第八章 现代物理实验方法的应用.ppt
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1、第八章第八章现代物理实验方法的应用现代物理实验方法的应用【目的要求】【目的要求】1、了解电磁波谱与分子吸收光谱的关系;2、掌握红外光谱、核磁共振谱的基本原理和应用;3、了解紫外光谱和质谱的基本原理和应用;4、掌握紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱与分子结构的关系;5、能对较简单的红外光谱和核磁共振谱的谱图进行解析。1第一节第一节电磁波谱的一般概念电磁波谱的一般概念第二节第二节紫外和可见吸收光谱紫外和可见吸收光谱第三节第三节红外光谱红外光谱第四节第四节核磁共振谱核磁共振谱第五节第五节质谱质谱教教学学内内容容第八章第八章现代物理实验方法的应用现代物理实验方法的应用 作业:作业:12、13、16、17、
2、18、19。2沈玲制作沈玲制作81 磁波谱的一般概念磁波谱的一般概念 电磁波谱包括一个极广阔的区域。电磁波谱包括一个极广阔的区域。第八章 现代物理实验方法的应用 100nm 200nm 400nm 800nm 20m 500m X射线 远紫外 近紫外 可见光 近红外 远红外 无线电波=c/:频率 单位 赫(Hz)c:速度 3*1010(cm/s):波长(cm)波长愈短,频率愈高,则波长与频率呈反比关系。频率愈高(波长愈短)获得的能量愈大。E=h h=planck常数 6.626*1034J/S E是获得的能量#3沈玲制作沈玲制作第八章 现代物理实验方法的应用 81 电磁波谱的一般概念紫紫外外光
3、光的的波波长长较较短短(一一般般指指100200nm)。能能量量较较高高,当当它它照照射射到到分分子子上上时时,会会引引起起分分子子中中价价电电子能级的跃迁。子能级的跃迁。核核磁磁共共振振谱谱的的能能量量更更低低(一一般般指指60250MHz,波波长约长约105cm)它产生的是原子核自旋能级的跃迁。它产生的是原子核自旋能级的跃迁。红红外外光光的的波波长长较较长长(一一般般指指2.525m),能能量量稍稍低低,它它只只能能引引起起分分子子中中成成键键原原子子的的振振动动和和转转动动能级跃迁。能级跃迁。分子吸收光谱可分为三类:分子吸收光谱可分为三类:1转动光谱转动光谱 2振动光谱振动光谱 3电子光
4、谱电子光谱 4沈玲制作沈玲制作82 紫外和可见吸收光谱紫外和可见吸收光谱1基本原理:分子吸收紫外光,能引起价电基本原理:分子吸收紫外光,能引起价电子的跃迁。子的跃迁。第八章 现代物理实验方法的应用 一、紫外光谱(一、紫外光谱(UV)及其产生及其产生 2电子跃迁及类型电子跃迁及类型*跃迁:跃迁:*:#5沈玲制作沈玲制作第一种方式是第一种方式是n*未共用的未共用的电子激发跃入电子激发跃入*轨道,产生吸轨道,产生吸收带称为收带称为R带,在带,在200nm以上。以上。n电子的跃迁:电子的跃迁:82 紫外和可见吸收光谱一、紫外光谱(UV)及其产生第二种方式是第二种方式是 n*,这种跃这种跃迁所需的能量大
5、于上述的迁所需的能量大于上述的n*,故醇、醚均在远紫外故醇、醚均在远紫外区才出现吸收带。区才出现吸收带。#6沈玲制作沈玲制作二、朗勃特二、朗勃特比尔定律和紫外光谱图:比尔定律和紫外光谱图:1朗勃特朗勃特比尔定律比尔定律82 紫外和可见吸收光谱 吸收光度(吸收度)c:溶液的摩尔浓度(溶液的摩尔浓度(mol/L)L:液层的厚度;液层的厚度;E:吸收系数(消光系数)吸收系数(消光系数)2紫外光谱图紫外光谱图以消光系数或用摩尔消光系数以消光系数或用摩尔消光系数或或log为纵坐标。为纵坐标。以波长(以波长()为横坐标作图得紫外光吸收曲线,为横坐标作图得紫外光吸收曲线,即紫外光谱图。即紫外光谱图。7沈玲制
6、作沈玲制作82 紫外和可见吸收光谱3紫外光谱图中常见的吸收带:紫外光谱图中常见的吸收带:R、A、B、E二、朗勃特比尔定律和紫外光谱图R吸收带为吸收带为n*跃迁所引起的吸收带。如跃迁所引起的吸收带。如C=O、NO2、CHO等。等。特点:吸收强度弱。特点:吸收强度弱。max100(log2),),吸收峰波吸收峰波长一般在长一般在270nm以上。以上。K吸收带为吸收带为*跃迁所引起的吸收带,如共双键。跃迁所引起的吸收带,如共双键。特点:吸收峰很强。特点:吸收峰很强。max1000(log4)。)。B吸收带为苯的吸收带为苯的*跃迁所引起的吸收带。跃迁所引起的吸收带。特特点点:一一宽宽峰峰。其其波波长长
7、在在230nm270nm之之间间,中中心心在在254nm,约为约为204左右。左右。E吸吸收收带带为为把把苯苯环环看看成成乙乙烯烯键键和和共共轭轭乙乙烯烯键键*跃跃迁迁所引起的吸收带。所引起的吸收带。#8沈玲制作沈玲制作82 紫外和可见吸收光谱三、紫外光谱与有机化合物分子结构的关系三、紫外光谱与有机化合物分子结构的关系1紫紫外外光光谱谱适适用用于于具具有有不不饱饱和和结结构构的的有有机机物物,特特别别共共轭轭结结构的化合物。构的化合物。2随随着着共共轭轭体体系系的的增增长长,吸吸收收峰峰的的向向长长波波和和可可见见光光方方向向移动,颜色加深。移动,颜色加深。3在在共共轭轭链链的的一一端端引引入
8、入含含有有未未共共用用电电子子的的基基团团,可可产产生生p-共共轭轭作作用用,吸吸收收峰峰的的向向长长波波和和可可见见光光方方向向移移动动,颜颜色色加加深。深。4一般反式异构体一般反式异构体max的波长大于顺式异构体。的波长大于顺式异构体。助助色色基基:含含有有未未共共用用电电子子的的基基团团如如:NH2、NR2、OH、Cl、Br等等等等。可可产产生生p-共共轭轭作作用用,(形形成成多多电电子共轭体系),常使化合物的颜色加深。子共轭体系),常使化合物的颜色加深。9沈玲制作沈玲制作82 紫外和可见吸收光谱10沈玲制作沈玲制作第八章 现代物理实验方法的应用 83 红外光谱红外光谱红外光谱一、基本原
9、理一、基本原理二、红外光谱谱二、红外光谱谱图的表示方法图的表示方法三、解图注意事项三、解图注意事项四、图解析实例四、图解析实例11沈玲制作沈玲制作1分子的振动类型分子的振动类型伸缩振动伸缩振动弯曲振动弯曲振动机械模型:机械模型:收频率可用波数表示:收频率可用波数表示:=一、基本原理83 红外光谱键长有变化,键角不变。键长不变,键角有变化。12沈玲制作沈玲制作2基本振动数:基本振动数:一个多原子分子可能存在很多振动方式:一个多原子分子可能存在很多振动方式:3产生吸收峰的条件产生吸收峰的条件:只只有有偶偶极极矩矩大大小小或或方方向向有有一一定定改改变变的的振振动动才才能能吸吸收红外光而发生振动能级
10、跃迁。收红外光而发生振动能级跃迁。#一、基本原理83 红外光谱13沈玲制作沈玲制作4红外光谱与有机分子结构的关系:红外光谱与有机分子结构的关系:CH伸缩振动,在波数伸缩振动,在波数28503000cm1间将出现吸收峰。间将出现吸收峰。OH伸缩振动,在波数伸缩振动,在波数25003650cm1间将出现吸收峰。间将出现吸收峰。C=0伸缩振动,在波数伸缩振动,在波数1730cm出现吸收峰出现吸收峰表表8-3红外光谱中的八个重要区段。红外光谱中的八个重要区段。表表8-4一些重要基团的特征频率。一些重要基团的特征频率。吸电基使吸收峰向高频区移动,供电基使吸收峰向低频吸电基使吸收峰向高频区移动,供电基使吸
11、收峰向低频区移动。区移动。而而COH其平均的弯曲振动会在其平均的弯曲振动会在12501500cm1间出现吸收峰间出现吸收峰一、基本原理83 红外光谱14沈玲制作沈玲制作例:例:CH3CH=OC=O1730cm1,CH3(C6H5)C=OC=O1680cm1吸收峰向低波数(低频)方向移动,所以苯基是供电基。吸收峰向低波数(低频)方向移动,所以苯基是供电基。RCH=OC=O1730cm1C=O1800cm1增加,增加,Cl是吸电基(是吸电基(+C-I)。)。C=O16501690cm1降低,降低,NH2是供电基,是供电基,所以所以+C-I。一、基本原理83 红外光谱15沈玲制作沈玲制作二、红外光谱
12、谱图的表示方法二、红外光谱谱图的表示方法1吸收峰的位置吸收峰的位置多用波长(或波数)为横坐标以表示吸收峰的位置。多用波长(或波数)为横坐标以表示吸收峰的位置。波长单位:微米波长单位:微米m。波数(波数()cm1。83 红外光谱2吸收峰的强度吸收峰的强度吸吸收收百百分分率率(A%)为为纵纵坐坐标标表表示示吸吸收收强强度度时时,吸吸收带向上为峰。收带向上为峰。透透射射百百分分率率(T%)为为纵纵坐坐标标表表示示吸吸收收强强度度时时,吸吸收带向下为谷。收带向下为谷。16沈玲制作沈玲制作三、解析谱图注意事项三、解析谱图注意事项83 红外光谱1IR光光谱谱是是测测定定化化合合物物结结构构的的,只只有有分
13、分子子在在振振动动状状态态下下伴伴随随有有偶偶极极矩矩变变化化者者才才能能有有红红外外吸吸收收。对对映映异异构构体体具具有有相相同的光谱,不能用同的光谱,不能用IR光谱来鉴别这类异构体。光谱来鉴别这类异构体。2某某些些吸吸收收峰峰不不存存在在,可可以以确确信信某某某某基基团团不不存存在在(但但处处于于对对称称位位置置的的双双键键或或叁叁键键伸伸缩缩振振动动往往往往也也不不显显吸吸收收峰峰);相相反反,吸吸收收峰峰存存在在并并不不是是该该基基团团存存在在的的确确证证,应应考考虑虑杂杂质质的的干扰。干扰。3在在一一个个光光谱谱图图中中的的所所有有吸吸收收峰峰并并不不能能全全部部指指出出其其归归属属
14、,因因为为有有些些峰峰是是分分子子作作为为一一个个整整体体的的特特征征吸吸收收,而而有有些些峰峰则则是是某某些些峰峰的的倍倍频频或或组组频频,另另外外还还有有些些峰峰是是多多个个基基团团振振动动吸吸收的叠加。收的叠加。17沈玲制作沈玲制作83 红外光谱四、红外光谱图解析实例四、红外光谱图解析实例18沈玲制作沈玲制作83 红外光谱四、红外光谱解析举例19沈玲制作沈玲制作83 红外光谱CH的吸收带较芳烃的的吸收带较芳烃的CH在在较高频率处出现。较高频率处出现。在在2110cm-1处的吸收带(弱)是处的吸收带(弱)是CC的伸缩振动。的伸缩振动。在在1600cm-1处处(弱弱)和和1500cm-1处处
15、(强强)都都是是苯苯核核的的吸吸收收带。带。四、红外光谱解析举例20沈玲制作沈玲制作83 红外光谱图图8-10:某某化化合合物物分分子子式式为为C11H24,其其红红外外光光谱谱如如下下,确确定此化合物的结构。定此化合物的结构。29602930 cm-1处处 和和28702850 cm-1处处 有有强强 吸吸 收收 峰峰,可可 知知 为为CH3和和CH2的的CH不不对对称称伸伸缩缩和和对对称称伸伸缩缩振振动的吸收峰;动的吸收峰;在在13751380cm-1处有甲基特征峰,因此确认为正烷烃;处有甲基特征峰,因此确认为正烷烃;在在14701460cm-1处处和和13801370cm-1处处有有面面
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