红外光谱图分析|红外光竟然能鉴定物质结构？「问人人知识网」

红外光谱图分析（红外光竟然能鉴定物质结构？）
总的来说，世界上的任何物质都是运动着的，除了人们可以直接观察到的宏观运动，如流动的河水，奔驰的汽车等，构成物质的分子和原子还存在着微观运动，这些运动很难直接观察或捕捉，通常都是以间接的方式被认识和研究的，比如炒菜时满屋飘香（气味分子的扩散运动）。与宏观现象一样，微观世界的物质运动也必然伴随着能量的变化和转移，这些变化直接与电磁波发生联系，可以用简单的关系式，即普朗克定律来表示：

式中
为能量的变换值，h 为普朗克常数，
为电磁波的频率。
电磁波是以波动的形式传播的电磁场。按照波长或频率的顺序把相应的电磁波排列起来，就是电磁波谱（如下图）。依照波长的长短、频率以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波，而本片文章要介绍的就是利用红外辐射的红外光谱分析。

分子在振动运动的同时还存在转动运动，红外吸收光谱是分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级的跃迁）而产生的，实际上是分子的振动与转动运动的加和表现，因此又称为分子振动转动光谱。接下来就让我们踏上旅程，去探索一下红外吸收光谱图的形成过程吧！
和可见光一样，红外辐射可以a、从物质表面反射b、被物质吸收c、穿透物质（如下图）。

物质吸收电磁辐射应满足两个条件：
（1）辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量；
（2）辐射与物质之间有相互作用。
当一定频率（一定能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和红外辐射的频率一样，就满足了第一个条件。为满足第二个条件，分子必须有偶极矩的改变。什么是偶极矩呢？我们知道，任何分子就其整体而言是呈现电中性的，但由于分子中的各个原子因外层电子得失难易表现出不同的电负性，使得分子显示不同的极性。我们通常用偶极矩来表示分子极性的大小（如下图）：

只有发生偶极矩变化的振动才能产生可观测的红外吸收光谱。由于d的瞬时值不断在发生变化，分子的偶极矩百思特网也相应地改变。当一定频率的红外光照射分子时，如果分子百思特网中某个基团的振动频率和它一样，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，增加了基团的振动能，振幅加大，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。

而当使用连续改变频率的红外光照射分子时，如果红外光的振动频率和分子中各基团的振动频率不同，该部分红外光就不会被吸收（如上图）。这样由于通过分子的红外光被吸收的情况不同，在一些波长范围内被部分吸收后变弱，在另一些波长范围内不被吸收，将分子吸收红外光的情况用傅里叶变换红外光谱仪记录下来，就得到该样品的红外吸收光谱图了。下图为傅里叶变换红外光谱仪记录红外谱图过程示意图：

通过这些得到的红外吸收光谱图我们就可以分析物质的结构，获取有用的结构信息。那么具体如何来看？
分子中的原子有两种基本振动形式类型，即伸缩振动和变角振动，其中变角振动又包括弯曲振动和变形振动。如果我们把分子比作用一根弹簧连接的两个刚性小球（如下图），那么弹簧长度就代表化学键的长度。

对于双原子分子来说，只有一种伸缩振动形式，即两个小球在同一直线上来回伸缩；而对于多原子分子，则存在多种振动形式，比如H2O分子的对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲（变形）振动（图1），还有甲基的伸缩振动和不同种类的弯曲（变形）振动（图2）。

图1 水分子的红外谱图

图2 甲基的振动形式