# 红外光谱法

> 化学 · CIE A-Level
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u16-infra-red-spectroscopy/

本模块讲解红外（IR）光谱法的原理，这是用于鉴定有机分子中共价键和官能团的核心分析技术。你将学习如何解析红外光谱，以便应对CIE考试中确认有机结构的题目。

**先修:** [有机官能团与共价键](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u10-functional-groups/); [电磁波谱基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u1-electromagnetic-radiation/)

## 学习目标

- 解释共价键吸收红外辐射的机理
- 根据特征红外吸收波数鉴定常见官能团
- 解析红外光谱以确认有机化合物的结构

## 红外吸收的原理

**红外光谱法** — 一种利用红外辐射（波数范围 $400-4000 cm^{-1}$）鉴定共价键的分析技术。只有振动时偶极矩发生变化的键才会吸收红外辐射。

*例:* O-H、C=O等极性键会强烈吸收红外，而O=O等非极性键完全不吸收。

当红外辐射穿过样品时，键会在与其固有振动频率匹配的特定波数处吸收能量。红外光谱以纵坐标表示辐射的透过率百分比，横坐标表示波数（从左到右递减）。

$$\tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda}$$

Where $\tilde{\nu}$ = 波数 ($cm^{-1}$), $\lambda$ = 辐射波长 (cm).

**例题:** 解释为什么N₂气体不吸收红外辐射，而HBr可以。

1. 1. 只有当键振动导致分子的净偶极矩发生变化时，才会发生红外吸收。
2. 2. N₂含非极性N≡N键；对称伸缩不会改变偶极矩（偶极矩始终为零）。
3. 3. HBr含极性H-Br键；伸缩会改变部分电荷之间的距离，因此振动过程中净偶极矩会发生变化。
4. 因此，只有HBr会吸收红外辐射，N₂不会。

> **考试提示:** 极性越强的键产生的吸收峰越强越清晰，非极性键产生的峰很弱甚至没有峰。

*计算器:* forbidden

## 特征吸收与官能团

每种共价键都在狭窄、特征的波数范围内吸收红外，该范围几乎不受分子其余部分的影响。因此可以直接从红外光谱中鉴定官能团。

**指纹区** — 红外光谱中介于400 $cm^{-1}$ 与1500 $cm^{-1}$之间的区域，包含整个分子弯曲振动产生的独特吸收。没有两种不同化合物的指纹区完全相同。

*例:* 用于确认未知化合物是否与已知参考样品匹配。

> **tip**
>
> 在CIE考试中，始终先分析1500 $cm^{-1}$以上的区域来鉴定官能团；指纹区仅用于最终确认化合物身份。

**例题:** 某未知化合物在1720 $cm^{-1}$处有一个强峰，在3200 – 3600 $cm^{-1}$之间有一个宽峰，在2500 – 3300 $cm^{-1}$之间没有峰。存在哪些官能团？

1. 1. 1700 – 1750 $cm^{-1}$附近的强峰是C=O（羰基）键的特征。
2. 2. 3200 – 3600 $cm^{-1}$之间的宽峰对应醇中的O-H键。羧酸的O-H会在2500 – 3300 $cm^{-1}$之间出现非常宽的峰，在此样品中未观察到该峰。
3. 3. 羰基峰与醇O-H峰的组合说明化合物同时含有羟基和羰基，例如羟基酮或羟基羧酸（由于低波数处没有宽O-H峰，因此排除简单羧酸）。
4. 最终答案：该化合物含有醇羟基和羰基。

*计算器:* forbidden

## 利用红外光谱确认有机结构

在大多数CIE考试题目中，你会得到未知化合物的推测结构，要求你利用红外光谱确认该结构是否正确。很少需要你仅从红外光谱推断出完整的未知结构。

**例题:** 某学生推测未知化合物是乙酸乙酯（酯，分子式 $CH_3COOCH_2CH_3$）。该化合物的红外光谱在1735 $cm^{-1}$处有一个强峰，在1000 – 1300 $cm^{-1}$之间有一个强峰，在2500 – 3600 $cm^{-1}$之间没有宽峰。这是否支持该学生的推测？

1. 1. 乙酸乙酯是酯，因此含有C=O键和C-O键，不含O-H或N-H键。
2. 2. 酯的C=O特征吸收在1730 – 1750 $cm^{-1}$，与观察到的1735 $cm^{-1}$峰匹配。
3. 3. C-O键的特征强吸收在1000 – 1300 $cm^{-1}$，与该范围内观察到的峰匹配。
4. 4. 2500 – 3600 $cm^{-1}$之间没有宽O-H峰，与乙酸乙酯不含O-H键一致。
5. 所有观察到的吸收都与推测结构匹配，因此支持该学生的推测。

**概念自测**

测试你对关键峰的理解：

1. 下列哪个峰你会在胺中看到，而在烷烃中看不到？

   - Peak at 1700 $cm^{-1}$
   - Peak at 3400 $cm^{-1}$
   - Peak at 1200 $cm^{-1}$
   - No peak difference

   *解析:* 正确！胺含有N-H键，会在3300-3500 $cm^{-1}$处吸收，而烷烃没有该键。

*计算器:* forbidden

## 常见错误

- **错误做法:** 混淆羧酸和醇的O-H峰位置
  - 原因: 两者都有宽的O-H峰，但它们出现在截然不同的波数范围
  - 正确做法: 醇O-H = 3200-3600 $cm^{-1}$处的宽峰；羧酸O-H = 2500-3300 $cm^{-1}$处的极宽峰
- **错误做法:** 声称所有共价键都吸收红外辐射
  - 原因: 只有振动时偶极矩发生变化的键才会吸收红外
  - 正确做法: O=O、N≡N这类非极性键不吸收红外辐射，因为它们的振动不会改变偶极矩
- **错误做法:** 试图先从指纹区鉴定官能团
  - 原因: 指纹区有许多来自全分子振动的重叠峰，很难鉴定官能团
  - 正确做法: 始终先分析1500 $cm^{-1}$以上的区域，寻找关键官能团峰
- **错误做法:** 假设~1700 $cm^{-1}$处的峰一定代表羧酸
  - 原因: 所有羰基（酮、醛、酯、羧酸）都在1700 $cm^{-1}$附近有C=O峰
  - 正确做法: 检查其他峰（羧酸的O-H、酯的C-O）来区分不同羰基官能团

## 速查表

| 键/官能团 | 波数范围 ($cm^{-1}$) | 峰特征 |
| --- | --- | --- |
| （氢键键合的醇）O-H | 3200 – 3600 | 宽峰 |
| （羧酸）O-H | 2500 – 3300 | 极宽峰 |
| （所有羰基）C=O | 1640 – 1750 | 强峰 |
| C-O | 1000 – 1300 | 强峰 |
| （胺/酰胺）N-H | 3300 – 3500 | 中等强度，尖锐 |
| （烯烃）C=C | 1620 – 1680 | 弱峰 |

## 下一步

红外光谱法是确认有机官能团的核心技术，几乎总是与其他分析方法结合使用，以确定未知化合物的完整结构。掌握红外峰解析对于CIE A-Level化学的实践评估和笔试题都至关重要。接下来，你可以学习大纲中其他关键分析技术，从而全面掌握结构测定。

- [色谱法基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u16-chromatography-basics/)
- [进阶化学能量学](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u17-overview/)
- [晶格焓](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9701-u17-lattice-enthalpy/)

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