红外光谱学

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红外光谱学光谱学中研究电磁光谱红外部分的分支。它包括了许多技术,到目前为止最常用的是吸收光谱学。同所有的分光镜技术一样,它可以被用来鉴别一种化合物和研究样品的成分。红外光谱学相关表见于文献,方便查找。

理论[编辑]

化学键的振动是量子化的。分子会吸收特定频率的红外线,使化学键由振动基态跃迁至激发态(通常是第一激发态)。在通常状态下,分子的所有共价键几乎全部处于振动的基态。化学键的振动可用简谐振子近似,所以欲使化学键振动能级发生改变,吸收光的频率应为:

\nu = \frac{1}{2 \pi c} \sqrt{\frac{k}{\mu}}

其中\pi为圆周率,c为真空中光速,k为化学键的“劲度系数”,\mu约化质量。约化质量由下式给出:

\mu = \frac{m_A m_B}{m_A + m_B}

其中m_Am_B分别为成键原子AB的质量。不同的化学键,随着成键原子的不同,约化质量也会不同;而即使对于相同的成键原子,由于化学键性质不同(比如碳碳双键和碳碳单键),其“劲度系数”也会不同。故而不同化学键会有不同的特征频率。

一个分子的总自由度为3NN为分子中原子的数量)。其中平移自由度为3,分别对应对于xyz三个方向;同样的,旋转自由度亦为3。所以对于非线型分子,其振动模式(vibrational mode)的数量为3N-6。由于绕键轴旋转不计入旋转自由度,对于线型分子,振动模式的数量为3N-5。简单的双原子分子只有一种振动模式,那就是伸缩。更复杂的分子,其振动方式也更为复杂。例如亚甲基中的碳氢键,就可以以 “对称伸缩”、“非对称伸缩”、“剪刀式摆动”、“左右摇摆”、“上下摇摆”和“扭摆”六种方式振动(见下图)。

对称伸缩
非对称伸缩
剪刀式摆动
左右摇摆
上下摇摆
扭摆

一般地,红外光谱上的信号数量应与分子的振动模式数量相同,但分子的振动模式若为红外活跃,必须能使分子偶极矩改变;所以并不是所有的振动模式都能在红外光谱中被观察到。此外,不同振动模式之间可以耦合,并在红外光谱上显示信号。

测量样品时,一束红外光穿过样品,各个波长上的能量吸收被记录下来。这可以由连续改变使用的单色波长来实现,也可以用傅立叶变换来一次测量所有的波长。这样的话,透射光谱或吸收光谱或被记录下来,显示出被样品红外吸收的波长,从而可以分析出样品中包含的化学键。

这种技术专门用在共价键的分析。如果样品的红外活跃键少、纯度高,得到的光谱会相当清晰,效果好。更加复杂的分子结构会导致更多的键吸收,从而得到复杂的光谱。但是,这项技术还是用在了非常复杂的混合物的定性研究当中。

样品制备[编辑]

固态样品可溶解于有机溶剂如二氯甲烷氯仿甲苯中,获取光谱前先扫描相应的纯溶剂获得背景光谱,再扫描含有样品的溶液,通过计算机处理即可获得样品的红外光谱。也可将样品与矿物油混合研磨制成糊状物进行扫描。还可以将样品与溴化钾研碎混合充分混合后压片进行扫描。 液态样品可以直接通过扫描获取红外光谱,也可以制成溶液后进行扫描。

典型方法[编辑]

在有机分子中吸收键的总结[编辑]

运用[编辑]

傅立叶变化红外光谱学[编辑]

另见[编辑]

外部键接[编辑]