红外光谱分析(红外光谱分析原理详解)

1红外光的定义

红外光是英国科学家赫歇尔于1800年在实验室发现的。它是波长比红光长的电磁波，有明显的热效应，让人感觉到却看不到。科学家发现，当一定波长的光(可见光或不可见光)照射到一些金属和其他材料的表面时，金属和其他材料会发出电子流，这种现象称为光电效应。

红外光也叫红外光，是波长比可见光长的电磁波(光)，范围在770 nm到1 mm之间，传统上通常将红外光分为三个区域，即近红外区(波长780 nm到2500 nm)、中红外区(波长2500 nm到25m~1000m nm)和远红外区(波长25m到1000m)。一般来说，近红外光谱是由分子的倍频和组合产生的。中红外光谱属于分子的基本振动光谱；远红外光谱属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。

因为大部分有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，所以中红外区是研究和应用最多、数据积累最多、仪器技术最成熟的区域。红外光谱通常是指中红外光谱。

红外光谱的产生

2.1红外光谱的定义

光谱分析是根据物质的光谱来鉴定物质并确定其化学成分、结构或相对含量的方法。根据分析原理，光谱技术主要分为吸收光谱、发射光谱和散射光谱。

根据被测位置的形状，有原子光谱和分子光谱两种光谱技术。红外光谱属于分子光谱，包括红外发射光谱和红外吸收光谱，常用的是红外吸收光谱。

当一束连续波长的红外光穿过物质，物质分子中基团的振动频率或转动频率与红外光相同时，分子吸收能量，从原来的基态振动(转动)动能级跃迁到更高能量的振动(转动)动能级。分子吸收红外辐射后，振动和转动能级跃迁，该波长的光被物质吸收。

因此，红外光谱本质上是一种根据分子中原子间的相对振动和分子转动信息来确定物质的分子结构和鉴别化合物的分析方法。红外光谱可以通过用仪器记录分子对红外光的吸收来获得。

当外界电磁波照射分子时，如果照射的电磁波的能量等于分子两个能级之差，这个频率的电磁波就会被分子吸收，从而引起分子相应能级的跃迁，宏观上表现为透射光强变小。电磁波与分子等能级差是物质产生红外吸收光谱必须满足的条件之一，决定了吸收峰的位置。

红外吸收光谱的第二个条件是红外光与分子的耦合。为了满足这个条件，分子振动时的偶极矩必须改变。这实际上保证了红外光的能量可以转移到分子上，这是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。

红外光谱的研究始于20世纪初。自从19世纪商用红外光谱仪问世40年以来，红外光谱已广泛应用于有机化学研究。现在一些新技术的出现(如发射光谱、光声光谱、色谱-红外光谱等。)使得红外光谱技术发展更加蓬勃。

2.2分子振动的类型

伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴的往复运动，其间键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号来表示不同的振动形式。比如伸缩振动可以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()和面外弯曲振动()。

2.3红外光谱表示方法

红外光谱通常以波长()或波数()为横坐标表示吸收峰的位置，以透过率(T%)或吸光度(a)为纵坐标表示吸收强度。

3红外光谱信息

l峰位:吸收峰的位置(吸收频率)

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

峰强度:吸收峰的强度

峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化。偶极矩变化越小，能带强度越弱。

l峰形状:吸收峰的形状(峰、宽峰和肩峰)

不同基团在同频中可能有红外吸收，如-OH和-NH的伸缩振动峰在3400 ~ 3200cm-1范围内，但其峰形明显不同，有助于官能团的鉴别。