紅外分光光度法
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紅外光譜學(xué)是光譜學(xué)中研究電磁光譜紅外部分的分支。它包括了許多技術(shù)，到目前為止最常用的是吸收光譜學(xué)。同所有的分光鏡技術(shù)一樣，它可以被用來(lái)鑒別一種化合物和研究樣品的成分。紅外光譜學(xué)相關(guān)表見(jiàn)于文獻(xiàn)，方便查找。
目錄 |
理論
化學(xué)鍵的振動(dòng)是量子化的。分子會(huì)吸收特定頻率的紅外線(xiàn)，使化學(xué)鍵由振動(dòng)基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)（通常是第一激發(fā)態(tài)）。在通常狀態(tài)下，分子的所有共價(jià)鍵幾乎全部處于振動(dòng)的基態(tài)。化學(xué)鍵的振動(dòng)可用簡(jiǎn)諧振子近似，所以欲使化學(xué)鍵振動(dòng)能級(jí)發(fā)生改變，吸收光的頻率應(yīng)為：
其中π為圓周率，c為真空中光速，k為化學(xué)鍵的“勁度系數(shù)”，μ為約化質(zhì)量。約化質(zhì)量由下式給出：
其中mA和mB分別為成鍵原子A和B的質(zhì)量。不同的化學(xué)鍵，隨著成鍵原子的不同，約化質(zhì)量也會(huì)不同；而即使對(duì)于相同的成鍵原子，由于化學(xué)鍵性質(zhì)不同（比如碳碳雙鍵和碳碳單鍵），其“勁度系數(shù)”也會(huì)不同。故而不同化學(xué)鍵會(huì)有不同的特征頻率。
一個(gè)分子的總自由度為3N（N為分子中原子的數(shù)量）。其中平移自由度為3，分別對(duì)應(yīng)對(duì)于x、y和z三個(gè)方向；同樣的，旋轉(zhuǎn)自由度亦為3。所以對(duì)于非線(xiàn)型分子，其振動(dòng)模式（vibrational mode）的數(shù)量為3N-6。由于繞鍵軸旋轉(zhuǎn)不計(jì)入旋轉(zhuǎn)自由度，對(duì)于線(xiàn)型分子，振動(dòng)模式的數(shù)量為3N-5。簡(jiǎn)單的雙原子分子只有一種振動(dòng)模式，那就是伸縮。更復(fù)雜的分子，其振動(dòng)方式也更為復(fù)雜。例如亞甲基中的碳?xì)滏I，就可以以 “對(duì)稱(chēng)伸縮”、“非對(duì)稱(chēng)伸縮”、“剪刀式擺動(dòng)”、“左右搖擺”、“上下?lián)u擺”和“扭擺”六種方式振動(dòng)（見(jiàn)下圖）。
對(duì)稱(chēng)伸縮
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非對(duì)稱(chēng)伸縮
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剪刀式擺動(dòng)
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左右搖擺
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上下?lián)u擺
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扭擺
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一般地，紅外光譜上的信號(hào)數(shù)量應(yīng)與分子的振動(dòng)模式數(shù)量相同，但分子的振動(dòng)模式若為紅外活躍，必須能使分子偶極矩改變；所以并不是所有的振動(dòng)模式都能在紅外光譜中被觀察到。此外，不同振動(dòng)模式之間可以耦合，并在紅外光譜上顯示信號(hào)。
測(cè)量樣品時(shí)，一束紅外光穿過(guò)樣品，各個(gè)波長(zhǎng)上的能量吸收被記錄下來(lái)。這可以由連續(xù)改變使用的單色波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用傅立葉變換來(lái)一次測(cè)量所有的波長(zhǎng)。這樣的話(huà)，透射光譜或吸收光譜或被記錄下來(lái)，顯示出被樣品紅外吸收的波長(zhǎng)，從而可以分析出樣品中包含的化學(xué)鍵。
這種技術(shù)專(zhuān)門(mén)用在共價(jià)鍵的分析。如果樣品的紅外活躍鍵少、純度高，得到的光譜會(huì)相當(dāng)清晰，效果好。更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致更多的鍵吸收，從而得到復(fù)雜的光譜。但是，這項(xiàng)技術(shù)還是用在了非常復(fù)雜的混合物的定性研究當(dāng)中。
樣品制備
固態(tài)樣品可溶解于有機(jī)溶劑如二氯甲烷、氯仿或甲苯中，獲取光譜前先掃描相應(yīng)的純?nèi)軇┇@得背景光譜，再掃描含有樣品的溶液，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理即可獲得樣品的紅外光譜。也可將樣品與礦物油混合研磨制成糊狀物進(jìn)行掃描。還可以將樣品與溴化鉀研碎混合充分混合后壓片進(jìn)行掃描。 液態(tài)樣品可以直接通過(guò)掃描獲取紅外光譜，也可以制成溶液后進(jìn)行掃描。
典型方法
在有機(jī)分子中吸收鍵的總結(jié)
運(yùn)用
傅立葉變化紅外光譜學(xué)
另見(jiàn)
紅外光譜學(xué)相關(guān)表
外部鍵接
參考來(lái)源
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