紅外光譜分析（對物質(zhì)分子進(jìn)行的分析、鑒定）
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紅外光譜分析
對物質(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物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。將一束不同波長(cháng)的紅外射線(xiàn)照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(cháng)的紅外射線(xiàn)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構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進(jìn)行結構分析和鑒定。紅外吸收光譜是由分子不停地作振動(dòng)和轉動(dòng)運動(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運動(dòng)，多原子分子可組成多種振動(dòng)圖形。當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(xiàn)的光量子能量正好對應，因此當分子的振動(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)和轉動(dòng)的能量不是連續而是量子化的。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，其核心部分是一臺雙光束干涉儀。當儀器中的動(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，探測器所測得的光強也隨之變化，從而得到干涉圖。經(jīng)過(guò)傅里葉變換的數學(xué)運算后，就可得到入射光的光譜。這種儀器的優(yōu)點(diǎn)：①多通道測量，使信噪比提高。②光通量高，提高了儀器的靈敏度。③波數值的精確度可達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)區延伸到毫米區，可以實(shí)現遠紅外光譜的測定。
主要用途
紅外光譜分析可用于研究分子的結構和化學(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，可以采用與標準化合物的紅外光譜對比的方法來(lái)做分析鑒定。已有幾種匯集成冊的標準紅外光譜集出版，可將這些圖譜貯存在計算機中，用以對比和檢索，進(jìn)行分析鑒定。利用化學(xué)鍵的特征波數來(lái)鑒別化合物的類(lèi)型，并可用于定量測定。由于分子中鄰近基團的相互作用，使同一基團在不同分子中的特征波數有一定變化范圍。此外，在高聚物的構型、構象、力學(xué)性質(zhì)的研究，以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫學(xué)等領(lǐng)域，也廣泛應用紅外光譜。
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)生使紅外吸收峰數增多，峰強加大.
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，這種現象叫做振動(dòng)偶合.
其它介紹
紅外吸收與振動(dòng) - 轉動(dòng)光譜
1. 光譜的產(chǎn)生：
分子中基團的振動(dòng)和轉動(dòng)能級躍遷產(chǎn)生振-轉光譜，稱(chēng)紅外光譜。
2. 所需能量：
近紅外（
），中紅外（
），遠紅外（
）
3. 研究對象：
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：
結構鑒定、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
對于雙原子分子，可認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)導出振動(dòng)頻率：
2.振動(dòng)能級（量子化）：
任意兩個(gè)相鄰的能級間的能量差為：
（用波數表示）
發(fā)生振動(dòng)能級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，即取決于分子的結構特征。
化學(xué)鍵鍵強越強（即鍵的力常數 K 越大）原子折合質(zhì)量越小，化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現在高波數區。
鍵類(lèi)型
力常數
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、峰數與強度
1.位置：
由振動(dòng)頻率決定，化學(xué)鍵的力常數 K 越大，原子折合質(zhì)量 m 越小，鍵的振動(dòng)頻率越大，吸收峰將出現在高波數區（短波長(cháng)區）；反之，出現在低波數區（高波長(cháng)區）；
2.峰數：
非線(xiàn)性分子：
線(xiàn)性分子：
絕大多數化合物紅外吸收峰數遠小于理論計算振動(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；吸收落在儀器檢測范圍以外；儀器分辨率低，譜峰重疊等。
3．強度：
紅外吸收的強度與 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，則吸收強度越大。
4 ．紅外光譜圖：
縱坐標為吸收強度，橫坐標為波長(cháng) λ ， （ μ m ），和波數
，單位：
，可以用峰數，峰位，峰形，峰強來(lái)描述
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