PHỔ HẤP THU HỒNG NGOẠI
(INFRARED SPECTROSCOPY – IR)
I-

TIA HỒNG NGOẠI

1-





Phạm vi phổ

Đơn vị bước sóng: nm
Vì bước sóng lớn: dùng số sóng (cm-1)



− 1
= 

(: cm)

2- Định nghĩa

Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nhưng ngắn
hơn tia bức xạ vi ba. Tên "hồng ngoại" = "ngoài mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài
nhất trong ánh sáng thường. Tia hồng ngoại không thể nhìn thấy được bởi mắt thường.

Nguồn phát tia hồng ngoại: mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 0oK đều phát ra tia hồng ngoại

Vùng IR cơ bản
Vùng IR xa

Bước sóng
1.100 - 2.500 nm
 = 2.500-25.000 nm
 > 25.000nm – vi sóng


Hóa phân tích 2

Trần Trung Trực

2


II-

SỰ HẤP THU ÁNH SÁNG HỒNG NGOẠI

A. NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ

Năng lượng của phân tử (gồm hai hay nhiều phân tử tạo nên):

Etoàn phần = Etịnh tiến + E quay + Edao động + Eđiện tử

E = Et + Er+ Ev + Ee
Năng lượng tịnh tiến
Năng lượng quay


động.
 Khi nghiên cứu sự hấp thu của
phân tử trong vùng này ta thu được
phổ dao động – quay

 hàng chục – hàng trăm kcal/mol
 ứng với bức xạ vùng UV-VIS



Năng lượng quay và năng lượng dao động của phân tử chủ yếu do các liên kết:
 C–H
 C–C
 C–O
khi phân tử hấp thu ánh sáng trong vùng IR. Do đó phổ IR còn gọi là phổ dao động – quay.



Hóa phân tích 2

Trần Trung Trực

3


B. CÁC KIỂU DAO ĐỘNG TRONG PHỔ IR
 Phân tử trong phổ IR có 2 loại dao động chính: dao động cơ
bản và dao động nhóm
1- Dao động cơ bản



Dao động biến dạng (bending, )
khoảng cách giữa các nguyên tử không thay đổi
làm thay đổi góc hóa trị giữa các liên kết
Xảy ra ở trong cùng mặt phẳng liên kết hay ngoài mặt
phẳng liên kết

4





2- Dao động nhóm

Khi phân tử nhiều nguyên tử và phức tạp  số lượng dao động cơ bản tăng lên rất nhiều +
tương tác lẫn nhau  làm biến đổi vân hấp thu không tương ứng với dao động cơ bản.
 Dùng dao động nhóm xét đến các dao động cơ bản của các liên kết riêng lẻ và dao động cơ
bản của các nhóm chức độc lập với các dao động khác trong phân tử

Một nhóm chức có thể có rất nhiều kiểu dao động, mỗi kiểu dao động sẽ cho 1 đỉnh hấp
thu trong phổ IR.

Những tần số hấp thu ứng với dao động nhóm rất có ích trong việc nhận ra các nhóm
nguyên tử trong phân tử.



Hóa phân tích 2


polarizability - được quan sát trong phổ Raman).

A. PHỔ RAMAN VÀ PHỔ HỒNG NGOẠI

Một số dao động chỉ là Raman thì một số khác chỉ là Hồng ngoại, tức là một dao động có
thể là Raman hay Hồng ngoại. Tuy nhiên, các dao động hoàn toàn đối xứng thì luôn luôn là
Raman

Một vài dao động vốn yếu trong phổ Hồng ngoại lại mạnh trong phổ Raman (dao động
hóa trị của các liên kết 𝐂 ≡ 𝐂, 𝐂 = 𝐂, 𝐏 = 𝐏, 𝐒 − 𝐒, 𝐂 − 𝐒) .

Dao động Raman là mạnh nếu lien kết là hóa trị, dao động hồng ngoại mạnh nếu lien
kết là ion (O-H, N-H).
Hóa phân tích 2

Trần Trung Trực

6


B. ĐIỀU KIỆN HẤP THU BỨC XẠ HỒNG NGOẠI

Tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong
phân tử) trùng với tần số của bức xạ tới.
hc
 Bức xạ có năng lượng: E = h.  =

+ h: hằng số Planck
+ ν: tần số, đơn vị là s-1 hoặc Hz



D. CƯỜNG ĐỘ VÀ HÌNH DẠNG PHỔ HỒNG NGOẠI

Phổ hấp thu IR là tập hợp các vân phổ biểu diễn sự phụ thuộc độ truyền qua T% vào số sóng.

Năng lượng quay và năng lượng dao động của phân tử chủ yếu do các liên kết C-H, C-C. C-O khi
phân tử hấp thu ánh sáng trong vùng IR – phổ dao động – quay.

Trong phổ hồng ngoại, có thể đo được sự hấp thu ánh sáng hồng ngoại do mẫu như một hảm cảu
tần số.
 Phân tử hấp thu năng lượng E=h từ nguồn IR tại mẫu dịch chuyển dao động.
 Cường độ hấp thụ IR được xác định bằng định luật Lam bert-Beer : I=𝐼0 . 𝑒 −𝑐𝑑 .
+ I0: cường độ chùm ánh sáng tới
+ c: nồng độ của mẫu.
+ I: cường độ chùm ánh sáng truyền qua.
+ d: bề rộng của mẫu.
+ : hệ số hấp thụ phân tử.

Trong phổ hồng ngoại, người ta thường vẽ độ truyền qua phần trăm (T%) theo số sóng
𝐈
( −): 𝑇 = 𝑓( −)., mà: T%= *100



𝐈𝟎

Cường độ hấp thu càng mạnh => T% càng nhỏ (

8





3- Vùng nhân thơm

Có số sóng 910 - 650 cm-1.

chứa các vân hấp thu của dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của liên kết C-H trong
nhân thơm

Một hợp chất có đỉnh hấp thu mạnh trong vùng này đa phần được xem là có nhân thơm
(tuy rằng có vài ngoại lệ)

Ngược lại, một chất không được xem là có nhân thơm nếu không có đỉnh hấp thu mạnh
trong vùng này.
770-730 cm-1
Nhân thơm một lần thế
5H kề nhau
710-690 cm-1
770-350 cm-1
Nhân thơm thế ortho
4H kề nhau
810-750 cm-1
Nhân thơm thế metha
3H kề nhau
710-690 cm-1

chứa các vân hấp thu của dao
động biến dạng ngoài mặt
phẳng của liên kết C-H trong
nhân thơm.

9


F.


BIỆN GIẢI PHỔ IR
Người ta thường chia phổ IR thành 2 phần:
4000 – 1500 cm-1

1500 – 600 cm-1

 thể hiện nhiều kiểu dao động phản ánh tính chất của tòan phân
tử,
 đại diện cho tính chất của hợp chất hữu cơ.
 Vùng này hữu ích khi so sánh phổ của một chất chưa biết với
một chất đã biết nhằm mục đích định tính.

 vùng cho thông tin để xác định các nhóm
chức

Tóm lại, sau khi ghi được phổ IR:
 Sắp xếp các đỉnh hấp thu theo chiều giảm dần của  (số sóng)
 Căn cứ vào cấu trúc dự kiến của một chất, xác định các đỉnh hấp thu tương ứng với kiểu dao động nào
của nhóm chức



Dùng phổ biến trước đây, máy ghi phổ quét từ vùng 4000 cm-1 đến 200 cm-1, nối với bộ tự ghi hay máy vi
tính.



Các bộ phận:
 Đèn nguồn:
+ Phát xạ tia hồng ngoại,
+ gồm có đèn Nernst, đèn Globar, hiện nay còn dùng đèn Ni-Cr

đốt nóng đến 8000C

 Hệ thống quang học:
+ gồm có gương phản xạ, gương quay bán trong suốt
+ để ngắt tia sáng từ nguồn qua mẫu đo và mẫu so sánh theo chu

kỳ quay và lăng kính hay cách tử phản xạ

 Bộ phận phát hiện:
+ là các cặp nhiệt điện hoặc các pin nhiệt điện
+ chuyển đổi tín hiệu quang năng thành tín hiệu điện năng.
+ Sau đó được khuếch đại và tác động lên bộ ghi tín hiệu để nhận được phổ hồng ngoại.

Hóa phân tích 2

Trần Trung Trực

11


-ii- Giao thoa kế Michelson

một)
Gương cố định
hai)
Gương di động
ba)
Bộ tách quang quay theo chu kì

Chế tạo bằng những tinh thể muối khác nhau tùy vùng hồng ngoại.

Vùng cơ bản (4000-400cm-1): bộ tách quang bằng NaCl, KBr, hỗn hợp Ge/CsI.

Hoạt động:
 Bộ tách quang là bộ phận tách chùm bức xạ IR thành 2 thành phần có cường độ bằng nhau. Hai thành
phần này lần lượt đi đến gương cố định + gương di động.
+ Thành phần 1: tia sáng từ bộ tách quang  gương cố định phản xạ lại  bộ tách quang  mẫu.
+ Thành phần 2: tia sáng đi từ bộ tách quang  gương di động phản xạ lại  bộ tách quang  mẫu.
 2 thành phần đi qua mẫu có thời gian trễ khác nhau do quãng đường đi khác nhau  cường độ thay đổi

theo thời gian.
 Kết quả: bộ phận phát hiện ghi nhận sự biến thiên cường độ tia sáng I theo quãng đường di động d của
gương di động hay cách nói khác là hàm của điện thế V (vì bộ phận phát hiện chuyển quang năng thành
điện năng) theo d.
Chuyển: V=f(d)

(𝐹𝑇)

I=f(d-1)=f( −) tức là phổ IR nhờ máy tính.

-i-





Kỹ thuật sandwich (phương pháp Nujol)

trộn mẫu rắn + dầu parafin (nujol)  bùn nhão  ép vào giữa hai bản mỏng KBr.
Phổ sẽ có các đỉnh hấp thu của –C-C- và –C-H- ở 2950, 2850, 1450 và 1350 cm-1.
Để loại những đỉnh này có thể thay parafin bằng hexachlor-butadien

-ii- Kỹ thuật viên nén KBr (phương pháp ép KBr hay film)


trộn đều mẫu đo + KBr theo tỉ lệ ~ 1/10 – 1/100 (tính theo mg) trên cối đá mã não.

Ép thành viên nén có độ dày 0,1 mm trên máy nén thủy lực có bộ phận hút chân không để loại bọt khí

Đá mã não
 Màu xanh rêu/nâu/đỏ….
 Thành phần chính là SiO2
 Độ cứng 7


b. Các bước phân tích:

-i-



2- Mẫu lỏng

Cốc đo là 2 tấm KBr/NaCl/CsBr làm cửa sổ với các vòng đệm là nhựa Teflon bền trong
dung môi.

Mẫu lỏng được nạp vào cốc đo như 1 lớp phim mỏng được kẹp ở giữa có bề dày ~ 0,05
mm.

Có thể hòa tan mẫu lỏng thành dung dịch loãng với dung môi tuyệt đối khan nước và
không hấp thu trong vùng khảo sát (như CCl4, CS2)




3- Mẫu khí

Dùng cốc đo bằng KBr có bộ phân hút chân không với
chiều dài chứa lớp khí là 10 cm cùng các gương phản chiếu
bên trong cốc đo để phản xạ nhiều lần ánh sáng IR đi qua mẫu
(với mục đích gia tăng đường đi của ánh sáng IR qua mẫu khí vì
nồng độ các phân tử ở dạng khí rất loãng)


VI-

ỨNG DỤNG CỦA PHỔ HỒNG NGOẠI

1- Tìm nhóm chức và giải thích cấu trúc phân tử.

Trước khi ghi phổ IR, người ta sẽ thu thập thông tin về chất hoặc hợp chất cần nghiên cứu:

NĂNG LƯỢNG CỦA PHÂN TỬ ............................................................................................................. 3

B.

CÁC KIỂU DAO ĐỘNG TRONG PHỔ IR .............................................................................................. 4
1- Dao động cơ bản ...................................................................................................................................... 4
2- Dao động nhóm ....................................................................................................................................... 5

III- PHỔ HỒNG NGOẠI ..................................................................................................................................... 6
A.

PHỔ RAMAN VÀ PHỔ HỒNG NGOẠI .................................................................................................. 6

B.

ĐIỀU KIỆN HẤP THU BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ................................................................................... 7

C.

MOMEN LƯỠNG CỰC ............................................................................................................................ 7
1- Điều kiện để có momen lưỡng cực .......................................................................................................... 7
2- Độ phân cực – Polarizability ................................................................................................................... 7

D.

CƯỜNG ĐỘ VÀ HÌNH DẠNG PHỔ HỒNG NGOẠI ............................................................................. 8

E.

PHÂN VÙNG PHỔ IR .............................................................................................................................. 8


15


V- CHUẨN BỊ MẪU ĐO.................................................................................................................................. 13
1-

Mẫu rắn ................................................................................................................................................ 13
a.

Các kĩ thuật....................................................................................................................................... 13
-i- Kỹ thuật sandwich (phương pháp Nujol) ....................................................................................... 13
-ii-

b.

Kỹ thuật viên nén KBr (phương pháp ép KBr hay film) ............................................................ 13

Các bước phân tích: .......................................................................................................................... 13
-i- Chuẩn bị viên KBr.......................................................................................................................... 13
-ii-

Để vào máy đo ............................................................................................................................ 13

2-

Mẫu lỏng .............................................................................................................................................. 14

3-