团存在并有较高强度的吸收峰称为特征吸收峰,一个功能基可 以出现不止一个吸收带,总的可分为伸缩振动和变形振动两大类,伸缩振动主要改 变键长,分为对称性收缩振动和不对称性收缩振动。变形振动引起的键角的变化, 分为对沉面内及面外变形振动等形式(见图2,图3)。如果功能 由谐振子模型,某化学键的特征吸收带,主要取决于成键原子的质量和键力 常数 2nc Vu 式中k为键力常数,为折合质量,即1=1+
v ch chv chv ch E E = + − = − → = 2 1 ) 2 1 ( ( ) (0) 0 从量子力学的观点来看，在一般地考虑红外光谱的强度 I 时，我们必须考虑不 同能级 之间跃迁偶极矩 M 的变化，它们之间有关系 I (q)M (q)dt = 由此可以证明： （1）只有偶极矩会随 q 而变化的那些振动才会在红外光谱中出现。例如极性双原子 分子 HBr 会得到红外光谱，而偶极矩为零的 H2 , O2 ,Cl2 等非极性分子则不会产生 红外光谱。 （2）在谐振子模型近似下，红外吸收只允许发生在振动量子数改变为 = 1 的状 态间。实际上由于振动的非谐性等原因，使得 = 2,3 等几率较小的跃迁也成 为可能。这也定性的说明了 0→1 （称为基频）强度很大， 0→2 （称为第一倍频） 较弱， 0→3 （称为第二频）则更弱的事实。在多原子分子中还会出 现合频吸收带（即 =1 + 2 ）。 对于多原子分子，分子振动复杂的。但是这些复杂的。但是这些复杂振动 3N —6 个简正振动，线性分子为 3N—5 个）（N 为分子中的原子数）。这些简正振动是 作为分子整体的振动，但是每种振动只是分子中某个功能基或化学键在不同化合物 中的振动频率在一定的范围内，这样的振动频率叫该功能基的特征振动频率，通常 把这种能代表某个基团存在并有较高强度的吸收峰称为特征吸收峰，一个功能基可 以出现不止一个吸收带，总的可分为伸缩振动和变形振动两大类，伸缩振动主要改 变键长,分为对称性收缩振动和不对称性收缩振动。变形振动引起的键角的变化， 分为对沉面内及面外变形振动等形式（见图 2，图 3）。如果功能 由谐振子模型，某化学键的特征吸收带，主要取决于成键原子的质量和键力 常数： k c v 2 1 = 式中 k 为键力常数， 为折合质量，即 1 2 1 1 1 m m = +
m和m2分别为两个成键原子的质量,根据各种化学键的k与H值的大小,红外光谱 可划分为如下几个区域: 37002500cm为含H化学键的伸缩振动区域。由于H原子质量最小,这种键具 有高的振动频率。OH,MH,CH等伸缩振动吸收代均出现在此区域,25002000cm-为终 态和乘积双键的伸缩振动区域。由于这种键具有最高的权值,所以其震振动频率也较 大。C≡C,C≡N,-N=C=O等伸缩振动吸收带出现在此区域。 2000^1600cm1为双键的伸缩振动区域,C=C,C=O,苯环等伸缩振动出现在此 16006500cm为单键区,在此区域所有的化合物均有互异的谱,犹如人的指纹, 可以用来鉴定各种化合物,因此又称为指纹区。重原子(除H外其它原子)之间单键 的伸缩振动,由于k小4大具有较低的振动频率,如C-C,C-0,C-N等伸缩 振动熙绶带均出现在此区域。另外,由于变形振动的k远远小于伸缩振动的k值,所 以含氢化学键或功能基的变形振动吸收出现在该区域。我们常借助有关特征吸收谱带 的知识,对化合物的红外光谱进行功能基的定性,以确定有关化合物的类别,再与已 知结构的化合物的光谱进行比较,肯定或鉴定所提出可能结构的化合物。本实验要对 几种树脂薄膜样品进行定性分析
m1 和 m2 分别为两个成键原子的质量，根据各种化学键的 k 与 值的大小，红外光谱 可划分为如下几个区域： 3700~2500cm –1 为含 H 化学键的伸缩振动区域。由于 H 原子质量最小，这种键具 有高的振动频率。OH，NH,CH 等伸缩振动吸收代均出现在此区域，2500~2000cm-1 为终 态和乘积双键的伸缩振动区域。由于这种键具有最高的权值，所以其震振动频率也较 大。 C C,C N,−N = C = O 等伸缩振动吸收带出现在此区域。 2000~1600cm- 1 为双键的伸缩振动区域， C = C,C = O, 苯环等伸缩振动出现在此 区域。 1600~6500cm-1 为单键区，在此区域所有的化合物均有互异的谱，犹如人的指纹， 可以用来鉴定各种化合物，因此又称为指纹区。重原子（除Ｈ外其它原子）之间单键 的伸缩振动，由于 k 小 大具有较低的振动频率，如Ｃ－Ｃ，Ｃ－Ｏ，Ｃ－Ｎ等伸缩 振动熙绶带均出现在此区域。另外，由于变形振动的 k 远远小于伸缩振动的 k 值，所 以含氢化学键或功能基的变形振动吸收出现在该区域。我们常借助有关特征吸收谱带 的知识，对化合物的红外光谱进行功能基的定性，以确定有关化合物的类别，再与已 知结构的化合物的光谱进行比较，肯定或鉴定所提出可能结构的化合物。本实验要对 几种树脂薄膜样品进行定性分析