文档介绍：实验二十二红外吸收光谱
目的和要求
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。
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,组成分子
的振动能和分子的整体转动能,于是

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。分子由低能级跃迁到高能级时,吸收光的频率(以波数表示)

式中为光速,为普朗克常数。由于

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

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,于是有

从量子力学的观点来看,在一般地考虑红外光谱的强度时,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

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的状态间。实际上由于振动的非谐性等原因,使得等几率较小的跃迁也成为可能。这也定性的说明了(称为基频)强度很大,(称为第一倍频)较弱, (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)。
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