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红外光谱原理,红外光谱分析原理

admin admin 发表于2024-03-29 05:52:49 浏览19 评论0

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简述红外光谱的基本原理

红外光谱的原理
当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。
所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。
当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分子吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。
红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。
并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。
分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式，例如，伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动，分别用 Vs 和Vas 表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动(δ)和面外弯曲振动(γ)。
从理论上来说，每一个基本振动都能吸收与其频率相同的红外光，在红外光谱图对应的位置上出现一个吸收峰。实际上有一些振动分子没有偶极矩变化是红外非活性的；另外有一些振动的频率相同，发生简并；还有一些振动频率超出了仪器可以检测的范围，这些都使得实际红外谱图中的吸收峰数目大大低于理论值。
组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。
引起基团频率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化学环境，如温度效应和溶剂效应等。
对于导致基团频率位移的内部因素，迄今已知的有分子中取代基的电性效应：如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效应等；机械效应：如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。
这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。
另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移，如果发生在分子间，则属于外部因素，若发生在分子内，则属于分子内部因素。
红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度，而跃迁概率与分子振动时偶极矩的变化大小有关，偶极矩变化愈大，谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身固有的偶极矩有关，故基团极性越强，振动时偶极矩变化越大，吸收谱带越强；分子的对称性越高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。
拓展资料
红外光谱是分子能选择性吸收某些波长的红外线,而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，又称分子振动光谱或振转光谱。
红外光谱的分区
通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75~2.5μm)、中红外区(2.5~25μm)和远红外区(25~300μm)。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。
由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。
应用
红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学最常用和不可缺少的工具。
红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。
红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。
另外，在化学反应的机理研究上，红外光谱也发挥了一定的作用。但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。
红外光谱不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性的判据，而且还可以作为表征和鉴别化学物种的方法。
例如气态水分子是非线性的三原子分子，它的v1=3652厘米、v3=3756厘米、v2=1596厘米而在液态水分子的红外光谱中，由于水分子间的氢键作用，使v1和v3的伸缩振动谱带叠加在一起，在3402厘米处出现一条宽谱带，它的变角振动v2位于1647厘米。
在重水中，由于氘的原子质量比氢大，使重水的v1和v3重叠谱带移至2502厘米处，v2为1210厘米。以上现象说明水和重水的结构虽然很相近，但红外光谱的差别是很大的。
红外光谱具有高度的特征性，所以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定已很普遍，并已有几种标准红外光谱汇集成册出版，如《萨特勒标准红外光栅光谱集》收集了十万多个化合物的红外光谱图。近年来又将些这图谱贮存在计算机中，用来对比和检索。
参考资料：百度百科：红外光谱

红外光谱的原理及应用是什么？

红外热成像，顾名思义，就是利用红外辐射来进行成像，红外辐射指红外线的热辐射过程。红外线本质上是一种波长介于可见光和微波的电磁波，其波长在物理学上的界定是0.75~1000μm。
而根据红外辐射的生成机理、应用场景、还有在大气中的传输特性，业界又进一步将红外辐射划分成四个波段：
（1）0.75~3μm的近波红外或短波红外波段；
（2）3~6μm的中波红外；
（3）6~15μm的远波或长波红外；
（4）15~1000μm的极远波红外。
这其中有三个波段，因为在大气中优良的渗透率，被广泛应用在红外探测器或红外热像仪等产品的开发中，分别是1~3μm的短波红外区，3~5μm的中波红外区和8~14μm的远波红外区。也由此这三个红外波段有着“大气窗口”之称。
而红外热像产品就是通过捕捉自然界中不同物体辐射红外能量微小差异的能力，来达到帮助人们识别、侦察目标关键信息的目的。红外热像产品的核心就是红外探测器，其作用就是将物体辐射的红外信号收集起来，经由电路信号处理、智能图像算法等系统，转换成人眼可是识别的视觉图像。
红外光谱：原理、应用与案例分析
红外光谱是一种强大的分析工具，广泛应用于多个领域。本文将深入探讨红外光谱的原理、应用价值以及相关案例，带您领略红外光谱的魅力。
一、红外光谱的原理
红外光谱是一种基于分子振动和转动能级的分析技术。当一束红外光照射到样品上时，光子与样品分子相互作用，引起分子振动和转动能级的改变。这些能级的改变会导致透射光的光谱变化，从而形成红外光谱。
根据量子力学理论，分子具有一系列能级，这些能级与光的波长（或频率）相关。当光照射到样品上时，如果光子的能量与分子的某个能级差相等，则该能级上的分子吸收光子并跃迁到较高能级。这一过程导致透射光的强度降低，同时在光谱上出现一个吸收峰。
二、红外光谱的应用
化学分析
红外光谱在化学分析中具有广泛应用。通过分析样品的红外光谱，可以确定分子的化学结构和化学键类型。由于不同化学键对特定波长的红外光具有不同的吸收特征，因此可以通过对比光谱特征来确定样品的化学组成。
材料科学
在材料科学领域，红外光谱可用于研究材料的微观结构和化学成分。通过红外光谱分析，可以了解材料表面的吸附状态、化学基团以及分子结构等信息，为材料研发和优化提供有力支持。
生物学
在生物学领域，红外光谱可用于研究生物大分子的结构和功能。例如，通过红外光谱分析蛋白质和核酸等生物大分子的构象和动力学行为，有助于深入了解生命的奥秘。
环境科学
在环境科学领域，红外光谱可用于检测空气、水体和土壤中的有害物质。通过分析特定波长的红外光，可以确定有害物质的类型和浓度，为环境保护和治理提供数据支持。
三、案例分析
化学分析应用案例
在一项化学分析研究中，研究人员利用红外光谱技术对不同种类的宝石进行了鉴别。通过对比不同宝石的红外光谱特征峰，成功地区分了不同类型的宝石，证明了红外光谱在化学分析中的广泛应用价值。
材料科学应用案例
在材料科学领域，研究人员利用红外光谱分析了一种新型太阳能电池的材料。通过研究材料表面的化学基团和分子结构，深入了解了材料的能带结构和光电性能，为优化太阳能电池的性能提供了重要依据。
生物学应用案例
在生物学领域，研究人员利用红外光谱技术对细胞凋亡过程进行了研究。通过观察细胞在受到药物处理后的红外光谱特征变化，成功地评估了药物对细胞凋亡的影响，为药物研发提供了新的工具。
环境科学应用案例
在环境科学领域，研究人员利用红外光谱技术对大气中的气态污染物进行了监测。通过分析不同污染物的红外光谱特征，精确地测量了大气中污染物的浓度和分布，为大气污染防治提供了科学依据。
综上所述，红外光谱作为一种强大的分析工具，在多个领域都具有广泛的应用价值。了解红外光谱的原理和应用，有助于更好地理解和解决实际问题和挑战。

红外光谱的基本原理

红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
红外光谱的原理是当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。
所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于 20 世纪初期，自 1940 年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。现在一些新技术 （如发射光谱、光声光谱、色，红联用等） 的出现，使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。
量子力学：
量子力学研究表明，分子振动和转动的能量不是连续的，而是量子化的，即限定在一些分立的、特定的能量状态或能级上。以最简单的双原子为例，如果认为原子间振动符合简谐振动规律，则其振动能量Ev可近似地表示为：式中h为普朗克常数；v为振动量子数（取正整数）；v0为简谐振动频率。当v=0时，分子的能量最低，称为基态。
处于基态的分子受到频率为v0的红外射线照射时，分子吸收了能量为hv0的光量子，跃迁到第一激发态，得到了频率为v0的红外吸收带。反之，处于该激发态的分子也可发射频率为v0的红外射线而恢复到基态。v0的数值决定于分子的约化质量μ和力常数k。k决定于原子的核间距离、原子在周期表中的位置和化学键的键级等。
分子越大，红外谱带也越多，例如含12个原子的分子，它的简正振动应有30种，它的基频也应有30条谱带，还可能有强度较弱的倍频、合频、差频谱带以及振动能级间的微扰作用，使相应的红外光谱更为复杂。

红外光谱分析原理

红外光谱的原理是由分子振动和转动跃迁所引起的，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。
1、红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。
2、分子运动有平动，转动，振动和电子运动四种，其中后三种为量子运动。分子从较低的能级E1，吸收一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2，整个运动过程满足能量守恒定律E2-E1=hv。
3、用红外光照射分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
红外光谱的解析：
1、光谱的解析一般首先通过特征频率确定主要官能团信息。单纯的红外光谱法鉴定物质通常采用比较法，即与标准物质对照和查阅标准谱的方法，但是该方法对于样品的要求较高并且依赖于谱图库的大小。
2、如果在谱图库中无法检索到一致的谱图，则可以用人工解谱的方法进行分析，这就需要有大量的红外知识及经验积累。
3、大多数化合物的红外谱图是复杂的，即便是有经验的专家，也不能保证从一张孤立的红外谱图上得到全部分子结构信息，如果需要确定分子结构信息，就要借助其他的分析测试手段，如核磁、质谱、紫外光谱等。

红外光谱的原理是什么？

红外光谱原理是红外光谱是一种分子吸收光谱，利用红外光谱法对有机物进行定性和定量的检测，通过红外线光谱仪发出红外线光线，再将光线照射到待检测物体的表面，有机物因其吸收特性会吸收红外光，从而产生红外光谱图。技术人员可根据红外光谱图找到与吸收峰相对应的化学基团数据库，对待测物质的构成和所属状态进行定性分析。
红外光谱的分类
红外光谱可分为近红外光谱技术、远红外光谱技术和傅立叶变换红外光谱技术。
近红外光谱技术的分子中存在4种不同形式的能量，分别是平动能，转运能，振动能和电子能。在近红外光谱技术中，近红外区域产生的倍频和合频的吸收往往比中红外弱，背景十分复杂，谱峰重叠的现象十分严重，有时必须借助化学计量方法才能提供有效的信息。
远红外光谱技术是利用物体在远红外区的吸收光谱，这个区域的光源能量十分弱小，吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁和液体中重原子的伸缩振动，因此一般不在远红外光谱区进行定量分析。
傅立叶变换红外光谱技术是一种快速，无损食品分析的检测技术，主要通过与化学计量学的方法相结合，实现定性定量分析。

红外吸收光谱原理

红外吸收光谱原理如下：
红外光谱是分子能选择性吸收某些波长的红外线，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，又称分子振动光谱或振转光谱。
在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。
所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。
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。
应用：
红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试迅速，操作方便，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点。
红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的研究以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。

红外光谱仪的原理及应用

红外光谱仪的原理：
傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。
红外光谱仪的应用：
应用于染织工业、环境科学、生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。
红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。
分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。
由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。
分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。
人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。
进行化合物的鉴定 进行未知化合物的结构分析。
进行化合物的定量分析 进行化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与结构的瞬变关系研究。
工业流程与大气污染的连续检测。
在煤炭行业对游离二氧化硅的监测。
卫生检疫，制药，食品，环保，公安，石油， 化工，光学镀膜，光通信，材料科学等诸多领域珠宝行业的检测。
水晶石英羟基的测量、聚合物的成分分析、药物分析......

步进扫描红外光谱原理

这种光谱原理是通过物质分子。步进扫描红外光谱是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，分子发生振动能级迁移，某些特定波长的红外射线被吸收，从而形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。

红外光谱定性分析的基本依据是什么？

红外光谱定性分析的基本依据是红外对有机化合物的定性具有鲜明的特征性。
分子中特征基团吸收不同波段的电磁辐射后表现出特征振动，会在相应的红外波段上对应于的特征吸收峰。
以简单的双原子分子为例，根据量子力学原理，两个原子之间的振动能是量子化的，也就是说存在着能级。两个能级之间的差值对应于分子的振动能。
当分子吸收电磁辐射后，分子的能量会升高，这个过程叫做分子的激发。如果激发的能量对于与两个振动态的能级差，那么这个分子就正好吸收这个能级差的能量，对于与光谱上就出现一个吸收峰。而振动能的大小正位于红外区，所以，红外光谱对应于分子的振动。
分子中不同的特征基团的振动能级的能量差有区别，所以会吸收不同波段的电磁辐射，因而在光谱上表现出不同位置的吸收峰。
而相同特征基团的能级的能量差是基本相同的，所以光谱上的吸收峰的位置会相对固定当然，周围基团或者环境会对特征基团的能级有微小的影响，在光谱上会稍有偏移。这就是红外光谱定性分析的依据。