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紅外光譜的原理

發布時間:2021/7/5 16:08:30閱讀人數:100

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據技術部7月5日16點07分透露:紅外光譜的原理


當一束具有連續波長的紅外光通過物質,物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時,分子就吸收能量由原來的基態振(轉)動能躍遷到能量較高的振(轉)動能,分子吸收紅外輻射后發生振動和轉動能的躍遷,該處波長的光就被物質吸收。所以,紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來,就得到紅外光譜圖。紅外光譜圖通常用波長(λ)或波數(σ)為橫坐標,表示吸收峰的位置,用透光率(T%)或者吸光度(A)為縱坐標,表示吸收強度。

當外界電磁波照射分子時,如照射的電磁波的能量與分子的兩能差相等,該頻率的電磁波就被該分子吸收,從而引起分子對應能的躍遷,宏觀表現為透射光強度變小。電磁波能量與分子兩能差相等為物質產生紅外吸收光譜必須滿足條件,這決定了吸收峰出現的位置。

紅外吸收光譜產生的第二個條件是紅外光與分子之間有偶合作用,為了滿足這個條件,分子振動時其偶矩必須發生變化。這實際baozheng了紅外光的能量能傳遞給分子,這種能量的傳遞是通過分子振動偶矩的變化來實現的。并非所有的振動都會產生紅外吸收,只有偶矩發生變化的振動才能引起可觀測的紅外吸收,這種振動稱為紅外活性振動;偶矩等于零的分子振動不能產生紅外吸收,稱為紅外非活性振動。

 

分子的振動形式可以分為兩大類:伸縮振動和彎曲振動。者是指原子沿鍵軸方向的往復運動,振動過程中鍵長發生變化。后者是指原子垂直于化學鍵方向的振動。通常用不同的符號表示不同的振動形式,例如,伸縮振動可分為對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動,分別用 Vs 和Vas 表示。彎曲振動可分為面內彎曲振動(δ)和面外彎曲振動(γ)。從理論上來說,每一個基本振動都能吸收與其頻率相同的紅外光,在紅外光譜圖對應的位置上出現一個吸收峰。實際上有一些振動分子沒有偶矩變化是紅外非活性的;另外有一些振動的頻率相同,發生簡并;還有一些振動頻率超出了儀器可以檢測的范圍,這些都使得實際紅外譜圖中的吸收峰數目大大低于理論值。

組成分子的各種基團都有自己特定的紅外特征吸收峰。不同化合物中,同一種官能團的吸收振動總是出現在一個窄的波數范圍內,但它不是出現在一個固定波數上,具體出現在哪一波數,與基團在分子中所處的環境有關。引起基團頻率位移的因素是多方面的,其中外部因素主要是分子所處的物理狀態和化學環境,如溫度效應和溶劑效應等。對于導致基團頻率位移的內部因素,迄已知的有分子中取代基的電性效應:如誘導效應、共軛效應、中介效應、偶場效應等;機械效應:如質量效應、張力引起的鍵角效應、振動之間的耦合效應等。這些問題雖然已有不少研究報道,并有較為系統的論述,但是,若想按照某種效應的結果來定量地預測有關基團頻率位移的方向和大小,卻往往難以做到,因為這些效應大都不是單一出現的。這樣,在進行不同分子間的比較時就很困難。

另外氫鍵效應和配位效應也會導致基團頻率位移,如果發生在分子間,則屬于外部因素,若發生在分子內,則屬于分子內部因素。
紅外譜帶的強度是一個振動躍遷概率的量度,而躍遷概率與分子振動時偶矩的變化大小有關,偶矩變化愈大,譜帶強度愈大。偶矩的變化與基團本身固有的偶矩有關,故基團性越強,振動時偶矩變化越大,吸收譜帶越強;分子的對稱性越高,振動時偶矩變化越小,吸收譜帶越弱。

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