学习指南

红外光谱法

化学· 第16单元：分析化学导论，学习目标2· 25 分钟阅读

1. 红外吸收的原理★★☆☆☆⏱ 8 min

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📘 定义

红外光谱法

一种利用红外辐射（波数范围 ）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）。

ν~=1λ\tilde{\nu} = \frac{1}{\lambda}

Where = 波数 (), = 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
    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
    1. 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
    1. 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. 4

    因此，只有HBr会吸收红外辐射，N₂不会。

Exam tip:

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。

2. 特征吸收与官能团★★★☆☆⏱ 10 min

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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。

📘 定义

指纹区

红外光谱中介于400 与1500 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。

📐 例题

某未知化合物在1720 处有一个强峰，在3200 – 3600 之间有一个宽峰，在2500 – 3300 之间没有峰。存在哪些官能团？

  1. 1
    1. 1700 – 1750 附近的强峰是C=O（羰基）键的特征。
  2. 2
    1. 3200 – 3600 之间的宽峰对应醇中的O-H键。羧酸的O-H会在2500 – 3300 之间出现非常宽的峰，在此样品中未观察到该峰。
  3. 3
    1. 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. 4

    最终答案：该化合物含有醇羟基和羰基。

3. 利用红外光谱确认有机结构★★★☆☆⏱ 7 min

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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 ）。该化合物的红外光谱在1735 处有一个强峰，在1000 – 1300 之间有一个强峰，在2500 – 3600 之间没有宽峰。这是否支持该学生的推测？

  1. 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
    1. 酯的C=O特征吸收在1730 – 1750 ，与观察到的1735 峰匹配。
  3. 3
    1. C-O键的特征强吸收在1000 – 1300 ，与该范围内观察到的峰匹配。
  4. 4
    1. 2500 – 3600 之间没有宽O-H峰，与乙酸乙酯不含O-H键一致。
  5. 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。

✓ 快速检测

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

    • Peak at 3400

    • Peak at 1200

    • No peak difference

    显示答案
    Peak at 3400 $cm^{-1}$ —

    正确！胺含有N-H键，会在3300-3500 处吸收，而烷烃没有该键。

4. 常见陷阱

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 处的宽峰；羧酸O-H = 2500-3300 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 以上的区域，寻找关键官能团峰

错误做法:

假设~1700 处的峰一定代表羧酸

原因:

所有羰基（酮、醛、酯、羧酸）都在1700 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

5. 速查表

键/官能团

波数范围 ()

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

6. 常见问题

参加CIE 9701考试需要我记住所有波数范围吗？

大多数范围都会在CIE数据手册中提供，但你需要记住O-H、C=O和C-O的关键范围，以便在限时考试中快速答题。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

  • 2022 · 22

    从红外光谱中鉴定酯

  • 2023 · 13

    解释O-H键的红外吸收

  • 2024 · 21

    将光谱与醇的结构匹配

深入阅读

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。