选修六 附录Ⅶ 红外光谱分析法简介

(共36张PPT)
附录Ⅶ 红外光谱分析法简介
雨后天空出现的彩虹，是人类经常观测到的自然光谱。而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家牛顿开始的。1666年牛顿证明一束白光可分为一系列不同颜色的可见光，而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红色的光带。牛顿导入“光谱”一词来描述这一现象。牛顿的研究是光谱科学开端的标志。
一、光谱学发展史
现代光谱学
什么是红外光谱？
什么是红外光？
根据物质对红外光的特征吸收建立起来的一种光谱分析方法。
波长比红光长的一部分电磁辐射，介于
可见光和微波之间。
光的特征吸收现象1
透过蓝色钴玻璃观察钾的焰色反应
光的特征吸收现象2
臭氧阻挡紫外线的原理
臭氧可以吸收紫外线，就是由于分子结构使其可以与某种特定能量的紫外线发生共振。臭氧只是吸收其中特定的一部分，它吸收的部分恰好是容易导致皮肤癌的“凶手”，因此对于我们人类功劳很大。这样的共振对于很多种分子都是普遍存在的，只是吸收的电磁波各自不同而已。
化学键振动的类型
伸缩振动
弯曲振动
在同一条直线上，键长发生变化。
不在一条直线上，键角发生变化。
构成分子的原子不是静止不动的，原子在其平衡位置做相对运动，
从而产生振动
在一般情况下，分子的转动和振动处于基态，当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，分子的转动和振动将吸收红外光而发生从基态到激发态的能级跃迁，表现为吸收红外光。
二、红外光谱的基本原理
即一定频率的红外线经过分子时，被分子中相同振动频率的键振动吸收，导致这些区域的透射光强减弱，记录所得透过率的曲线称为红外光谱图。
红外光谱的区域
根据能量与可见光的接近程度，习惯上按红外光波长，将红外光谱分成三个区域：近红外区、中红外区、远红外区
其中，中红外区【基本振动区4000~400cm-1, 】是研究和应用最多的区域，因为绝大多数有机和无机化合物的化学键振动区在中红外区，所以红外光谱广泛用于化合物鉴定和表征。
谱图的横坐标通常为波数，纵坐标为透过率。
化合物6f红外光谱图

特征区：即化学键和基团的特征振动频率区。在该区域出现的吸收峰一般用于鉴定官能团的存在，特征吸收峰发生在4000 – 1333 cm-1的区域。这些吸收峰特征性强，比较稀疏，容易辨认。
红外光谱中的重要波段
指纹区：红外吸收光谱中1333-400 cm-1的低频区。该区域出现的谱带主要是单键的伸缩振动以及各种弯曲振动引起的。这一区域谱带特别密集，对分子结构的变化极为敏感，结构上的微小变化往往导致光谱上的显著不同。
已知化合物的红外光谱已建立数据库，
通过对比即可得到确定的结论。
三、红外光谱仪
目前主要有两类红外光谱仪：色散型红外光谱仪
傅立叶变换红外光谱仪
色散型红外光谱仪原理示意图
（1）扫描速度极快 （2）具有很高的分辨率 （3）灵敏度高 除此之外，还有光谱范围宽；测量精度高；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响.
Fourier变换红外光谱仪的特点：
要获得一张高质量红外光谱图，除了仪器本身的因素外，还必须有合适的样品制备方法。
样品的制备方法
试样的制备：以制备固体样品和KBr压片为例
取0.2～0.4克KBr，在玛瑙研钵中充分研细，然后取2～4毫克样品，即样品的量约为KBr的1%（此操作在红外灯下进行）
在底座上先放一个样品底座（光滑干净面向上），再将压片框架平稳的套在样品底座露出部分上。
将充分研磨的样品和KBr混合粉末倒入样品框架中，注意尽量不要散落到侧壁上，用药匙柄将药品调节铺平后放上第二个样品底座，此时光滑面向下。
套上保护外套，放上弹簧，最后插入模压杆。
用手掌按紧模压杆，放在手动液压机上，打开液压机油阀，关闭气阀（顺时针到转不动），用压杆增压，直到表头示数达20mpa，稳定3分钟左右。
打开气阀，从液压机上取下制片模具，将样品底座和样品框架一同取出，放到模压底座上，套上保护外套，插入模压冲杆。将整个装置再放到液压机上轻压，听到“铛”的响声即停。
将制片装置取下拆除，用镊子取下样片放入样品架上，小心移动并插入到仪器的样品槽中。
红外光谱法是一种分析化学的技术，对于有机化学的发展起了重要作用，它主要用来测定物质分子中存在着的官能团,也可以用来测定化学物质的纯度。 此外 ,红外光谱对于研究物质结构也很重要。
四、红外光谱在有机合成中的应用
课堂探究1
CH3—CH2—O—CH2—CH3
课堂探究2
在红外光谱中,同一种官能团或化学键的吸收峰的位置和强度并不完全相同，你认为产生这种现象的原因可能是什么?
课堂讨论1
【提示:在高于绝对0度(OK)的条件下,分子中所有原子处于振动运动之中,而且分子中的许多共价键是互相连接在一起的】
当人们在劳动或运动时不慎发生扭伤或肌肉拉伤时，用红外光照射是一种常用的理疗方案，你认为它的原理是什么？
结合本节课的学习，试着对下列现象给与解释
课堂讨论2
远红外线对人体的理疗作用
在红外光线的区域中，有一个特殊的区域，8um-14um这个波段范围在医学界被称为“生育光线”，其频率与身体中的细胞分子、原子间的水分子运动频率相一致时，引起共振效应，其能量被生物体所吸收，使皮下组织深层部位的温度升高，活化细胞组织，加快血液循环，提高人体免疫力，加强人体新陈代谢，促进身体健康。
课堂讨论3
在海边沙滩进行日光浴时，不仅会感到全身暖洋洋,而且会把皮肤晒黑，?但是用红外光灯照射身体时,?具会产生局部暖洋洋的感觉，而不会被晒黑.这是为什么?
因为海边的天气好，空气污染度低，没有建筑物、树荫遮挡,所以紫外线在空气中的穿透更便利，而且海水的浪花会反射出很强的光，沙滩也会反射这些光，导致海边的紫外线更加强烈，众所周知，紫外线的过度照射引起的色素沉着，海边的紫外线强烈使得海边更容易晒黑。
小节
一、光谱学的发展史
四、红外光谱的应用
二、红外光谱的基本原理
三、红外光谱仪的简介
仪器分析是科学研究的眼睛，没有眼睛就寸步难行。
—中科院院士、电分析化学的领军人物汪尔康
谢谢大家