1.分子振动与红外线吸收
分子中的原子并不是在其结合处的位置上固定不动。相反,原子处于不断的振动中。振动的模式由分子中原子的数量和化学键所决定并可分为: 对称伸缩l 反对称伸缩l 弯曲振动l
原子在分子中的振动频率落在红外线频率之内(300 - 4000cm-1)。分子如被置于含其原子振动频率的特定红外线辐射场内,化学键会吸收红外线能量,从低能级的振动变为高一个能级的振动。在简单的双原子分子中,振动只有一种方式:单方向的伸缩振动,因此分子对红外线只有一个频带的吸收,吸收频带的位置(代表分子吸收的能量)取决于化学键的结合强度。对于多原子分子,由于多个化学键的存在,存在多个振动方式,因此在红外吸收光谱上将出现多个复杂的吸收频带。
多分子的振动可以被看作是许多小球通过弹簧联系在一起的振动。如把每个原子看成一个质点。要描述多原子分子的各种可能的振动方式,必须确定各原子的相对位置。在笛卡尔坐标系中,每个质点(原子)的空间运动有3个自由度。若一个分子内有n个原子,需要有3n个坐标来确定所有原子的位置。但由于这些原子通过化学键构成一个整体的分子,因此必须以分子的整体来考虑自由度。分子作为整体有3个平动自由度,3个转动自由度,因此分子的振动自由度为3n-6。每个振动自由度对应着一个基本的振动。对于直线分子,由于其平动自由度仅为两个 ,振动自由度为3n-5。
需要指出的是分子仅在振动伴随有分子偶极矩变化的情况下才吸收红外线辐射。当带有相反电极的两个分子靠近或离开,分子的偶极矩发生变化,红外线的吸收频率可以用Hook定律计算:
其中: k =反映键强度的力值常数; m1 和 m2 为通过化学键结合的两个原子的质量。由Hook定律可以看到,k值越大,即键的结合力强,红外吸收的频率越高。因此, C=C 双键将比C-C 单键具有更高的吸收频率。同样,若两个原子的质量越大,吸收频率越低。
2 样品及傅立叶变换红外光谱仪原理
液体样品可以直接在红外光谱仪上测试。固体样品需要首先碾磨成细微的颗粒,然后滴入数滴石蜡油混成糊状。在两片氯化钠板之间夹入薄薄的一层液态或糊状样品,并将其置入红外光谱仪内。采用氯化钠板取代玻璃的原因是因为它几乎不吸收红外线。
傅立叶变换红外光谱仪由光源、动镜、定镜、分束器、检测器和计算机数据处理系统组成。
射出的红外线光束由分束器分成两束:一束透射到定镜后反射入样品池后到达检测器;另一束通过分束器到达动镜后反射,穿过分束器后与定镜来的光形成干涉光进入样品池和检测器。由于动镜在不断地周期性运动,这两束光的光程差随动镜移动距离的变化呈现周期变化。由于样品对某些谱带红外光的吸收,在检测器得到样品的干涉图谱,这些干涉图谱是动镜移动距离x的函数。通过傅立叶变换函数:
其中:B(υ)入射光强度;I(υ)是干涉光强度; υ为光源频率
通过计算机对检测器收集的信号进行函数数据处理,最终得到与经典红外光谱仪同样的光强随频率变化的红外吸收光谱图。 分子式为C3H6O2有机分子样品的红外光谱见于下图。由图中可以看到波数(频率)超过1710 cm-1时有很强的吸收峰,在波数介于2500-3300 cm-1之间有中等程度的吸收峰。采用“指纹” 。
分析的手段,相应的红外吸收对应于C=O 和O-H基团。由红外光谱分析取得的信息加上已知的分子式,分子的结构应为:
与经典红外光谱仪相比,傅立叶红外光谱仪具有信号多路传输的优点;辐射通量大的优点;极高的波数精度;高分辩率;光谱的数据化等优点。
3.红外谱带的特征: l位置 谱带的特征振动频率 l形状 谱带的形状反应了基团的某些信息。如氢键和离子的官能团可以产生很宽的红外谱带。这对于鉴定特殊基团的存在很有用。 相对强度l 把红外光谱中的一条谱带的强度与另一条相比可以得到定量的概念,同时也可以指示某些特殊基团或元素的存在。
4.影响因素
以下试验因素影响红外图谱的质量: l仪器参数 l环境 l 样品的厚度
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