4. 红外光谱法的常规实验技术

实验目的 1. 初步掌握两种基本样品（固体和液体）制

备技术 2. 了解制样方法的差异对红外谱图的影响 3. 通过谱图解析，了解由红外光谱鉴定未知

物的一般过程 4 ．了解红外分光光度计的结构特征和原理

红外光谱的理论基础 当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子

将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。通常以波长（ μm ）或波数（ cm-1 ）为横坐标，吸光度（ A ）或百分透过率（ T% ）为纵坐标，将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质的红外吸收光谱，简称红外光谱。

产生红外吸收的条件 第一，辐射能必须与分子的激发态和基态之

间的能量差相当。 第二，分子的振动必须引起分子偶极矩的净

变化。

红外光谱在结构解析中的作用 1. 利用基团特征频率确定分子中的官能团，

区分化合物的类别。通常把中红外的谱图区域分为基频区 4000－ 1300cm-1 和指纹区 1300-600cm-1 。

基频（官能团）区：伸缩振动产生，吸收峰分布较稀。基团鉴定最有价值。

指纹区：单键的伸缩振动和变形振动引起，分子结构稍有不同时，此波段吸收谱带略有差异。

2. 提供未知物的精细结构，确定化合物是否相同。

常见基团的红外吸收带

特征区 指纹区500100015002000250030003500

C-H， N-H， O-H

N-H CN C=N

S-H P-H N-O N-N C-F C-X

O-HO-H （氢

键） C=OC-C， C-N， C-O

=C-H C-H CC C=C

红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长 λ （ m ）和波数 1/λ 单位： cm-1

可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。

应用：有机化合物的结构解析。定性：基团的特征吸收频率；定量：特征峰的强度；

红外光谱与有机化合物结构

基团吸收带数据

基 团 吸 收 带 数 据Ｏ － Ｈ ３ ６ ３ ０Ｎ － Ｈ ３ ３ ５ ０Ｐ － Ｈ ２ ４ ０ ０Ｓ － Ｈ ２ ５ ７ ０　 　 　 Ｃ － Ｈ ３ ３ ３ ０　 　 　 Ａ r－ Ｈ ３ ０ ６ ０　 　 　 ＝ Ｃ － Ｈ ３ ０ ２ ０－ Ｃ Ｈ ３ ２ ９ ６ ０ ， ２ ８ ７ ０　 Ｃ Ｈ ２ ２ ９ ２ ６ ， ２ ８ ５ ３－ Ｃ Ｈ ２ ８ ９ ０　 　 　 Ｃ Ｃ ２ ０ ５ ０　 　 　 Ｃ Ｎ ２ ２ ４ ０Ｒ ２Ｃ ＝ Ｏ １ ７ １ ５Ｒ Ｈ Ｃ ＝ Ｏ １ ７ ２ ５Ｃ ＝ Ｃ １ ６ ５ ０Ｃ － Ｏ １ １ ０ ０Ｃ － Ｎ １ ０ ０ ０Ｃ － Ｃ ９ ０ ０Ｃ － Ｃ － Ｃ ＜ ５ ０ ０Ｃ － Ｎ － Ｏ ５ ０ ０Ｈ － Ｃ ＝ Ｃ － Ｈ ９ ６ ０ （ 反 ）Ｒ － Ａ r－ Ｈ ６ ５ ０ － ９ ０ ０

　　

　　

　活泼氢

不饱和氢

饱和氢

三键

双键

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　伸缩振动

变形振动

　　

　　

　含氢化学键

　　

　　特征吸收带

　　

　　

　（伸缩振动）

　　

　指纹吸收带

　　

　　伸缩振动

　　

　　变形振动

Ｈ － Ｃ － Ｈ １ ４ ５ ０

仪器类型与结构　 types and structure of instruments

两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）

1. 内部结构

Nicolet 公司的AVATAR 360 FT-IR

2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图

干涉仪

光源

样品室 检测器

显示器

绘图仪计算机

干涉图

光谱图

FTS

3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点

光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通过试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变换解析成普通的谱图。

特点： (1) 扫描速度极快 (1s) ；适合仪器联用；

(2) 不需要分光，信号强，灵敏度很高；

(3) 仪器小巧。

二、制样方法 sampling methods

1 ）气体——气体池

2 ）液体：① 液膜法——难挥发液体（ BP》 80C）

② 溶液法——液体池溶剂： CCl4 ， CS2 常用。

3) 固体 :

① 研糊法（液体石腊法）

②KBR 压片法

③ 薄膜法

制样技术 气体样品的处理

制样技术 液体样品和溶液样品的处理 ——液膜法 只要被测液体的沸点不太低，一般都可直接夹在两块

NaCl 盐窗片之间形成液膜进行测定。操作时先用镜头纸蘸取丙酮或乙醇将盐片擦净，再滴上 1—2滴待测液体，盖上另一块同样的盐窗片，形成一个没有气泡的毛细厚度薄膜，用夹具把两个窗片固定住，即可放入仪器光路中进行测试。此法适用于高沸点的液体样品，多用于定性分析。此法也适合于黏糊状液体，但不适合于水或其他对 NaCl 盐片有溶蚀作用的液体。

制样技术 固体样品的处理 压片法 将固体样品与金属卤化物如

KBr、 NaCl、 KCl、 CsI、 KI等一起粉碎研匀，在专门的模具中压成薄片进行测定。其中以 KBr 的应用最为普遍．所以压片法也叫溴化钾压片法。其操作方法为如下：用一玛瑙研钵将 KBr 晶体充分研磨后加入其量百分之一左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀，并使其颗粒大小比所检测的光波长更小（约 2μm 以下）。在一个具有抛光面的金属模具上放一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的粉末移至环中，盖上另一块模具，放入压片机中进行压片。 KBr 压片形成后，用夹具固定进行测试。

仪器操作注意事项 1 需先预热 1 小时以上方可使用； 2 在红外光区使用的光学部件和吸收池的材质是

NaCl晶体，不能受潮，不要用手直接接触盐片表面，不要对着盐片呼吸，避免与吸潮液体或溶剂接触。

3 压片法，样品和 KBr 需在红外灯下烘烤保持干燥。样品中游离水分的存在不仅干扰测定结果的准确性，而且会腐蚀仪器的棱镜、窗片、样品池等机件。

4 制备固体样品时器具的清洗 每次测量后，用脱脂棉或纱布沾上易挥发的溶剂，轻轻地擦拭窗片、压片模具等。常用的溶剂有CCl4、 CS2、 CHCl3等。将器具擦洗干净后，再用红外灯烘干，放人保干器内保存，以免受到腐蚀。

5 乙醇等溶剂一般含水量较多，不宜使用。

3515cm-1

0 ． 01M0． 1M0 ． 25M1． 0M

3640cm-1

3350cm-1

乙醇在四氯化碳中不同浓度的 IR 图

2950cm-1

2895 cm-1

思考题 1 测定红外光谱时 , 试样的材质常用 KBr ，其适用的波长范围为多少？

2 红外光谱分析与质谱、核磁共振相比，对样品要求具有广泛适应性的显著优点是什么？

3 固体样品通常有哪些制样方法，简述之。 4 做红外光谱分析测定的过程中，应注意些什么？

实验报告格式实验目的实验原理 制样方法 仪器操作注意事项思考题

实验二 红外分光光度测定

高俊

实验目的 了解如何从红外谱图中识别基团及如何从这些基团推测化合物的结构

初步掌握付里叶变换光谱仪器的简单操作。

仪器与试剂 仪器 美国尼高力公司 360 型付里叶变换光

谱仪（ FT-IR 仪）及玛瑙研钵、镊子、剪刀、刮勺、 KBr晶体、 KBr 窗片，压片模具等。

试剂 无水乙醇，丙酮，氯仿，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚乙烯膜 CCl4

实验操作规程 打开主机电源，主机进行自检（约 1 分钟），打开 PC 机，进入 windows 操作系统。

由开始菜单中 Thermo Nicolet 或桌面 Omnic 快捷方式进入 Omnic 红外光谱仪测试操作窗口，在实验 Experiment选项中选择样品测试方式。

绘制试样的红外光谱图整个过程包括（ 1 ）设定收集参数；（ 2 ）收集背景；（ 3 ）收集样品图；（ 4 ）对所得试样谱图进行基线校正，标峰等处理；（ 5 ）标准谱库检索；（ 6 ）打印谱图。对一些已知化合物进行标准谱库检索。

收集样品图完成后，即可从样品室中取出样品架。并用浸有无水乙醇的脱脂棉将用过的研钵、镊子、刮刀、压模等清洗干净，置于红外干燥灯下烘干，以备制下一个试样。

实验步骤 1. KBr压片法制备固体聚苯乙烯试样 1） F2 （显示测试对话框） -----Start Background

Measurement 2 ）在样品室中放入样品 3） F2 （显示测试对话框） -----Start Background

Measurement 4） F4 （标峰值） 5） F9 （打印谱图） 6 ）取出样品室中的样品

实验步骤 2、薄膜法制备聚甲基丙烯酸甲酯固体试样 滴两滴聚甲基丙烯酸甲酯的氯仿溶液在 KBr晶

片上，用玻璃棒摊匀，放在红外灯下逐渐挥发溶剂，待溶剂完全挥发后，同法测试

3、 薄膜法制备液体试样 在一块 KBr 盐片上，滴加一滴液体试样，盖上另一块盐片，使两快盐片之间形成一定厚度的液膜，放在池架上，同法测试

4、测定聚乙烯膜的红外光谱图 5、测定未知试样的光谱图 6、实验完毕，用 CCl4 清洗池子干燥后放入干燥器内

实验步骤 7、 解析谱图，其要点为： 1 ）要记住几个常见官能团特征吸收峰的波数范围及特征。例如： -NH， -OH ，≡ CH， =CH， -CH， C=O， C-O ，取代苯等。

2 ）子式计算出不饱和度，不饱和度 U 的计算公式为：U=1+n4+1/2(n3-n1), 式中 n1， n3和 n4 分别为分子式中一价、三价和四价原子的数目。当 U≥4 时，要考虑苯环的存在。结合看图可推出样品是否芳香类，是否含羰基。

3 ）是否含苯环主要观察 3个波数区域： ▲3100~3000cm-1苯环中不饱和碳氢伸缩振动。 ▲1600cm-1、 1580cm-1和 1500cm-1苯环骨架伸缩振动。 ▲900~600cm-1苯环碳氢面外弯曲振动，判断苯环上取代情况。 4 ）观察 4000~1000cm-1 区域有哪些官能团的特征吸收峰。 5 ）如果谱图中在 1850~1600cm-1范围内有明显的 C=O 吸收峰，

可以从吸收峰的位置和其它特征峰的存在来确定样品是醛、酮、酸、酯、酰胺、酰胺、酰氯、酸酐的哪一类化合物。

红外光谱信息区常见的有机化合物基团频率出现的范围： 4000 670 cm-1

依据基团的振动形式，分为四个区：(1)4000 2500 cm-1 X—H 伸缩振动区（ X=O ， N ， C ，S ）(2)2500 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区(3)1900 1200 cm-1

双键伸缩振动区(4)1200 670 cm-1

X—Y 伸缩， X—H 变形振动区

结果处理 1、根据红外特征基团频率，指出已知试样

谱图上基团的频率归纳已知化合物中相同基团出现的频率范围 2、解释谱图中主要吸收峰与官能团的关系，重点写出谱图解析过程。

3、在红外光谱上注出官能团的特征吸收峰。

实验报告格式实验目的 仪器与试剂实验步骤 结果处理思考题