Đề tai Phương pháp phổ hồng ngoại và ứng dụng trong thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
-----(((((-----

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM

MÔN: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM
Đề Tài: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỤC PHẨM

Thành phố Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

A.
B.
I.
II.

Lời mở đầu
NỘI DUNG
NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI:
ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI:
2.1 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:

3
4
4
5
5

2.2 Sự quay của phân tử và phổ quay:
6
2.3 Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử:
8
2.4 Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử:
12
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm:
17
2.5.1 Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử :
17
2.5.2 Ảnh hưởng do tương tác giữa các phân tử:
18
2.6 Cường độ và hình dạng của vân phổ hồng ngoại:
19
2.7 Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản:
20
III.
HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ VÔ CƠ
21
3.1 Tần số hấp thu của hydrocarbon:
21
3.2 Tần số hấp thu của Alcohol và phenol:
26
3.3 Tần số hấp thu của ether, epoxide và peroxide:
28
3.4 Tần số hấp thu của hợp chất carbonyl:
29
3.5 Tần số hấp thu của hợp chất Nitrogen:
33
3.6 Tần số hấp thu của hợp chất chứa phosphor:

35
3.7 Tần số hấp thu của hợp chất chứa lưu huỳnh:
36
3.8 Tần số hấp thu của hợp chất chứa nối đôi liền nhau:
36
3.9 Tần số hấp thu của hợp chất chứa halogenur:
37
IV.
KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ
HỒNG NGOẠI:
38
4.1 Máy quang phổ IR:
38
4.2 Cách chuẩn bị mẫu:
40
4.3 Ứng dụng:
41
4.3.1 Đồng nhất các chất:
41
4.3.2 Xác định cấu trúc phân tử:
42
4.3.3 Nghiên cứu động học phản ứng:
42
4.3.4 Nhận biết các chất:
42
4.3.5 Xác định độ tinh khiết:
42
4.3.6 Suy đoán về tính đối xứng của phân tử:
43
4.3.7 Phân tích định lượng:

43
V. ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM:
44
PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH
45
5.1
Nước:
45
5.2
Protein :
45
5.3 Lipid:
46
5.4 Glucid:
46
5.5 Chất xơ :
47
5.6 một số ứng dụng khác:
47
VI. NHỮNG LOẠI MÁY QUANG PHỔ TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY:
48
6.1 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier:
48

2


6.2 Máy quang phổ hồng ngoại gần (FT-NIR):
C.
KẾT LUẬN

D.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

3

49
50
51


A. Lời mở đầầu
Hóa học phân tích là một phần của khoa học hóa học, phân tích thực phẩm là một bộ môn
thuộc phân tích các mẫu, đặc biệt là các mẫu thực phẩm cho phép ta xác định nhanh chóng các mẫu
phân tích chứa hàm lượng rất nhỏ với độ chính xác cao. Để phân tích thực phẩm như ngày nay người
ta sử dụng rất nhiều phương pháp như: phân tích sắc ký, phương pháp điện thế, phương pháp
quang…Trong đó phương pháp quang là phương pháp được sử dụng phổ biến bởi kỹ thuật này

được coi là sạch và tốt vì không sử dụng hoá chất, không ảnh hưởng sức khoẻ và an
toàn cho người phân tích. Một trong những phương pháp quang được sử dụng thì phổ
hồng ngoại là một trong những phương pháp quang phổ hấp thu phân tử.
Phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả và đã trải
qua ba thập kỷ qua. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại
vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử,
phương pháp quang vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không
đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp
chấp hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng
ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc dao động và xuất hiện dải
phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như trong Y học, Hóa Học, Thực
phẩm,…nghiên cứu cấu trúc các hợp chất vô cơ, hữu cơ, phức chất và trong thực tế sản xuất. Đặc biệt

trong lĩnh vực thực phẩm phổ biến người ta sử dụng phổ hồng ngoại để phân tích dư lượng axit

amin trong protein, đánh giá chất lượng của chất béo, protein thành phần của các sản
phẩm sữa và hạt. Phân biệt giữa bột cá, bột thịt, bột đậu nành có trong mẫu. Phân tích
thành phần hóa học các sản phẩm thực phẩm như phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò…
Nhằm có cái nhìn tổng quát về các phương pháp phân tích cũng như cung cấp
cho chúng ta một công cụ hữu hiệu trong học tập và nghiên cứu về môn phân tích thực
phẩm nên nhóm đã chọn đề tài: “Phương pháp phổ hồng ngoại và ứng dụng trong
thực phẩm” để tìm hiểu về nguyên tắc phân tích nhờ phổ hồng ngoại và những ứng
dụng của nó trong kỹ thuật phân tích hàm lượng các chất.
Để có thể hoàn thành tốt bài tiểu luận này, nhóm em chân thành cảm ơn nhà trường
đã tạo điều kiện cơ sở vật chất cho nhóm làm việc, thầy Nguyễn Khắc Kiệm đã chỉ
dẫn và cung cấp tài liệu cũng như phương pháp làm bài cho nhóm.
Tuy đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những sai sót về nội dung cũng như
hình thức. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân thành từ cô và các bạn!

4


B. NỘI DUNG
I.

NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI:

Năm 1800, William Hershel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nhiệt ở ngoài vùng phổ
của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên cho nó là bức xạ hồng ngoại (Infrared - IR). Đây là dải
bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng từ 0,75 đến 1000 nm và ông cũng đã chứng minh
được rằng bức xạ này tuân theo những qui luật của ánh sáng nhìn thấy. Kể từ mốc lịch sử đó
đến nay, trong lĩnh vực này nhân loại đã đạt được những bước phát triển đáng kể.
Về nguồn phát xạ: Vào nửa đầu thế kỷ 19 đã tìm ra những định luật đầu tiên về bức xạ

nhiệt, đầu thế kỷ 20 đã hoàn thành các qui luật của bức xạ không kết hợp. Trong những năm
1920-1930 đã tạo ra các nguồn IR nhân tạo, phát hiện ra hiệu ứng điện phát quang làm cơ sở
để tạo ra các nguồn phát xạ IR (các diodes phát quang).
Về detectors (dùng để phát hiện IR): Năm 1830 các detectors đầu tiên theo nguyên lý
cặp nhiệt điện (thermopile) ra đời. Năm 1880 ra đời quang trở cho phép tăng đáng kể độ nhạy
phát hiện IR. Từ năm 1870 đến 1920, các detectors lượng tử đầu tiên theo nguyên lý tương tác
bức xạ với vật liệu ra đời (với các detectors này bức xạ được chuyển đổi trực tiếp sang tín
hiệu điện chứ không phải thông qua hiệu ứng nhiệt do bức xạ sinh ra). Từ năm 1930-1944
phát triển các detectors sulfure chì (PbS) phục vụ chủ yếu cho các nhu cầu quân sự. Từ năm
1930-1950 khai thác vùng IR từ 3 đến 5 mm bằng các detectors Antimonium d ’Indium
(InSb) và từ 1960 bắt đầu khai thác vùng IR từ 8 đến 14 mm bằng các detectors Tellure de
Cadmium Mercure (HgTeCd).
Trên thế giới IR đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực: Như ứng dụng trong chế tạo các
thiết bị quang điện tử trong đo lường - kiểm tra trong lĩnh vực thực phẩm, các thiết bị chẩn
đoán và điều trị trong y tế, trong các hệ thống truyền thông, các hệ chỉ thị mục tiêu trong thiên
văn, trong điều khiển các thiết bị vũ trụ và trong những năm gần đây, chúng còn được sử dụng
để thăm dò tài nguyên thiên nhiên của trái đất và các hành tinh khác, để bảo vệ môi trường.
Đặc biệt, nó có những ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực quân sự. Các ứng dụng quân sự
của IR đòi hỏi các detectors phải có độ nhậy cao, đáp ứng nhanh, phải mở rộng dải phổ làm
việc của detectors và dải truyền qua của vật liệu quang học. Cuối chiến tranh thế giới lần thứ
hai nhờ ứng dụng IR người ta đã chế tạo được bom quang - điện tự điều khiển, các hệ thống
điều khiển hỏa lực trên cơ sở biến đổi quang - điện, các thiết bị nhìn đêm cho vũ khí bộ binh,
các bộ điện đàm IR và sau thế chiến lần thứ hai đã tạo ra nhiều hệ thống điều khiển tên lửa
không đối không, không đối đất, đất đối không...
Ở nước ta hiện nay, lĩnh vực này đã được một số cơ quan khoa học trong đó có Viện nghiên
cứu ứng dụng công nghệ, tiếp cận, nghiên cứu từ cuối những năm 60 của thế kỷ 20. Và đặc biệt, hiện
nay phổ hồng ngoại đang được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực thực phẩm…

II.

ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI:

Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu
quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những
phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv…) là phương pháp
này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức
tạp.
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc
bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hợp chất hoá học dao
động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm chức đặc trưng
và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi vậy phổ hồng ngoại của một hợp chất hoá học
coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận dạng chúng.
5


Phổ hấp thu hồng ngoại là phổ dao động quay vì khi hấp thu bức xạ hồng ngoại
thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích. Bức xạ hồng
ngoại có độ dài sóng từ 0,8 đến 1000µm và chia thành ba vùng:
1- Cận hồng ngoại ( near infrared)

λ = 0,8 – 2,5µm

2- Trung hồng ngoại ( medium infrared)

λ = 2,5 – 50µm

3- Viễn hồng ngoại ( far infrared)

λ = 50 - 100µm

Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T%, trục
hoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần ( 4000 – 400 cm-1).
2.1 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:
Không phải bất kỳ phần tử nào cũng có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Mặt khác bản thân sự hấp thụ đó cũng có tính chất chọn lọc. Để một phần tử có thể hấp thụ bức xạ
hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:
* Độ dài sóng chính xác của bức xạ:
Một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần
phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) dao động cùng tần số
của bức xạ tới.
Ví dụ: Tần số dao động tự nhiên của phân tử HCl là 8,7.1013s-1

13

8,7 x10
  10 2890cm
3.10

1

Ứng với:

Thực nghiệm cho thấy rằng khi
cho các bức xạ hồng ngoại chiếu qua
mẫu HCl và phân tích bức xạ truyền
qua bằng một quang phổ kế hồng
ngoại, người ta nhận thấy rằng phần bức xạ có tần số 8,7.1013s-1 đã bị hấp thụ, trong khi các tần số
khác được truyền qua. Vậy tần số 8,7.1013s-1 là tần số đặc trưng cho phân tử HCl. Sau khi hấp thụ
bước sóng chính xác của bức xạ hồng ngoại (năng lượng bức xạ hồng ngoại đã bị tiêu tốn) phân tử

dao động có biên độ tăng lên. Điều kiện này chỉ áp dụng chặt chẽ cho phân tử thực hiện chuyển động
dao động điều hoà.
* Lưỡng cực điện:
Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sự biến thiên
momen lưỡng cực của chúng. Một phân tử được gọi là có lưỡng cực điện khi ở các nguyên tử thành
phần của nó có điện tích (+) và điện tích (-) rõ rệt.
Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường (như khi phân tử được giữ trong một
dòng IR), điện trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử. Các điện tích ngược
nhau sẽ chịu các lực theo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến sự tách biệt hai cực tăng hoặc giảm.Vì
điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ phân cực của chúng một cách tuần hoàn, khoảng
cách giữa các nguyên tử tích điện của phân tử cũng thay đổi một cách tuần hoàn.
Khi các nguyên tử tích điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụ bức xạ mạnh và sẽ
có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử
nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu.Theo điều kiện này thì các phần tử có 2 nguyên tử giống nhau
sẽ không xuất hiện phổ dao động. Ví dụ O2, N2 v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại. Đó
cũng là một điều may mắn, nếu không người ta phải đuổi hết không khí ra khỏi máy quang phổ kế
hồng ngoại. Tuy nhiên trong không khí có CO2 và hơi nước (H2O) có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại
6


nhưng điều này có thể bù trừ được bằng thiết bị thích hợp.

2.2 Sự quay của phân tử và phổ quay:
Xét phân tử AB được tạo thành từ hai nguyên tử A và B có khối lượng m1 và m2,
xem khối lượng m1 và m2 đặt tại tâm của hai hạt nhân với khoảng cách của hai nhân là
r0. Hai nguyên tử được xem là nối cứng vào nhau và được gọi là một “ quay tử cứng”.
Dưới dạng quay tử cứng, phân tử có khả năng quay xung quang những trục đi qua
trọng tâm của hệ, cách các tâm hạt nhân các khoảng r1 và r2 .

Hình 1: Mô
hình quay tử
cứng phân tử
hai nguyên
tử
Momen quán tính I của quay tử được xác định:
mm
(1)
I m1r12  m2 r22  1 2 ro2 ro2
m1  m2
µ được gọi là khối
lượng rút gọn của phân tử:
1
1m m 1
hoặc (2)
  1 2
m22
m11  m
Sự quay của quay tử cứng được  m
xem tương đương với sự quay của khối lượng rút gọn µ đặt cách trục quay một khoảng
r0. Theo cơ học lượng tử, năng lượng chuyển động quay của phân tử hai nguyên tử
được xác định bằng biểu thức:
(3)
h2
Eq  2 J ( J  1)
8 I
J là số lượng tử quay, có giá
trị bằng không hoặc nguyên dương ( J= 0,1,2,3…). Đại lượng (h/8π2I) được gọi là
hằng số quay và được kí hiệu là B. Biểu thức (3) trở thành:
Eq hBJ ( J  1)

(4)
Hệ thức (4) cho thấy năng lượng quay tỉ lệ nghịch với momen quán tính I và các
mức năng lượng quay ứng với J càng lớn thì càng cách xa nhau:
J
J(J+1)
Eq hBJ ( J  1)

0
1
0

1
2
2hB

2
6
6hB

7

3
12
12hB

4
20
20hB

5

30
30hB


Một số mức năng lượng quay thấp của phân tử hai nguyên tử và các chuyển dịch
cho phép đựơc trình bày trong hình 2a sau:

Hình 2:
a. Một số
mức quay
thấp của
phân tử
hai
nguyên tử và các chuyển dịch được phép giữa chúng
b. Sơ đồ phổ quay với chuyển mức 0  1
Phổ quay của phân tử được phát sinh do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng
quay. Đối với quang phổ quay thuần tuý của phân tử hai nguyên tử, sự chuyển dịch
tuân theo qui tắc chọn lọc:
J 1

(+1: hấp thu, -1: phát xạ)

Theo mô hình cứng, phổ quay của phân tử hai nguyên tử là một dãy vạch đều
nhau với tần số:
2B (01); 4B( 12) ; 6B( 23)…
Người ta thu được phổ quay của phân tử khi dùng bức xạ hồng ngoại xa hoặc vi
sóng tác động lên mẫu khảo sát. Các phổ quay có thể giúp nhận dạng các chất và cho
phép xác định khoảng cách giữa các hạt nhân nguyên tử và góc giữa các liên kết đối
với các phân tử đơn giản, momen lưỡng cực điện của nhiều phân tử…
Phổ vi sóng cho độ chính xác cao hơn nhiều so với phổ hồng ngoại xa, nhưng

việc nghiên cứu trong vùng phổ vi sóng gặp phải hai hạn chế:
Thứ nhất, mẫu phải được chuyển thành trạng thái khí với áp suất không dưới
10 mmHg
-3

Thứ hai, để hấp thu bức xạ vi sóng, phân tử phải có momen lưỡng cực ở trạng
thái cơ bản, bởi vì sự quay tự nó không tạo ra được momen lưỡng cực. Để nghiên cứu
những phân tử không có momen lưỡng cực như O2, N2… người ta dùng phổ quay
khuyếch tán tổ hợp.
Các phổ quay thực nghiệm cho thấy các khoảng cách (2B, 4B…) giữa các vạch
không hoàn toàn bằng nhau, do phân tử khi quay thì khoảng cách giữa hai nguyên tử
cũng dao động cách xa nhau chứ không cố định như giả thiết tính toán.
2.3 Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử:
Sự xuất hiện của quang phổ dao động:

8


Dao động của phân tử gồm hai nguyên tử là dao động giãn và nén dọc theo trục
liên kết của hai nguyên tử, được gọi là dao động giãn (stretching) hay dao động hoá trị.
Kết quả của dao động này là làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân
tử.
Trước hết chúng ta cũng xét trường hợp phân tử AB được tạo thành từ hai nguyên
tử A và B. A và B được xem như hai quả cầu khối lượng mA, mB nối với nhau bởi một
lò xo. Khoảng cách giữa tâm A và tâm B ở vị trí cân bằng là r 0. Nếu giữ chặt một quả
cầu còn quả kia ép lại rồi bỏ tay ra thì quả cầu thứ hai sẽ dao động quanh vị trí cân
bằng ban đầu với một độ lệch ∆r. Trong hệ sẽ xuất hiện một lực luôn luôn có khuynh
hướng kéo chúng về vị trí cân bằng gọi là lực hồi phục, kí hiệu là F.
ﾧﾧ

Bài
toán dao
động như
trên
có
thể đưa
về trường
hợp bài
toán tính dao động của một điểm động và một điểm tĩnh (được gọi là một hệ dao động
tử) và có thể xảy ra với biên độ dao động không đổi (dao động điều hoà) hoặc biên độ
dao động thay đổi (dao động không điều hoà)
Dao động điều hoà:
Trong trường hợp này, lực hồi phục F tỉ lệ với biên độ ∆r:
F = - k∆r (5)
k - hệ số tỉ lệ, được gọi là hằng số lực hay hằng số lực hoá trị ; dấu trừ cho biết
lực F hưóng ngược với chiều chuyển động.
Thực hiện quá trình tính toán theo cơ học, người ta chứng minh được rằng dao
động điều hoà trên có tần số dao động vdđ được xác định như sau:
vdđ 

Với µ là khối lượng thu gọn
của hai quả cầu nối trên

1
2

k

(6)



Biểu thức trên cho thấy dao động sẽ có tần số càng cao nếu hằng số lực liên kết k
càng lớn và khới lượng thu gọn µ càng nhỏ. Khi đồng nhất dao động tự nhiên của
phân tủ gồm hai nguyên tử theo mô hình hai quả cầu nói trên, biểu thức (6) trở thành:

9


vm 

1
2

k


Trong đó:
vm - tần số do dao động tự nhiên của phân tử.
k - lực liên kết giữa hai nguyên tử.
µ - khối lượng thu gọn của phân tử.
Mặt khác khi các dao động tử thực hiện dao động, dưới tác dụng của lực hồi phục
F thì nó sẽ có thế năng Er:
F 

Er
 kr  k (r  ro )
dr

1

E R  k (r  ro ) 2  EO
2

(7)
suy ra:
(8)
Với:

Er - thế năng của hệ ứng với một sự chuyển dịch nào đó khỏi vị trí cân bằng.
E0 - thế năng của hệ ứng với vị trí cân bằng ( tức r = r 0), cũng là thế năng cực
tiểu của hệ.
Biểu thức (8) còn giúp ta hình dung đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế năng của
phân tử hai nguyên tử trong dao động điều hoà vào khoảng cách r giữa hai nguyên tử.
Đó là một parabol có trục đối xứng là đường thẳng đứng đi qua điểm cực tiểu của thế
năng. Ở mỗi trạng thái dao động, khoảng cách r giữa hai nguyên tử thay đổi xung
quanh giá trị ro từ một giá trị cực đại rmax đến một giá trị cực tiểu rmin. Ở hai giá trị giới
hạn đó thế năng Er của hệ bằng năng lượng toàn phần do dao động E dđ. Theo cơ học
lượng tử, năng lượng toàn phần Edđ chỉ có thể nhận một dãy các giá trị gián đoạn:

Hình3:
a)
Đường
cong
thế
năng
và các
mức
năng lượng dao động của phân tử hai nguyên tử dao động điều hoà
b) Phổ dao động trong trường hợp dao động điều hoà

10


1
Edđ Er ( n  )hvm
2

(9)

n: số lượng tử dao động ( n = 0,1,2,3…)
Ở trạng thái dao động thấp nhất ( n = 0), dao động của phân tử vẫn có năng
lượng:
E0 = Er0 = 1/2h vm ( năng lượng mức không)
Biểu thức (9) còn cho thấy hiệu giữa hai mức năng lượng kế nhau luôn luôn bằng
hvm, nghĩa là những mức năng lượng dao động được biểu diễn bởi những đường thẳng
nằm ngang cách đều nhau.
Khi dao động là dao động điều hoà, sự chuyển mức năng lượng sẽ tuân theo qui
tắc chọn lọc với ∆n = 1:
E IR hvIR Edđ ( n )  Edđ ( n 1) hvm

 v IR vm

Như vậy trong trường hợp lý tưởng, phân tử có dao động điều hoà và không kể
đến chuyển động quay thì phổ hấp thu hồng ngoại chỉ gồm một vạch duy nhất (Hình
3b) ứng với biến thiên năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức cạnh nhau và có
tần số bằng tần số dao động riêng của phân tử.
Dao động không điều hoà:
Trong thực tế, dao động của phân tử không phải là dao động điều hoà vì khi hai
hạt nhân tiến lại gần nhau thì lực tương tác giữa chúng lớn hơn khi chúng ở cách xa
nhau. Do đó đường biểu diễn thế năng theo khoảng cách r không phải là một hình

parabol mà là một đường cong không đối xứng với khoảng cách các mức năng lưọng
dao động không đều hoà ( khi số lượng tử n càng tăng, các mức năng lượng càng sít
gần vào nhau. Dao động không điều hoà cũng không tuân theo qui tắc chọn lọc ∆n = 
1 mà mọi sự chuyển mức năng lượng khác nhau (  2, 3…) đều có thể xảy ra. Tuy
nhiên, khi n càng tăng thì xác suất chuyển sẽ càng giảm tức cường độ vân hấp thu
tương ứng sẽ càng yếu. Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử không phải chỉ gồm
một vạch duy nhất mà là một tập hợp nhiều dãy vạch, mỗi dãy vạch ứng với sự chuyển
dịch của phân tử từ một mức dao động xác định đến những mức khác. Vạch hấp thu:
-

Tương ứng với sự chuyển mức ( 01) gọi là vạch cơ bản.

-

Tương ứng với sự chuyển mức ( 02) là vạch hoạ tần thứ nhất ( có số sóng 
2 số sóng vạch cơ bản).

-

Tương ứng với sự chuyển mức (0 3) là vạch tần thứ hai ( có số sóng  3 số
sóng vạch cơ bản).

11


Hình 4: đường
cong thế năng và
các mức năng lượng
dao động của phân
tử hai nguyên tử

dao động không
điều hoà.
Quang phổ
dao động quay ( phổ hồng ngoại):
Khi phân tử hấp thu bức xạ hồng ngoại thì phổ thu được không chỉ là phổ dao
động không điều hoà mà còn là phổ dao động quay, do khi năng lượng của bức xạ đủ
lớn để kích thích các trạng thái dao động thì nó cũng làm thay đổi cả trạng thái quay.
Kết quả là “ vạch” hấp thu phổ ứng với quá trình dao động không phải là một vạch duy
nhất mà bao gồm nhiều tập hợp vạch nhỏ là đám vạch có tần số V = V dd + Vq còn
chính vạch có tần số Vdd thì lại không xuất hiện.
Các máy quang phổ có độ phân giải kém không cho thấy các vạch riêng lẻ của
đám mà chỉ cho thấy một đường cong viễn quanh các vạch đó.
2.4 Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử:
Chuyển động dao động của phân tử nhiều nguyên tử là rất phức tạp. Để đơn giản,
người ta thường phân một chuyển động phức tạp thành một số hữu hạn các dao động
đơn giản hơn gọi là dao động cơ bản hay dao động chuẩn hay dao động riêng. Các dao
động riêng của phân tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ một cách chọn
lọc, đối với các phân tử có momen lưỡng cực µ thì chỉ những dao động nào làm thay
đổi momem lưỡng cực này mới bị kích thích bức xạ hồng ngoại ( những dao động
không làm thay đổi momen lưỡng cực sẽ bị kích thích bởi tia Raman). Các dao động riêng
nào có mức năng lượng gọi là dao động suy biến . Một cách tổng quát, số dao động cơ bản
trong phân tử gồm N nguyên tử trong trường hợp chung là 3N-6, trong trường hợp
phân tử thẳng hàng là 3N-5. Trong trường hợp phân tử đối xứng như CO2, CH4, CCl4…
do một số dao động suy biến có tần số như nhau nên tổng số các dao động riêng thực
tế sẽ nhỏ hơn tổng số các dao động cơ bản tính theo công thức lý thuyết.
Dao động cơ bản:
Ở phân tử có từ ba nguyên tử trở lên, ngoài dao động hoá trị là loại dao động làm
thay đội độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử như ở phân tử hai nguyên tử,
còn có loại dao động có thể làm thay đổi góc giữa các liên kết được gọi là dao động
biến dạng ( deformation). Thay đổi góc liên kết dễ hơn thay đổi độ dài liên kết là vì thế

năng của dao động biến dạng thưòng nhỏ hơn so với dao động hoá trị. Người ta còn
12


phân biệt dao động hoá trị đối xứng Vđx ( khi hai liên kết cùng dài ra hoặc cùng ngắn
lại) với dao động hoá trị bất đối xứng Vbđx ( khi một liên kết dài ra trong khi liên kết kia
ngắn lại). Với dao động biến dạng, người ta còn phân biệt biến dạng trong mặt phẳng
tmp ( sự thay đổi góc liên kết xảy ra trong cùng mặt phẳng) với biến dạng ngoài mặt
phẳng nmp ( sự thay đổi góc liên kết xảy ra không cùng mặt phẳng).

Hình 5:
Các
kiểu dao
động
trong
phân tử nước
a) dao động hoá trị đối xứng
b) dao động hoá trị bất đối xứng
c) dao động trong mặt phẳng
Để minh hoạ, ta xét phân tử gồm ba nguyên tử không thẳng hàng, ví dụ H 2O số
dao động cơ bản trong phân tử H2Olà 3 x 3 - 6 = 3 bao gồm dao động hoá trị đối xứng
VOH (đx) dao động hoá trị bất đối xứng VOH(bđx) , biến dạng trong mặt phẳng δOH(tmp) (Hình
1). Phổ hồng ngoại của hơi nước có hai vân gần nhau (3756 và 3652 cm -1 ) ứng với
dao động hóa trị bất đối xứng của hai nhóm OH ; một vân hấp thu ở 1596 cm -1 ứng
với dao động biến dạng của góc HOH.
Trường hợp phân tử gồm ba nguyên tử thẳng hàng điển hình là CO 2. . Số dao động
cơ bản là 3 x 3 – 5 =4, về mặt lý thuyết gồm dao động hóa trị đối xứng , bất đối xứng
của liên kết C – O , dao động biến dạng trong và ngoài mặt phẳng của góc O – C – O .
Trong thực tế, phổ hồng ngoại chỉ có hai vân hấp thu , một ở 2349 cm -1 do dao động
hóa trị bất đối xứng và một vân ở 667 cm -1 ứng với dao động biến dạng COC. Điều này

được giải thích là do CO2 thẳng hàng nên dao động hóa trị đối xứng không làm thay
đổi mômen lưỡng cực của phân tử nên không thể hiện trên phổ hồng ngoại, còn hai
dao động biến dạng trong và ngoài mặt phẳng của góc C – O – C là hai dao động suy
biến nên chúng chỉ thể hiện ở cùng một tần số, tức chỉ ứng với một vân hấp thu.
Dao động nhóm – tần số đặc trưng nhóm:
Việc giải thích nguồn gốc của các vân hấp thu trên phổ hồng ngoại của các phân
tử nhiều nguyên tử không đơn giản như các ví dụ minh họa ở trên vì trong các phân tử
phức tạp, số kiểu dao động tăng lên rất nhiều. Các dao động trong phân tử còn có khả
năng tương tác với nhau làm biến đổi lẫn nhau nên tần số không còn tương ứng với
những tần số cơ bản nữa. Nhiều dao động gần giống nhau có thể cùng thể hiện ở một
vùng tần số hẹp dưới dạng một vân phổ chung . Để bớt phức tạp người ta sử dụng khái
niệm “dao động nhóm” bằng cách xem một vài dao động của các liên kết riêng rẽ hoặc
các nhóm chức là độc lập đối với các dao động khác trong toàn phân tử và gọi là dao
13


động định vị. Ví dụ như nhóm metylen > CH2 gồm các kiểu dao động đối xứng VCH(đx),
dao động bất đối xứng VCH(bđx) , dao động kéo, dao động xuắn , dao động quạt … Các
nhóm NH2 , CCl2 … cũng có các kiểu dao động tương tự. Theo quan niệm dao động
nhóm, những nhóm nguyên tử dao động giống nhau trong các phân tử có cấu tạo khác
nhau sẽ có dao động thể hiện định vị thể hiện ở những tần số hay sóng giống nhau goi
là tần số đặc trưng nhóm hay số sóng đặc trưng nhóm, có sóng dao động hóa trị lý
thuyết được xác định từ hệ thức sau đây:
ﾧ

(10)

V 

1

2c

k
u

c – vận tốc của

bức xạ chân không.
Biểu thức (10) cho thấy khi khối lượng thu gọn khác nhau không nhiều, số sóng hóa trị tăng
theo hằng số lực hóa trị :
ﾧ ﾧ

Vc V
c
c
V
o c
Vcc 
Vcc
... c;

Ngược lại, khi hằng số lực hóa trị khác nhau không nhiều thì phân tử có khối lượng thu gọn nhỏ
sẽ hấp thu ở số sóng cao hơn phân tử có khối lượng thu gọn lớn. Đây chính là nguyên nhân làm cho
các vân hấp thu do dao động hóa trị của O-H, N-H, C-H… xuất hiện ở khoảng số sóng rất cao trên phổ
hồng ngoại.
Các vùng phổ hồng ngoại:
Như đã nói ở trên, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T%, trục hoành
biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 – 400 cm-1 ) . Theo thói quen, nhiều người vẫn gọi số
sóng là tần số và thường kí hiệu V, đơn vị cm-1 để biểu diễn chúng.
Hầu hết các nhóm nguyên tử trong hợp chất hữu cơ hấp thu ở vùng 4000-650 cm-1 . Vùng phổ

từ 4000-1500 cm-1 được gọi là vùng nhóm chức vì chứa hầu hết các vân hấp thu của các nhóm chức
như OH, NH, C=O, C=N, C=C…Vùng phổ nhóm chức tập trung làm bốn vùng mà mỗi vùng, tần số đặc
trưng nhóm có giá trị thay đổi phụ thuộc vào cấu tạo của phân tử: Vùng 3650-2400 cm-1 chứa các
vân dao động hóa trị của X-H (X:O, N, C, S, P…); vùng từ 2400-1900 cm-1 gồm các vân do dao động
hóa trị của các nhóm mang liên kết ba hoặc hai liên kết đôi kề nhau: vùng 1900-1500cm-1 chứa các
vân dao động hóa trị của các nhóm mang liên kết đôi và do dao động biến dạng của nhóm –NH2 .
Vùng phổ từ 1500-700 cm-1 , mặc dù có chứa các vân hấp thu đặc trưng cho dao động hóa trị
của các liên kết đơn như C-C, C-N, C-O…và các vân do dao động biến dạng của các liên kết C-H, C-C…
nhưng thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định các nhóm chức, vì ngoài các
vân hấp thu trên còn có nhiều vân hấp thu xuất hiện do tương tác mạnh giữa các dao động. Các vân
hấp thu này đặc trưng cho chuyển động của các đoạn phân tử chứ không thuộc riêng nhóm nguyên
tử nào, và vì vậy, vùng phổ này thường được gọi là vùng chỉ vân tay. Vùng phổ từ 650-250cm-1 cung
cấp các thông tin có giá trị đối với hợp chất vô cơ và phức chất, vì chứa các vân phổ liên quan đến
dao động hóa trị của C-Br, C-I và M-X (M- kim loại; X: O, N, S, C…), nhưng không phải máy hồng ngoại
nào cũng đo được ở vùng này.
Các nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử có các đám phổ hấp thụ hồng ngoại
đặc trưng khác nhau:
* Trong vùng hồng ngoại gần (NIR):
Từ 12500 cm-1 trải dài đến khoảng 4000 cm-1 có rất nhiều đám phổ có liên quan đến nguyên
tử H. Trong số đó, dao động co giãn (bội) của O - H gần 7140 cm-1 và N-H gần 6667 cm-1, đám phổ tổ
14


hợp do các dao động co giãn và dao động biến dạng của C-H của nhóm ankyl ở 1548 cm-1 và 3856
cm-1.
Độ hấp thụ của đám phổ NIR thấp hơn từ 10 đến 1000 lần so với các đám phổ vùng hồng ngoại
giữa.
Vùng NIR có thể ghi được với hệ quang học thạch anh, kết nối với các detectơ nhạy với NIR và
nguồn bức xạ mạnh hơn.
* Vùng hồng ngoại giữa:

Đã tìm được rất nhiêu tương quan bổ ích trong vùng hồng ngoại giữa.Vùng này được chia
thành miền "tần số nhóm" 4000 – 1300 cm-1 và vùng"dấu vân tay" 1300 - 650 cm-1.
Trong khoảng 4000 – 2500 cm-1 sự hấp thụ đặc trưng cho dao động co giãn của H với các nguyên tố
khối lượng < 19.
Phần chủ yếu trong phổ giữa 1300 và 650 cm-1, là các tần số co giãn của liên kết đơn và tần số
các dao động uốn (các tần số bộ khung) của hệ nhiều nguyên tử. Đó là vùng "nhận dạng" "(vùng "dấu
vân tay"). Vùng phổ này hết sức đa dạng , khó cho việc nhận biết riêng rẽ các đám phổ một cách chắc
chắn, nhưng kết hợp các đám phổ hấp thụ, giúp cho việc nhận biết các chất.
* Vùng hồng ngoại xa:
Vùng 667 - 10cm-1 bao gồm các dao động biên dạng của C, N, O, F với các nguyên tử khối
lượng > 19 và các dao động biến dạng trong hệ thống mạch vòng hoặc chưa no. Vùng dao động tần
số thấp trong phổ hồng ngoại rất nhạy đối với sự thay đổi cấu trúc phân tử, bởi vậy đám phổ vùng
hồng ngoại xa thường cho phép dự đoán các dạng đồng phân. Ngoài ra, vùng này đặc biệt tốt cho
việc nghiên cứu các cơ kim và các hợp chất vô cơ có các nguyên tử nặng và liên kết yếu.
Trên đây ta đã thấy có sự liên quan giữa cấu trúc phân tử và sự xuất hiện các đám phổ dao
động (phổ hấp thụ hồng ngoại).
Tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc các phần còn lại của
phân tử được gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó.
Khi nói tần số đặc trưng của nhóm không thay đổi thì không có nghĩa là lamda max hấp thụ là
không đổi mà chỉ có nghĩa là lamda max nằm trong một miền phổ khá hẹp. Ví dụ liên kết C-H có tần
số đặc trưng trong khoảng 2800 – 2900 cm-1
Ta xét một vài trường hợp đơn giản dưới đây để thấy rõ hơn tần số đặc trưng của các nhóm
nguyên tử.
* Trong các hidrocacbon no, các liên kết C-C và C-H là chủ yếu. Tần số dao động của mạch C-C
rơi vào miền 800 – 1200 cm-1 . Nếu thay nhóm -CH3 ở cuối mạch bằng một nguyên tử khác (hay
nhóm nguyên tử khác).
Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi vào miền tần số
của C-C.
Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi vào miền tần số
của C-C.

Ví dụ: trong CH3-X mà X là Cl, Br, I , SH, H, OH, NH-2, F vv.. ta thấy. X Tần số liên kết (cm-1)
ClBrISHH+
OHNH-2
F-

712
594
522
704
2914
1032
1037
1049
15


Liên kết C với X là Cl, Br, I, SH cho tần số đặc trưng, còn C-O, C - N, C - F không cho tần số đặc
trưng vì rơivào miền tần số C - C.
Cũng như vậy, thực nghiệm cho thấy trong dãy CnH2n+1 X, tần số của liên kết C-X hầu như
không thay đổi khi n>3.
Ví dụ: tần số liên kết C-Cl của một số hợp chất dưới đây:
C3H7 Cl
C4H9 Cl
C5H11Cl
C6H13Cl
C7H15Cl

726 cm-1
722 cm-1
722 cm-1

724 cm-1
725 cm-1

Cho nên nếu thấy xuất hiện các tần số tương ứng, ta có thể kết luận một cách chính xác là trong
phân tử có liên kết C-X. Trái lại việc phát hiện các liên kết C-N, C-O, C-F theo tần số dao động khi có
liên kết C-C là không chính xác.
* Khi nghiên cứu liên kết C = O ta cũng thấy là khi không bị ảnh hưởng của các nhóm kác, liên
kết này có tần số khoảng 1710 cm-1, ví dụ trong các xeton dưới đây, tần số nhóm C = 0 chỉ sai khác
nhau rất ít.
H3C - CO - CH3
1708 cm-1
H3C - CO - C2H5
1712 cm-1
H3C - CO - C4H9
1709 cm-1

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm:
2.5.1 Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử :
Như đã biết, tần số đặc trưng nhóm phụ thuộc vào sự bền vững của liên kết (thông qua giá trị
của k) và khối lượng của các nguyên tử tham gia liên kết (biểu thức 11.10). Ngoài ra , nó còn tùy
thuộc vào phần còn lại của phân tử thông qua các hiệu ứng electron, hiệu ứng không gian và liên kết
nội phân tử.
Hằng số lực hóa trị: Hằng số lực hóa trị k phụ thuộc vào bản chất mối liên kết hóa học giữa hai
nguyên tử - liên kết càng bền thì hằng số lực hóa trị k sẽ càng lớn. Khi hằng số lực của hai nhóm khác
nhau 25% thì số sóng đặc trưng của chúng khác nhau rất rõ. Tỉ lệ hằng số lực của C-C : C=C là 1:2:3
nên các vân hấp thu của chúng sẽ có số sóng đặc trưng khác nhau và khá xa nhau.
Sự thay thế đồng vị : Khi thay một nguyên tử bằng một nguyên tử đồng vị khác, hằng số lực
không thay đổi. Tần số đặc trưng nhóm sẽ thay đổi phụ thuộc vào khối lượng của đồng vị. Ví dụ khi
thay H trong nhóm C-H bằng D thì khối lượng thu gọn của nhóm sẽ tăng gần hai lần.
Hiệu ứng electron: Ảnh hưởng do hiệu ứng electron trên các hợp chất phải được xem xét cụ

thể đối với từng hợp chất . Thông thường, sự liên hợp làm giảm bậc của liên kết bội và tăng bậc của
liên kết đơn xen giữa các liên kết bội. Do đó, khi các liên kết bội lên hợp với nhau thì tần số của chúng
đều giảm so với khi chúng ở vị trí không liên hợp. Một số ví dụ minh họa được nêu trong bảng 1.

Bảng 1: Số sóng hấp thu hồng ngoại do dao động hóa trị của một số hợp chất có bậc liên kết khác
nhau

16


Loại hợp chất

Bậc liên kết

Số sóng (cm-1 )

C≡C−

3

2260 – 2150

>C = C <

2

1680 - 1620

>C =C – C = C <

1.9

1650 - 1600

Arene

1.7

1600 - 1500

C–C−

1

1100 - 700

−

−

Đối với nối đôi C=C, những nhóm hút electron làm giảm mật độ electron, do đó làm yếu liên
kết đôi dẫn đến việc làm giảm số sóng hấp thu còn các nhóm đẩy electron thì ngược lại. Đối với nối
đôi C=O thì sự đẩy electron lại làm tăng cường sự phân cực vốn có dẫn đến sự giảm bậc liên kết và
làm giảm số sóng hấp thu.
Yếu tố không gian: Các đồng phân cis - trans có thể được nhận biết nhờ vân hấp thu do dao
động biến dạng ngoài mặt phẳng của các liên kết =CH: đồng phân trans RCH=CHR có một vân mạch ở
970-960 cm-1 còn đồng phân cis RCH=CHR có một vân trung bình ở 730-675 cm-1.
Tương tự, khi đo phổ hồng ngoại của các chất đối quang ở trạng thái rắn có giúp phân biệt
được đồng phân quang hoạt với biến thế racemic.
Sức căng của vòng cũng gây ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm. Ví dụ, vân hấp thu do dao

động hóa trị (C-H) của các alkane và cycloalkane vòng lớn xuất hiện ở số sóng 2960-2850cm-1 trong
khi vân hấp thu của cyclopropane lại xuất hiện vào vùng của dao động hóa trị (=C-H) của alkene, tức
khoảng 3050cm-1.
Việc thay đổi vị trí tương đối của nhóm nguyên tử trong không gian có thể làm các nhóm phân
cực ở gần nhau hoặc xa nhau dẫn đến sự thay đổi tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cũng có thể được
phát hiện bằng hồng ngoại.
Ảnh hưởng của liên kết hydro nội phân tử: Liên kết hydro là liên kết yếu được hình thành khi
nguyên tử hydro đã tham gia liên kết cộng hóa trị với nguyên tử của một nguyên tố có độ âm điện lớn
lại tương tác với một nguyên tử âm điện khác . Liên kết hydro có thể được xem là liên kết kiểu ba
trung tâm trong đó H đóng vai trò của cầu nối, làm cho hai liên kết hai bên đều bị yếu đi dẫn đến số
sóng dao động hóa trị của hai nhóm tham gia liên kết đều giảm xuống, vân hấp thu của nhóm X-H (X:
F, O, N) thường trải rộng ra so với trường hợp không tạo liên kết hydro. Liên kết hydro gây khó khăn
cho dao động biến dạng nên làm tăng số sóng của dao động biến dạng.

2.5.2 Ảnh hưởng do tương tác giữa các phân tử:
Ở trạng thái khí, các phân tử chuyển động tự do và hầu như không tương tác với nhau nên phổ
hồng ngoại của một chất được đo ở dạng khí phản ánh khá trung thực cấu trúc của phân tử. Tuy
nhiên, việc phân tích phổ hồng ngoại của một chất đo ở trạng thái khí đôi khi rất phức tạp của phổ
quay gây ra. Chính vì vậy mà người ta thường đo mẫu hồng ngoại ở dạng rắn, dạng lỏng hoặc DD là
các dạng thường gặp ở điều kiện thường.
Ở các dạng chất rắn có thể tồn tại dưới các dạng tinh thể khác nhau thì việc đo phổ hồng ngoại
ở thể rắn vừa cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử, vừa có thể phản ánh sự thay đổi tương tác giữa
các phân tử do thay đổi mạng tinh thể. Ví dụ khi đo phổ hồng ngoại của các polymer (có kích thước
và khối lượng lớn nên lực tương tác giữa các phân tử là rất đáng kể) chẳng hạn như polyethylene
17


terephtalate, người ta thấy rằng một số vân phổ của chất này ở dạng vô định hình có cường độ mạnh
hơn rất nhiều so với dạng tinh thể nên có thể dựa vào đây để đánh giá tỉ lệ giữa pha vô định hình và
pha tinh thể. Các phổ hồng ngoại của poliamid, polipeptid và protid không cho thấy vân phổ ứng với

liên kết N-H tự do mà chỉ có vân hấp thu của nhóm N-H, liên kết hidro6 ở 3300 cm-1, nghĩa là đã có
sự tạo thành liên kết hydrogen trên toàn mạch phân tử polime.
Để loại trừ ảnh hưởng tương tác mạnh khi đo các chất ở thể rắn, hoặc thể lỏng tinh khiết,
người ta thường hòa tan trong các dung môi trơ như n-hexan, CCl4, CS4 …Khi nghiên cứu phổ hồng
ngoại của các chất đo ở dạng DD, cần phải lưu ý đến nồng độ của chất tan vì giá trị này có ảnh hưởng
rất lớn đến liên kết hidro giữa các phân tử chất tan. Pha loãng DD sẽ làm cho cường độ mùi hấp thu
X-H, tự do tăng lên và cường độ vân X-H tham gia liên kết hidro giảm xuống. Cũng cần phải lưu ý tới
dung môi được sử dụng vì dung môi ảnh hưởng không nhiều đến số sóng giao động của nhóm không
cực nhưng lại ảnh hưởng rất đến các nhóm phân cực. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi chuyển từ
dung môi này sang dung môi khác, số sóng giao động của liên kết C-H trong alkane, alkene, arene,
C=C, C≡C…thay đổi không nhiều, trong khi số sóng giao động của C-H, O-alkyl, OH, NH, C=O lại thay
đổi rất lớn.
Sự tạo liên kết hidro liên kết liên phân tử không những làm dịch chuyển số sóng hấp thu mà
còn mở rộng các vân hấp thu rất đáng kể.

2.6 Cường độ và hình dạng của vân phổ hồng ngoại:
Khi phân tích phổ hồng ngoại, ngoài vị trí (số sóng) của vân hấp thu còn phải chú ý đến cường
độ và hình dạng của vân phổ. Sự hấp thu của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi các vân phổ với
các đỉnh phổ ở các số sóng thích hợp.
Việc định lượng bằng phương pháp hồng ngoại có độ chính xác không cao, do hệ số hấp thu
mol ít lặp lại ở các lần đo khác nhau. Việc định lượng kém chính xác cũng còn do rất khó xác định
chính xác bề dày khi mẫu ở dạng rắn (được trộn với các muối vô cơ và ép thành viên có bề dày vài
µm). Cường độ vân phổ có thể được đánh giá qua diện tích vân phổ gọi là cường độ tích phân, nhưng
hiện nay phương pháp này cũng rất ít được sử dụng vì thực hiện khó khăn mà độ chính xác vẫn không
cao. Hiện nay người ta chỉ đánh giá cường độ vân phổ một cách định tính: mạnh, trung bình hoặc
yếu.
Như trên đã nói, đối với các phân tử có mômen lưỡng cực µ thì chỉ những dao động nào làm
thay đổi mômen lưỡng cực này mới bị kích thích bởi bức xạ hồng ngoại. Điều này cũng cần được hiểu
là không phải phân tử hay liên kết có mômen lưỡng cực lớn thì sẽ có cường độ hấp thu hồng ngoại
lớn mà chỉ khi các phân tử hoặc liên kết có biến thiên mômen lưỡng cực lớn. Đối với các phân tử hai

nguyên tử hoàn toàn đối xứng như H2, O2, N2…dao động giữa hai nguyên tử trong phân tử hoàn
toàn không gây ra sự biến đổi mômen lưỡng cực nào nên các phân tử đó không có mũi hấp thu trong
vùng phổ hồng ngoại. Trong các hợp chất hữu cơ, các nhóm thường cho vân hấp thu có cường độ
mạnh là C = O (VC=O khoảng 1700 cm-1, mạnh hơn nhiều so với VC=O, VC=N có số sóng cũng khoảng
này), C-X (X – halogen); các nhóm có cường độ luôn luôn yếu là N=N, C=N và một số nhóm có vân
hấp thu có cường độ tùy theo cấu trúc phân tử. Ví dụ các vân VOH, VC-O có cường độ từ mạnh đến
trung bình, vân CC=C của alkene có cường độ từ trung bình đến yếu. Các alkene hoàn toàn đối xứng
như ethylene thì vân VC=C không xuất hiện trên phổ hồng ngoại, thậm chí một số alkene hoặc alkyl
có tính đối xứng cao (nối đôi hoặc nối ba nằm ở vị trí gần chính giữa) thì vân hấp thu VC=C, VC≡C đã
không còn xuất hiện trên phổ hồng ngoại.
Các vân phổ hồng ngoại nói chung thường mảnh và nhọn , nhưng cũng có các vân phổ trải ra
trong một khoảng tần số khá rộng . Ví dụ, vân O-H liên kết hydro thường là một vân tù kéo dài vài
18


trăm cm-1 đôi khi có tới vài đỉnh cực đại và không thể chỉ chọn một cực đại nào đó đặc trưng cho sự
hấp thu cuả nhóm OH.
Cũng có trường hợp hai vân phổ ở gần nhau nên có sự xen phủ lẫn nhau hoặc vân mạnh trùm
lên vân yếu chỉ để lại một gờ nhỏ gọi là “vai”.

2.7 Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản:
Trên phổ hồng ngoại, ngoài các vân hấp thu do dao động hóa trị hoặc dao động biến dạng gây
ra còn xuất hiện các vân hấp thu không liên quan trực tiếp đến một dao động cơ bản nào cả. Đó là các
vân do sự họa tần, do sự kết hợp, do tương tác của các dao động hoặc do cộng hưởng Fermi, được
gọi chung là các vân không cơ bản.
Vân họa tần: thường có cường độ yếu, có số sóng gần bằng bội số của vân cơ bản, do sự
chuyển mức năng lượng ∆n= ±2, ±3… ngoài chuyển mức năng lượng ∆n= ±1. Trong thực tế thường
gặp các vân họa tần tương ứng với chuyển mức ∆n= ±2 nhiều hơn các trường hợp khác. Ví dụ vân
VC=O (khoảng 1700 cm-1;) có một vân họa tần bậc một cường độ yếu ở khoảng 3300 cm-1 ; vân VCCI (khoảng 770 cm-1) có một vân họa tần bậc một ở khoảng 1540 cm-1.
Vân kết hợp: thường là các vân yếu, có số sóng bằng tổng hoặc hiệu của số sóng của hai dao

động cơ bản, do năng lượng của bức xạ có khả năng kích thích hai dao động cơ bản.
Vân cộng hưởng Fermi: do sự cộng hưởng giữa một vân cơ bản với một vân họa tần hoặc một
vân kết hợp, khi năng lượng của dao động họa tần tình cờ trùng với năng lượng của một dao động cơ
bản khác. Khi có sự cộng hưởng sẽ có sự san sẻ năng lượng giữa vân cơ bản và vân họa tần, hiện
tượng này làm xuất hiện thêm một vân ở vị trí gần với vân cơ bản, bề ngoài giống như sự tách đôi vân
cơ bản. Hiện tượng này dùng để giải thích sự tách một vân phổ thành hai khi không có nguyên nhân
cấu trúc nào gây ra.
Ngoài các vân không cơ bản nói trên, sự tương tác giữa các dao động trong phân tử cũng có thể
dẫn đến sự thay đổi đáng kể số sóng của các vân phổ cơ bản. Ví dụ đối với alkene, vân VC=C thường
xuất hiện ở khoảng 1650 cm-1 nhưng ở các hợp chất alkene có ba nguyên tử liên kết nhau bằng hai
nối đôi (>C=C=C<) thì vân VC=C(đx) xuất hiện ở 1050 cm-1 còn vân VC=C(bđx) xuất hiện ở 1950 cm-1
do tương tác của hai nối đôi kế bên nhau.
Khi giải phổ hồng ngoại, người ta thường lưu ý đầu tiên các vân phổ cơ bản. Tuy nhiên, một số
vân không cơ bản đôi khi rất có giá trị trong việc phân tích cấu trúc. Ví dụ như phổ hồng ngoại của các
arene, ở vùng từ 2000-1650 cm-1 có thể xuất hiện từ hai đến sáu vân yếu là các vân họa tần và kết
hợp ứng với các dao động biến dạng δC=H (khoảng 800-900 cm-1) của vòng benzene. Số lượng và
hình dạng các vân họa tần và kết hợp nói trên rất có ích trong việc xác định mức độ thế trong vòng
benzene (có một, hai hay ba nhóm thế; các nhóm thế ở vị trí như thế nào…).

III.

HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ
VÔ CƠ

Xét về mặt lý thuyết, người ta có thể đo phổ hồng ngoại của các hợp chất hữu cơ, vô cơ và cả
phức chất. Tuy nhiên việc đo phổ hồng ngoại của các hợp chất vô cơ và phức chất khá phức tạp (ví dụ
như phải tiến hành đo ở vùng có số sóng khá thấp mà không phải máy nào cũng đáp ứng được) nên
trong thực tế, phương pháp này được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ là phổ biến hơn.

19

Tần số hấp thu đặc trưng của các nhóm chức được trình bày trong các bảng có đơn vị là cm-1
(thật ra là số sóng, nhưng được quen gọi là tần số) với cường độ được viết tắt là m (mạnh), tb (trung
bình), y (yếu) và bđ (biến đổi).

3.1 Tần số hấp thu của hydrocarbon:
Tần số hấp thu hồng ngoại của hydrocarbon no, của alkene, arene một và nhiều nhân thơm,
alkyne được tóm tắt trong các bảng 2, 3, 4 và 5.
Bảng 2: Tần số hấp thu của hydrocarbon no (alkane và cyclane)

Nhóm

Dao động

Tần số (cm-1)

–CH3

VC - H(bđx)

2975 – 2950 (m)

DĐ hóa trị bất đối xứng

VC - H(đx)

2885 – 2870 (m)

DĐ hóa trị đối xứng

δ CH3 (tmp)

1465 – 1440 (tb)

DĐ biến dạng trong mặt phẳng

δ CH3 (nmp)

1390 – 1375 (tb)

DĐ biến dạng ngoài mặt phẳng

>(CH3)2

δ CH3

≈ 1380 (tb)

DĐ biến dạng trong mặt phẳng

– C(CH3)3

δ CH3

1395 – 1385 (tb)

DĐ biến dạng trong mặt phẳng

Ghi chú

1365 (m)
>CH2 thẳng

VC - H(bđx)

2940 – 2920 (m)

DĐ hóa trị bất đối xứng

VC - H(đx)

2870 – 2840 (m)

DĐ hóa trị đối xứng

δ CH2

1480 – 1440 (tb)

DĐ biến dạng “lưỡi kéo”

δ CH2

745 – 720 (y):

745 – 735
735 – 725
725 - 720
– CH2 – vòng

δ CH2

1452 cm-1

– CH vòng (lớn
hơn ba)

VC - H

2890 – 2880 (y)

CH vòng ba –
CH2 - halogen

VC - H

≈ 3050 (y)

20

DĐ biến dạng “con lắc” của
mạch carbon – (CH2)n _:
n=2
n=3
n>3
DĐ biến dạng “lưỡi kéo” của
cyclohexane (có tần số thường
bé hơn alkane thẳng)

Trùng với vùng Ch alkene


C–C

VC - C

1260 – 700 (y)

Rất yếu

δC - C

600 - 500

– CO – CH3

VC – H

3100 – 2900 (y)

Thường rất yếu

– CHO

VC-H

2900 – 2700 (y)

Thường gồm haivân (một ở ≈

2720cm-1)

– O CH3 – O –
CH2 – O

VC-H

2850 – 2810 (tb)

Aryl ether: số sóng cao

2790 – 2770 (tb)

Ankyl ether: số song thấp

N – CH3

VC-H

2820 – 2780 (tb)

– O – CO – CH3

δ CH3

1385 – 1365 (m)

Cường độ rất mạnh

1360 – 1355 (m)

Nhóm C – H không tham gia liên kết hydro nên vị trí các vân hấp thu của nó ít
chịu ảnh hưởng của trạng thái mẫu đo và bản chất hoá học của môi trường đo. Nếu
không thấy sự xuất hiện của các vân hấp thu do dao động hoá trị của CH no thì chắc
chắn trong hợp chất nghiên cứu không có các nhóm CH, > CH2, – CH3.
Liên kết C – C hấp thu ở vùng chỉ vân tay, thường yếu và có số sóng thay đổi do
ảnh hưởng của tương tác dao động nên không có giá trị thực tế.
Bảng 3: Tần số hấp thu của Alkene
Nhóm

Dao động

>C=CH2

V=CH2

– CH=CH2

Tần số (cm-1)

Ghi chú

δ=CH2

3095 – 3075 (tb) Đôi khi bị che phủ bởi vân
VC-H no
895 – 885 (m)

V=CH2

3095 – 3075 (tb)

δ=CH2

995 - 980
Và 915 - 905

>C=CH –

V=CH

3040 – 3010 (tb)

δ=CH

850 – 790 (m)

RCH= CHR (trans)

δCH(nmp)

970 – 960 (m)

– RHC=CHR (cis)

δCH

730 – 675 (tb)

21

DĐ biến dạng ngoài mặt
phẳng (ở 990cm-1 nếu liên
hợp với C=O )


R – CH=CH2

R2C=CHR

δCH

δCH

995 – 985 (m)
Và 940 – 900
(m)
840 – 790 (tb)

> C=C <

VC=C(klh)
VC=C(lh)

> C=CH2

VC=C

–CH=CH2

δC=C

–RHC=CHR(cis)

VC=C
δC=C

1680 – 1620
(bđ)

DĐ hoá trị C=C không liên
hợp

≈1625 (tb)

Liên hợp với nhân thơm (với
hệ thống liên hợp, thường
xuất hiện hai mũi hấp thu
1650 – 1600 cm-1)

<1665

DĐ biến dạng do mạch
carbon

630cm-1
<1665
630 va 455

RCH=CHR(trans)

VC=C
δC=C

>1665
455 - 370

>C=CH và C=C<

DĐ biến dạng do mạch
carbon với hai mũi hấp thu

DĐ biến dạng do mạch
carbon với một mũi hấp thu

VC=C
>1665

Dien và Trien

VC=C
1650(m) và
1600(m)

Vân 1600 thường mạnh hơn
và có thể xen lẫn với vân
1650

Bảng 4: Tần số hấp thu của Arene môt nhân thơm và nhiều nhân thơm
Nhóm

Dao động

Tần số(cm-1)
22

Ghi chú


Aryl – H

VCH thơm

3080 – 3010 (y)

Thường bị che phủ, có thể có đến
5 mũi (số mũi giảm khi số nhóm
thế tăng).

δCH(tmp) thơm

1290 – 1000 (y)

DĐ biến dạng trong mặt phẳng
(rất yếu thường bỏ qua).

δCH(nmp ) thơm

900 – 675 (bđ)

DĐ biến dạng ngoài mặt
phẳng(rất đặc trưng), tần số thay
đổi theo vị trí và số nhóm thế:

C=C
(một nhân
thơm)

VC=C
Mạch carbon

Nhiều
nhân thơm

δCH(nmp)thơm

770 – 730 và 710 – 690
770 – 735
960 – 900, 880 – 830
Và 710 – 680
860 – 800

Một nhóm thế (2 mũi)
Hai nhóm thế ortho (1mũi)
Hai nhóm thế meta (3 mũi)

800 – 760 và 720 – 685
900 – 885 và 780 – 760
865 – 810 và 760 - 730

Ba nhóm thế – 1,2,3
Ba nhóm thế – 1,2,4
Ba nhóm thế – 1,3,5

1625 – 1430
1625– 1590, 1590 –
1575
1575 và 1525 - 1470
900 – 675 (bđ)

Hai nhóm thế para (1 mũi)

2 hay 3 mũi
DĐ biến dạng ngoài mặt phẳng,
tần số thay đổi theo số H, theo vị
trí và số nhóm thế:

671
770 – 730 (m)
770 – 735 (m)

6 H liên tiếp (một mũi)
5H liên tiếp (một thế)(một mũi)
4H liên tiếp (hai thế ortho)(một
mũi)

820 – 760 (m)

3H liên tiếp (hai thế meta hay –
1, 2, 3)

860 – 800 (m)

2H liên tiếp (hai thế para hay –
1,2,3,4)

900 – 830 (m)

1H cô lập(hai thế meta hay –

23


1,2,3,5,- 1,2,4,5)

Nhóm CH không no và CH thơm có thể được phân biệt với CH no bởi vì vân hấp
thu do dao động hoá trị của chúng thường xuất hiện ở số sóng lớn hơn 3000 cm -1
(trong khi vân hấp thu do dao động hoá trị của CH no xuất hiện ở số sóng bé hơn 3000
cm-1). Tuy nhiên, do cường độ của các vân này khá yếu nên chúng thường bị che phủ
bởi các vân CH no hoặc các vân NH, OH,... Nhìn chung, phổ hồng ngoại của các hợp
chất thơm thể hiện ở năm vùng: vùng 3080 – 3010 cm -1(dao động hoá trị của liên kết
CH), vùng có tần số từ 2000 – 1600 cm -1 xuất hiện các vân họa tần và vân kếp hợp của
hợp chất thơm, vùng 1600 – 1500 cm-1 có thể có hai hay ba vân do dao động hoá trị
của các liên kết C- C trong nhân gây nên (dao động khung), đặc trưng cho các nhân
thơm loại sáu cạnh như nhân benzen, nhân pyridine, vùng 1225 – 950 cm -1 hầu như
không cung cấp thông tin có giá trị cho việc giải đoán phổ, vùng dưới 900 cm -1có các
vân dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của các liên kết CH thơm có thể cung cấp
các thông tin về số lượng và vị trí của các nhóm thế, nhưng phải hết sức thận trọng vì
đây không phải là các vân duy nhất trong vùng này.

Bảng 5: Tần số hấp thu của Alkyne
Nhóm

Dao động

Tần số (cm-1)

Ghi chú

–C≡C–H

V=CH
δCH
VC≡C
VC≡C

3340 – 3300 (tb)
695 – 575
2140 – 2100 (y)
2260 – 2190 (y)

Có thể bị che bởi mũi NH hay OH
Hai mũi
Alkyne một nhóm thế
Alkyne hai nhóm thế, mũi chẻ do
cộng hưởng Femi, cường độ càng
yếu khi tính đối xứng càng cao
(không xuất hiện khi nối ba ở giữa
mạch hoặc gần giữa mạch)

δC≡C
δC≡C

355 – 335
510 - 260
960 – 900
520 – 495
495 - 480

– C≡C–H
– C≡C–H

Acetylene
Alkyne thế
-–C–C≡C
R–C≡Cme
R–C≡CEt

DĐ hoá trị do mạch carbon
DĐ biến dạng do mạch carbon
DĐ biến dạng do mạch carbon

3.2 Tần số hấp thu của Alcohol và phenol:
Các vân hấp thu đặc trưng của hai hợp chất này do dao động hoá trị của liên kết –
O–H và – C – O – . Các vân hấp thu này chịu ảnh hưởng rất mạnh của liên kết
hydrogen nội phân tử và liên phân tử. Tần số hấp thụ thay đổi càng mạnh khi dao động

24

hoá trị C – O và dao động biến dạng O–H có sự kết hợp với những hydro liên tiếp
(bảng 6 và 7).
Bảng 6: Tần số hấp thu đặc trưng của alcohol
Nhóm

Dao
động

–OH tự do (khí
hoặc DD thật
loãng)

VOH

δOH(tmp)
δOH(nmp)
–OH liên kết
hydro (DD đậm
đặc)

VOH

δOH(tmp)

Số sóng (cm-1)

Ghi chú

3650 – 3590 (bđ) * Mũi hấp thu thường nhọn,cường
độ tăng dần theo Alcohol

thơm3640 – 3630
- Alcohol nhất, thẳng
3625 – 3620
- Alcohol nhị, thẳng
3620 – 3610
- Alcohol tam, thẳng
3460 – 3450
- Dạng R-O-H-O-C<
1410 – 1260 (m) * DĐ biến dạng trong mặt phẳng
(nhọn)
700 - 600
* DĐ biến dạng ngoài mặt
phẳng(tù)
3600 – 3200 (m) * Thường tù: liên kết hydro càng
mạnh, số sóng càng giảm
3300
- Alcohol thẳng
3580 – 3480
- Có liên kết hydrogen giữa nhóm
O–H và hệ thống pi của nhân thơm
* DĐ biến dạng trong mặt phẳng
1500 - 1300
(tù)

–OH liên kết
hydro nội phân
tử

VOH

3200 – 2500 (bđ) VOH của phenol, acid cũng ở vùng
này, bao trùm cả vùng hấp thu của
vân VC–H.

H2O kết tinh

VOH

H2O trong DD
H2O ẩm
C–OH

VOH
VOH
VC-O

3600 – 3100 (y)
1640 – 1615 (y)
3710
3500 – 3450
1205 – 1030
(m):
1065 – 1030
1125 – 1085
1205 – 1125

25

Alcohol nhất, thẳng

Alcohol nhị, thẳng
Alcohol tam, thẳng
(DĐ
hoá
trị
C–O
của
ether,ester,acid
và
anhydric
carboxylic hấp thu mạnh trong
vùng từ 1300 – 1000 cm-1)