IR spectroscopy 紅外光譜術

紅外光譜術 (infrared spectroscopy)

紅外光譜術(infrared spectroscopy)是用來偵測分子的振動能量(或頻率)的技術，利用紅外光和分子作用所產生的分子振動的原理[分子內的電子被激發後，由於電子雲分布改變，產生分子偶極距(dipole moment)的改變，因此牽動了分子內原子和原子間距離(化學鍵鍵長)以及原子和原子間相對位置(鍵角)的改變]，來記錄分子吸收紅外光之後所呈的振動模式(vibrational modes)，記錄吸收光的相對強度對紅外光波長(λ)所得的圖，即稱為紅外光譜，有時也被稱為分子的指紋，作為鑑定分子之用。一般說來，紅外光的波長範圍指的是λ = 2.5–16 μm(微米)，[註︰λ = 700–2500 nm = 0.7–2.5 μm稱為近紅外光(near infrared); λ = 16–100 μm稱為遠紅外光(far infrared)]為了易於溝通，科學家常用波數(wave number)來代替波長，作為描述分子振動模式之用。[註︰wave number (單位是cm^-1) = 1 / λ(以cm為單位)。]常見的紅外光譜的波數範圍是400–4000 cm^-1。對於含許多原子的分子，其振動模式多，不同的振動模式有疊加或混合的狀況，光譜極為複雜。所幸的是分子內主要官能基的振動波數大多小於1500 cm^-1，因此波數範圍在400–1500 cm^-1常被稱為指紋區，鑑定分子時特別要注意分析這一段光譜。

紅外光源通常利用電阻加熱的金屬絲，再利用光柵裝置即可選擇所要的波長。當分子吸收紅外光之後，會產生擺動(bending)或伸展形振動。擺動形振動涉及鍵角的改變，但不涉及化學鍵長度的改變；伸展形振動不涉及鍵角的改變，但化學鍵長度會增長或變短。分子的振動頻率和(1)涉及的原子的質量及(2)化學鍵的強度有關，通常涉及的原子越小，化學鍵越強，能量(或頻率)越高。此外，伸展形振動也比擺動形振動的能量(或頻率)高。化學鍵的強度可以振動的力常數來考量，化學鍵越強，振動的力常數越大。振動頻率(ν)、力常數(k)和有效質量(μ)有以下的關係︰ν = [1/(2π)][k/μ]^1/2，其中μ= (m_Am_B)/(m_A+m_B)。

有機化合物的官能基所相關的紅外光譜峰位置及可能出現的強度，可參考下表︰

官能基	譜峰位置 / cm^-1	譜峰強度
Alkane, C–H	2850–2960	medium–strong
Alkene, =C–H	3020–3100	medium
Alkene, C=C	1650–1670	medium
Alkyne, ≡C–H	3300	strong
Alkyne, –C≡C–	2100–2260	medium
Alkyl halide, C–Cl	600–800	strong
Alkyl halide, C–Br	500–600	strong
Alkyl halide, C–I	500	strong
Alcohol, O–H	3400–3640	strong and broad
Alcohol, C–O	1050–1150	strong
Aromatic, C–H	3030	medium
Phenyl, CCC	1650, 1500	strong
Amine, N–H	3310–3500	medium
Amine, C–N	1030, 1230	medium
Carbonyl, C=O	1670–1780	strong
Carboxylic, O–H	2250–3100	strong, very broad
Nitrile, C≡N	2210–2260	medium
Nitro compound, NO₂	1540	strong

近年來量子化學計算的發展一日千里，可以精確地預測分子振動頻率，對於紅外光譜線的標定(assignment)有極大的貢獻。

參考資料︰

1. G. Hersberg, “Molecular Spectra and Molecular Structure II. Infrared and Roman Spectra of Polyatomic Molecules”, van Nostrand Reihold Company Inc., New York, 1945.

2. G. Varsanyi, “Assignments for Vibrational Spectra of Seven Hundred Benzene Derivatives”, Wiley, New York, 1974.

背景音樂: [給愛麗絲, 貝多芬]
上次網頁修改日期: 2005/06/02