紅外光譜分析（對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析、鑒定）
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紅外光譜分析
對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析、鑒定
紅外光譜分析（infrared spectra analysis指的是利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。
基本信息
| 中文名 | 紅外光譜分析 |
| 外文名 | infrared spectra analysis |
| 類(lèi)型 | 物理學(xué)名詞 |
| 所屬學(xué)科 | 物理學(xué) |
| 用途 | 對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定 |
工作原理
每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，分子振動(dòng)是指分子中各原子在平衡位置附近作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，多原子分子可組成多種振動(dòng)圖形。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)方式稱(chēng)簡(jiǎn)正振動(dòng)（例如伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng)）。分子振動(dòng)的能量與紅外射線的光量子能量正好對(duì)應(yīng)，因此當(dāng)分子的振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，就可以發(fā)射紅外光譜，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動(dòng)而產(chǎn)生紅外吸收光譜。分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的能量不是連續(xù)而是量子化的。但由于在分子的振動(dòng)躍遷過(guò)程中也常常伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷，使振動(dòng)光譜呈帶狀。所以分子的紅外光譜屬帶狀光譜。
基本種類(lèi)
紅外光譜儀的種類(lèi)有：①棱鏡和光柵光譜儀。屬于色散型，它的單色器為棱鏡或光柵，屬單通道測(cè)量。②傅里葉變換紅外光譜儀。它是非色散型的，其核心部分是一臺(tái)雙光束干涉儀。當(dāng)儀器中的動(dòng)鏡移動(dòng)時(shí)，經(jīng)過(guò)干涉儀的兩束相干光間的光程差就改變，探測(cè)器所測(cè)得的光強(qiáng)也隨之變化，從而得到干涉圖。經(jīng)過(guò)傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算后，就可得到入射光的光譜。這種儀器的優(yōu)點(diǎn)：①多通道測(cè)量，使信噪比提高。②光通量高，提高了儀器的靈敏度。③波數(shù)值的精確度可達(dá)0.01厘米-1。④增加動(dòng)鏡移動(dòng)距離，可使分辨本領(lǐng)提高。⑤工作波段可從可見(jiàn)區(qū)延伸到毫米區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外光譜的測(cè)定。
主要用途
紅外光譜分析可用于研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，也可以作為表征和鑒別化學(xué)物種的方法。紅外光譜具有高度特征性，可以采用與標(biāo)準(zhǔn)化合物的紅外光譜對(duì)比的方法來(lái)做分析鑒定。已有幾種匯集成冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜集出版，可將這些圖譜貯存在計(jì)算機(jī)中，用以對(duì)比和檢索，進(jìn)行分析鑒定。利用化學(xué)鍵的特征波數(shù)來(lái)鑒別化合物的類(lèi)型，并可用于定量測(cè)定。由于分子中鄰近基團(tuán)的相互作用，使同一基團(tuán)在不同分子中的特征波數(shù)有一定變化范圍。此外，在高聚物的構(gòu)型、構(gòu)象、力學(xué)性質(zhì)的研究，以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用紅外光譜。
解析方法
常用術(shù)語(yǔ)
頻峰
倍頻峰
合頻峰
兩個(gè)基頻峰頻率相加的峰；
Fermi 共振
某一個(gè)振動(dòng)的基頻與另外一個(gè)振動(dòng)的倍頻或合頻接近時(shí)，由于相互作用而在該基頻峰附近出現(xiàn)兩個(gè)吸收帶，這叫做 Fermi 共振，例如苯甲酰氯只有一個(gè)羰基，卻有兩個(gè)羰基伸縮振動(dòng)吸收帶，即
和
，這是由于羰基的基頻（
) 與苯基和羰基的變角振動(dòng)（
) 的倍頻峰之間發(fā)生 Fermi 共振而產(chǎn)生的. Fermi 共振的產(chǎn)生使紅外吸收峰數(shù)增多，峰強(qiáng)加大.
振動(dòng)偶合
兩個(gè)化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率相等或接近時(shí)，常使這兩個(gè)化學(xué)鍵的基頻吸收峰裂分為兩個(gè)頻率相差較大的吸收峰，這種現(xiàn)象叫做振動(dòng)偶合.
其它介紹
紅外吸收與振動(dòng) - 轉(zhuǎn)動(dòng)光譜
1. 光譜的產(chǎn)生：
分子中基團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生振-轉(zhuǎn)光譜，稱(chēng)紅外光譜。
2. 所需能量：
近紅外（
），中紅外（
），遠(yuǎn)紅外（
）
3. 研究對(duì)象：
具有紅外活性的化合物，即含有共價(jià)鍵、并在振動(dòng)過(guò)程中伴隨有偶極矩變化的化合物。
4. 用途：
結(jié)構(gòu)鑒定、定量分析和化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究等。
分子振動(dòng)方程式
1. 振動(dòng)頻率
對(duì)于雙原子分子，可認(rèn)為分子中的原子以平衡點(diǎn)為中心，以非常小的振幅作周期性的振動(dòng)即化學(xué)鍵的振動(dòng)類(lèi)似于連接兩個(gè)小球的彈簧（如下圖） ，可按簡(jiǎn)諧振動(dòng)模式處理，由經(jīng)典力學(xué)導(dǎo)出振動(dòng)頻率：
2.振動(dòng)能級(jí)（量子化）：
任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為：
（用波數(shù)表示）
發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷需要能量的大小取決于鍵兩端原子的折合質(zhì)量和鍵的力常數(shù)，即取決于分子的結(jié)構(gòu)特征。
化學(xué)鍵鍵強(qiáng)越強(qiáng)（即鍵的力常數(shù) K 越大）原子折合質(zhì)量越小，化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)。
鍵類(lèi)型
力常數(shù)
峰位 4.5mm 6.0mm 7.0mm
分子的振動(dòng)形式
紅外光譜產(chǎn)生的條件
1. 紅外光的頻率與分子中某基團(tuán)振動(dòng)頻率一致；
2. 分子振動(dòng)引起瞬間偶極矩變化
完全對(duì)稱(chēng)分子，沒(méi)有偶極矩變化，輻射不能引起共振，無(wú)紅外活性，如：
、 
、等；非對(duì)稱(chēng)分子有偶極矩，屬紅外活性，如
。偶極子在交變電場(chǎng)中的作用可用下圖表示：
偶極子在交變電場(chǎng)中的作用示意圖
紅外光譜峰的位置、峰數(shù)與強(qiáng)度
1.位置：
由振動(dòng)頻率決定，化學(xué)鍵的力常數(shù) K 越大，原子折合質(zhì)量 m 越小，鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)（短波長(zhǎng)區(qū)）；反之，出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)（高波長(zhǎng)區(qū)）；
2.峰數(shù)：
非線性分子：
線性分子：
絕大多數(shù)化合物紅外吸收峰數(shù)遠(yuǎn)小于理論計(jì)算振動(dòng)自由度，其原因有：無(wú)偶極矩變化的振動(dòng)不產(chǎn)生紅外吸收；吸收簡(jiǎn)并；吸收落在儀器檢測(cè)范圍以外；儀器分辨率低，譜峰重疊等。
3．強(qiáng)度：
紅外吸收的強(qiáng)度與 躍遷幾率的大小和振動(dòng)偶極矩變化的大小有關(guān)，躍遷幾率越大、振動(dòng)偶極矩越大，則吸收強(qiáng)度越大。
4 ．紅外光譜圖：
縱坐標(biāo)為吸收強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng) λ ， （ μ m ），和波數(shù)
，單位：
，可以用峰數(shù)，峰位，峰形，峰強(qiáng)來(lái)描述
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