8 应用（课件）- 《有机化学》同步教学（高等教育版）

第八章 现代物理实验方法在有机化学中的应用 本章所涉及的物理实验方法有： 紫外光谱（Ultraviolet Spectroscopy,简称UV） 红外光谱(Infrared Spectroscopy,简称IR) 核磁共振谱 (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy,简称NMR) 质谱(Mass Spectroscopy,简称MS) 第一节：电磁波谱的一般概念 一、电磁波的分类 电磁波的波长从10-3nm ~ 1000m,覆盖了非常宽的范围，为了便于研究，根据电磁波的波长大小可以划分几个区域，不同区域的电磁波照射化合物分子时，对应于分子内不同层次的能级跃迁。 表8－1 电磁波分区 区域 波长 原子或分子的跃迁能级 γ射线 10-3---0.1nm 核跃迁 x射线 0.1---10nm 内层电子跃迁 远紫外 10---200nm 中层电子跃迁 紫外 200---400nm 外层（价）电子跃迁 可见光 400---800nm 外层（价）电子跃迁 红外光 0.76—50μm 分子振动与转动跃迁 远红外 50—1000μ m 分子振动与转动跃迁 微波 0.1---100cm 分子转动跃迁 无线电波 1---1000m 核自旋取向跃迁 二、电磁波的性质 1.电磁波的波动性 频率：n＝c /λ n :频率，单位Hz；λ：波长，单位cm； c：速度，３×１０10cm/s 波长愈短，频率愈高． (1)光波波长的单位很多，其换算关系为：1nm =10-7cm=10-3μm (2) 频率的表示法： ① 一种表示法为Hz, 如波长为３００nm的光，它的频率为 n＝c/λ=(3×1010cm/s)/(300×10-7cm)=1015 s-1   ② 一种表示法是用波数． 就是在１cm长度内波的数目． 如３００nm的光的波数为： １／３００×１０－７cm＝33333cm-1 就是３００nm波长的光的波数为33333cm-1. 2.电磁波的粒子性 电磁波具有能量，当分子吸收电磁辐射，就获得能量。获得多少能量决定于辐射的频率。 三、分子吸收光谱的分类 △E＝hn ΔE＝获得的能量；h＝planck常数，6.626×10-34 J.S 分子中有原子与电子。原子、电子都是运动着的物质，都具有能量。在一定的条件下，整个分子有一定的运动状态，具有一定的能量，这种能量是电子运动、原子间的振动、分子转动能量的总和。　　 　E分子=E电子 +E振动 +E转动　　（或E总 =Ee +Ev +Er ） 　 当分子吸收一个具有一定能量的光子时，可以增加原子的转动或振动，或激发电子到较高的能级，但被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能级差恰好相等，才能被吸收，即分子吸收的能量是量子化的。对某一分子来说，它只能吸收某一特定频率的辐射，从而引起分子转动或振动能级的变化，或使电子激发到较高的能级，产生特征的分子光谱。 　　 　　　Δ E分子= E２- E１ = E光子 = hν 　 上述分子中这三种能级（转动、振动和电子的跃迁），以转动能级差最小（约在0.05 – 10 -4 ev）；分子的振动能差约在1 -0.05 ev之间；分子外层电子跃迁的能级差约为20 – 1 ev。 分子吸收光谱可分为三类： 1、转动光谱 在转动光谱中，分子所吸收的光能只引起分子转动能级的变化，即使分子从较低的转动能级激发到较高的转动能级。   转动光谱是由彼此分开的谱线所组成的。    由于分子转动能级之间的能量差很小，所以转动光谱位于电磁波谱中长波部分，即在远红外线及微波区域内。　　 　　根据简单分子的转动光谱可以测定键长和键角，在有机化学中用途不大。 2、振动光谱 在振动光谱中分子所吸收的光能引起振动能级的变化。振动能级之间能量要比同一振动能级中转动能级之间能量差大１００倍左右。 　　振动能级的变化常常伴随转动能级的变化，所以，振动光谱是由一些谱带组成的，它们大多在红外区域内，因此，叫红外光谱。 3、电子光谱 　　 在电子光谱中，分子所吸收的光能使电子激发到较高的电子能级，使电子能级发生变化所需的能量约为使振动能级发生变化所需能量的10-100倍。   　　电子能级发生变化时常常同时发生振动和转动能级的变化。因此，从一个电子能级转变到另一个电子能级时，产生的谱线不是一条，而是无数条。实际上观测到的是一些互相重叠的谱带。 　　在一般情况下，很难决定电子能级的变化究竟相当于哪一个波长，一般是把吸收带中吸收强度最大的波长λmax（最大吸收峰的波长）标出，电子光谱在可见及紫外区域内出现，故电子光谱