Đồ án Tìm hiểu và ứng dụng kỹ thuật hồng ngoại (IR), hồng ngoại biến đổi fourier (FT IR) trong phân tích dầu mỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

LỜI NÓI ĐẦU
Năm 1800, một nhà thiên văn học người Anh, khi dùng nhiệt kế thủy ngân để đo
nhiệt độ các loại màu trong quang phổ Mặt trời, vô tình mà phát hiện khi đặt nhiệt kế
ngoài vùng đỏ của quang phổ, số đọc trên nhiệt kế cao hơn nhiều so với vùng quang phổ
nhìn thấy. Do đó, ông suy diễn có vùng hồng ngoại ở bên ngoài quang phổ Mặt trời,
đương nhiên mắt thường không nhìn thấy những tia này. Suy diễn này về sau đã được
minh chứng. Bức xạ ở ngoài tia đỏ này được gọi là “bức xạ hồng ngoại”. Sau khi con
người phát hiện tia hồng ngoại, và cũng từ đó kỹ thuật hồng ngoại ra đời, kỹ thuật hồng
ngoại là môn khoa học kỹ thuật nghiên cứu sự ra đời, truyền sóng, biến đổi, đo đạc và
những ứng dụng của tia hồng ngoại.
Bức xạ hồng ngoại còn được gọi là tia hồng ngoại hoặc hồng ngoại tuyến, nó là
sóng điện từ có bước sóng trong phạm vi 0,75 ~ 1,0 mm. Nhiệt năng và bức xạ hồng
ngoại có thể chuyển hoá lẫn cho nhau, phàm những vật thể có nhiệt độ cao hơn độ không
tuyệt độ (-273,160C) đều có thể sinh ra bức xạ hồng ngoại, ngược lại, hiệu ứng bức xạ
hồng ngoại làm vật thể nóng lên thể hiện rất rõ.
Quang phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật quang phổ phổ biến nhất
được sử dụng bởi các nhà hóa học hữu cơ và vô cơ, đặc biệt là trong các phòng thí
nghiệm phân tích dầu mỏ của các nhà máy khai thác và chế biến các sản phẩm từ dầu
mỏ. Về cơ bản, đây là phép đo sự hấp thụ của các tần số hồng ngoại khác nhau bằng mẫu
thử được đặt trên đường đi của một tia hồng ngoại. Mục tiêu chính của việc phân tích
quang phổ hồng ngoại là để xác định các nhóm chức hóa học trong mẫu thử. Các nhóm
chức khác nhau hấp thụ các tần số đặc trưng của bức xạ hồng ngoại. Với nhiều công cụ
lấy mẫu, quang phổ kế hồng ngoại có thể sử dụng nhiều loại mẫu khác nhau như khí ga,
chất lỏng và chất rắn. Do đó, quang phổ hồng ngoại là công cụ quan trọng và phổ biến để
giải thích cấu trúc và nhận biết hợp chất.
Chính vì những ứng dụng có vai trò to lớn của kỹ thuật hồng ngoại trong lĩnh vực
dầu khí, với nhiều nội dung sát thực và hữu ích cho công việc học tập và làm việc của
một kỹ sư ngành hóa. Vì vậy, nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài “Tìm hiểu và ứng
dụng kỹ thuật hồng ngoại (IR), hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) trong phân tích

dầu mỏ” cho đồ án chuyên ngành hóa dầu .
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU

NHÓM III

1


Vì thời gian tìm hiểu và tiếp cận các tài liệu có phần hạn chế nên không thể tránh
khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến chân thành của giảng viên
ThS. Khưu Châu Quang, người trực tiếp hướng dẫn đề tài cùng các bạn đọc để đồ án của
nhóm được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, ngày 17 tháng 05 năm 2013
NHÓM THỰC HIỆN ĐỒ ÁN
NHÓM III


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI(IR), HỒNG
NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER(FT-IR)
.
I. GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT HỒNG NGOẠI(IR).
1.1. Giới thiệu về quang phổ hồng ngoại(IR).
Phương pháp phổ hồng ngoại IR là một trong những phương pháp vật lý rất hữu hiệu để
nghiên cứu cấu tạo của các phân tử hữu cơ. Cơ sở của phương pháp dựa trên hiện tượng
phân tử của vật chất quay xung quanh trục của nó dưới tác động của sóng điện từ khi
-1

được chiếu bởi ánh sáng có bước sóng từ 50 m -1mm (200-10 cm ) và sự dao động
của các nguyên tử và các liên kết khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng ngắn
hơn từ 0.8-50 m.
Việc ứng dụng phương pháp phổ hồng ngoại ngày càng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
nghiên cứu khác nhau đã khẳng định vị trí quan trọng của phương pháp trong nghiên
cứu khoa học cũng như trong phân tích các hợp chất hóa học đặc biệt là các hợp chất
hữu cơ. Vì vậy việc tiếp thu được sơ sở lý thuyết của phương pháp và kỹ thuật thao tác
vận hành máy móc thiết bị đo phổ hồng ngoại là rất quan trọng và cần thiết
1.2.

Phân loại bức xạ hồng ngoại.

Bức xạ hồng ngoại là 1 loại sóng bức xạ điện từ bao gồm các bước sóng từ 0.8 µ đến
1mm, như đã được trình bày ở phần sơ đồ 1.1, bước sóng của bức xạ gần, bức xạ trung
bình và bức xạ có cự li (miền) theo thứ tự là từ .8 µ tới 2.5µm, 2.5 tới 25 µm, từ 25 tới
1mm. Cũng như các hỗn hợp hữu cơ có dải giao động ở miền bức xạ trung bình, vì vậy
nó thông thường được sử dụng để xác định thành phần hóa học và nhóm chức năng của
chúng.
1.3.

Tung độ và hoành độ của quang phổ hồng ngoại.
Tung độ của quang phổ hồng ngoại có thể được diễn tả trong sự truyền (phản xạ)

hoặc cơ chế hấp thụ Độ truyền được đo bằng
Khi chiều dài của đường quang học được tổ chức chắc chắn, cường độ của một dải bước
sóng hấp thụ trong quang phổ hồng ngoại thì tỷ lệ thuận với nồng độ ( hoặc số lượng
thành phần hoặc dung tích)của một mẫu. Do đó,các quang phổ hồng ngoại cũng có thể
được sử dụng cho các phân tích định lượng. (When the length of optical path is held
ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU

NHÓM III

3


constant,……)
Thay thế cho bước sóng, đường ngang thường được sử dụng để miêu tả trong
wavenumber (có thể là sóng số) cái mà vẫn được sử dụng trong bước sóng thuận nghịch
đơn vị là cm-1 .
Mối quan hệ được mô tả trong công thức(1. 4)
Theo đó, trong ví dụ 5, 5 µm cuả bước sóng tương đương

với 2000 cm -1 của

wavenumber. Đơn vị cm-1 được gọi là wavenumber
1.4.

Xác định nhóm chức năng và nhận dạng.
Mục đích chính của bức xạ hồng ngoại là để xác định các nhóm chức năng và
nhận dạng vật chất. Vì mỗi đỉnh của bức xạ hồng ngoại là độc nhất cho 1 nhóm chức
năng như số liệu 1.3, cấu trúc phân tử của 1 vật chất có thể xác định định 1 cách cục bộ
bằng thông qua phân tích hồng ngoại quang phổ. Bảng Colthap chỉ ra mối quan hệ giữa
đỉnh wavenumber và nhóm chức năng đã được sử dụng r rộng rãi để phân tích hồng
ngoại quang phổ. Mặc dù có một số phần mềm chuyên môn trên thị trường đướcử
dungjcho việc phân tích hồng ngoại quang phổ nhung quyết định cuối cùng của nhóm
chức năng là vẫn tin cậy rất nhiều vào nghành hóa học.
Vì mỗi loại vật chất mang 1 đặc tính riêng giống như dấu vân tay của con người,
nên vật chất có thể dễ dạng được nhận dạng bằng việc so sánh quang phổ hồng ngoại đo
được với thư viện như đã chỉ ra trong số liệu 1.4. Thư viện Sadtler bao gồm 150000

hồng ngoại quang phổ nổi tiếng nhất và thường xuyên được sử dụng để xác định 1 vật
chất chưa biết.
II. NGUYÊN TẮC VÀ CẤU TRÚC CỦA HỒNG NGOẠI BIẾN ĐỔI FOURIER
2.1. Quá trình hình thành quang phổ kế.
Quang phổ kế có thể được chia thành 2 loại, độ quang phổ hồng ngoại phân tán
(IR) và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), sự khác nhau trong việc xây
dựng công cụ giữa IR và FTIR được chứng minh trong sơ đồ 2.1.
Đối với một phân tán IR quang phổ kế, một loại lưới monochrometer được sử
dụng để phát tán bức xạ của nguồn đa sắc vào các yếu tố quang phổ khác nhau, sau đó
được đo bằng máy đo. Thay thế bằng việc sử dụng monochrometer như phân tán IR, 1
FTIR quang phổ kế sử dụng 1 giao thoa kế để tạo ra interferogram (cái ghi giao thoa).


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

Như đã chỉ ra ở sơ đồ 2.2, 1 phổ năng lượng, cái mà được mô tả trong giới hạn trường
năng lượng thì được thu được thông qua sự biến đổi Fourier (FT) của 1 interferogram
2.2 Giao thoa kế của FTIR
2.3 Mối quan hệ giữa sự biến đổi Fourier và quang phổ
2.4 Lợi ích (lợi thế) của FTIR
2.4.1 lợi ích hỗn hợp
2.4.2 lợi ích mở
2.4.3 lợi ích tham khảo Laser

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU

NHÓM III

5

CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU THIẾT BỊ QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI(IR), HỒNG NGOẠI
BIẾN ĐỔI FOURIER(FT-IR)
I. Máy quang phổ hồng ngoại và các điều kiện ghi phổ.
1. Máy quang phổ hồng ngoại hai chùm tia.
Máy đo phổ hồng ngoại phổ biến nhất hiện nay là loại máy gồm các bộ phận
chính sau:
Bộ cấp nguồn sáng,
Bộ tách ánh sáng đơn sắc,
Bộ phận nhận tín hiệu và khuếch đại tín hiệu
Bộ phân xử lý tín hiệu .
Ngày nay các thế hệ máy IR mới được hoàn thiện và tự động hóa rất nhiều
giúp cho các nhà phân tích thuận lợi hơn trong thao tác và vận hành máy.
Sơ đồ nguyên lý máy đo phổ hồng ngoại hai chùm tia được mô tả như
sau:
Nguồn bức xạ 1 phát ra chùm tia hồng ngoại với mọi tần số trong vùng
cần khảo sát. Chùm tia này được chia làm hai phần, một phần đi qua mẫu (2), phần
khác đi qua môi trường đo 2‟ (dung môi). Bộ tạo đơn sắc 3 sẽ tách từng tần số để đưa
qua bộ phận phân tích (detectơ) 4. Detectơ sẽ so sánh cường độ hai chùm tia để cho ra
những tín hiệu có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu. Máy tự ghi 6 sẽ
nhận tín hiệu điện do detectơ cung cấp dưới dạng những đường cong phụ thuộc vào %
bức xạ truyền qua vào số sóng cm

-

.
Hình1.10 :.Sơ đồ nguyên tắc và máy hồng ngoại hai chùm tia
1.1 Nguồn sáng
Thường dùng trong thiết bị IR là đèn Nernst chứa oxit kim loại đất hiếm hoặc

cacbit silic có khả năng đốt nóng đến nhiệt độ cao và phát ra tia hồng ngọai.
Chùm tia này từ nguồn sáng thường là tia đa sắc cho nên phải qua bộ phận lọc
tách ánh sáng đơn sắc gồm những lăng kính được chế tạo từ các tinh thể muối làm


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH – CƠ SỞ ĐÀO TẠO NGHỆ AN

vật liệu như LiF, CaF2, NaCl, KBr..,
Các cách tử này chỉ cho ánh sáng với khoảng buớc sóng nhất định đi
qua.
Cấu tạo của đèn Nernst gồm một ống thủy tinh có đường kính khoảng 12mm, dài khoảng 20-50 mm. Trong ống đựng oxit ZrO2 và Y2O3 có các sợi platin
o

gắn vào hai đầu ống để nối với mạch điện. Nhiệt độ đốt nóng khoảng 1200-2200 K
Đèn Globar.

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH HÓA DẦU

NHÓM III

7


Đèn này cũng phát bức xạ hồng ngoại liên tục và cũng thuộc loại đèn đốt nóng
vật đen. Cấu tạo của đèn là một thanh silicacbua dài 40-60 mm và có đường kính
o

khoảng 4-6 mm, nhiệt độ đốt nóng khoảng 1300-1500 K.
1.2 Nhận tín hiệu
Các bức xạ hồng ngoại có cường độ và năng lượng thấp nên thường được sử

dụng detectơ nhiệt dựa trên hiệu ứng nhiệt để phát hiện tất cả các vùng sóng hồng
ngoại.
Detectơ hỏa điện thường được dùng trong thiết bị phổ hồng ngoạ1.đó là một
thanh mỏng chất hỏa điện nằm giữa hai điện cực tạo ra một tụ điện.
Các chất hỏa điện thường dùng là triglixin sunfat (TGS) được biến tính với
dơteri (DTGS).
Tia sáng sau khi đi qua mẫu đo sẽ bị hấp thụ một phần còn lại được đưa qua bộ
phận nhận tín hiệu biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện với dòng rất nhỏ. Cường
độ dòng điện phụ thuộc vào ánh sáng bị hấp thụ nhiều hay ít.
Thông thường dòng điện này rất nhỏ nên phải có bộ phận khuếch đại để dòng
điện mạnh lên và sau đó đưa vào máy tính để vẽ phổ đồ và xử lý số liệu
Ví dụ : một số vật liệu lăng kính các bước sóng
Vật liệu
Chiều dài sóng
LiF

2-6

m

CaF2

1-8

m

NaCl

2,5 – 15 m

KBr

12,5 – 25 m

CsI

25 – 50 m

Hiện nay các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu
biến đổi Furie‟ FTIR (Fourier Transformation Infared Spectrophotometer).
Trong máy đo FTIR người ta không dùng bộ tạo đơn sắc mà dùng bộ tạo giao
thoa gồm một gương cố định và một gương di động và bộ phân chia chùm tia
sáng.


II.
Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier gồm các bộ phận chính
Sau:
i.
ii.
iii.
iv.

Nguồn sáng (1)
Giao thoa kế (2)
Detectơ (6)
Máy tính (7)

Hình 1.11: Sơ đồ phổ kế biến đổi Fourier FT-IR
1. Nguồn sáng; 2. Gương cố định; 3. Gương di động.

4. Chia chùm sóng; 5. mẫu đo; 6. Detectơ; 7. Máy tính
2.1 Nguồn sáng
Nguồn sáng cho phổ kế FT-IR cũng là đèn Nernst, đèn global, phát ra
bức xạ hồng ngọai liên tục
2.2 Giao thoa kế
Gồm một guơng cố định, một gương di động và bộ tách quang. Bộ tách quang
được chế tạo từ một số vật liệu khác nhau tùy thuộc vào vùng hồng ngoại xa hay gần,
mỗi loại vật liệu được sử dụng cho một vùng giới hạn bước sóng
Bảng 1.7: Vật liệu chế tạo bộ phận tách quang.
Vật liệu

Vùng bức xạ hồng
ngoại cm

-1

Ghi chú


Si thạch anh

20.000-3000

IR gần

Si/CaF2
Si/CaF2
Ge/CsI, NaCl, KBr
Mylar 3,5
Mylar 6,5

Mylar 12,5

10.000-2000
5000-300
5000-400
700-100
500-100
250-50

IR gần
IR trung bình
IR trung bình
IR xa
IR xa
IR xa

2.3 Detectơ
Nguyên tắc cơ bản của detectơ là khi một photon đập vào mặt của một chất rắn sẽ làm
bật ra các electron, sau đó các electron này chuyển động và đập vào bề mặt chất rắn và
lại làm bật ra electron với số lượng lớn hơn nhiều lần. Chất rắn đó phải là những chất
bán dẫn và mỗi chất tương ứng với một vùng bức xạ hồng ngoại khác nhau.
Bảng 1.8: Một số chất bán dẫn làm detectơ
và vùng phổ hồng ngoại tương ứng
Vật liệu detectơ

-1

Vùng phổ IR cm

Diod Si

20000-8000

PbS (N2)
DTGS (detetơ triglycin sunfat)
CsL
MCT (N2)

10000-4000
5000-400
5000-200
5000-500

Máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier thuận tiện hơn máy phổ hồng ngoại
thường. Việc dùng giao thoa kế cho phép làm khe sáng rộng hơn do đó lượng ánh sáng
thu được trên giao thoa kế sẽ lớn hơn nhiều so với bộ tạo đơn sắc. Ngoài ra nó còn
giảm được nhiễu, tăng tín hiệu và tự động hóa ở mức độ cao.
Trong quá trình làm việc thang tần số của máy có thể bị xê dịch vì vậy phải
điều chỉnh lại theo chất chuẩn như amoniac, hơi nước hoặc polistiren.
III. Chuẩn bị mẫu ghi phổ hồng ngoại
Mẫu phân tích có thể ở dạng khí, lỏng, rắn. Mỗi loại mẫu đều có cuvet riêng và
chuẩn bị theo phương pháp thích hợp.
3.1 Mẫu dạng
khí
Có loại cuvet riêng với độ dài 10cm trong đó có đặt gương phản chiếu để tăng
chiều dài đường đi của ánh sáng và tăng độ hấp thụ ánh sáng của phân tử khí. Hai đầu
cuvet được bịt bằng tấm NaCl


3.2 Mẫu dạng lỏng

Nếu là chất lỏng tinh khiết thì dùng hai tấm NaCl và nhỏ một giọt chất lỏng
vào giữa hai tấm NaCl tạo thành lớp màng chất lỏng ép giữa tai tấm đó.hoặc cũng có
thể đo bằng cuvet riêng khi chất tan trong dung mô1.
Dung môi pha loãng mẫu thường sử dụng là CCl4 hoặc CHCl3.
Cần phải chú ý là mẫu và dung môi phải tuyệt đối khan nếu không sẽ làm hỏng
các tấm của sổ bằng tinh thể KBr hay NaCl.
Dung dịch mẫu đuợc chuẩn bị như sau
Hòa tan chất nghiên cứu vào dung môi thích hợp với nồng độ 1-5 %, sau
đó cho vào cuvét thứ nhất. Độ dầy của cuvét là 0,1 mm. Cho dung môi vào


cuvét thứ hai giống hệt cuvét thứ nhất về độ dầy và vật liệu chế tạo. Nhờ so sánh hai
chùm tia đi qua dung dịch và dung môi người ta có thể loại vạch hấp thụ của dung môi.
-2
Nồng độ chất ghi phổ IR của mẫu lỏng trong khoảng từ 10 đến 1 mol /l.
Để ghi phổ cho những mẫu có tinh kiềm, axit, hoặc dung dịch nước thì phải dùng các
cuvet không tan trong nước như fluorit, silic, germany là những vật liệu không hấp thụ
trong vùng ánh sáng hồng ngoại.Độ dầy của cuvét cũng có ảnh hưởng lớn khả năng
hấp thụ ánh sáng của dung môi.
Ví dụ : CCl4 ở cuvét có độ dầy =0,1 mm được coi là trong suốt ở vùng 4000-1

820 và 720-650 cm nhưng cuvét có độ dầy 1mm nó hấp thụ đáng kể ở 1600-1550
-1

1270-1200, 1020-960 cm .
3.3 Mẫu dạng
rắn
Có nhiều cách đo mẫu ở dạng rắn nhưng đơn giản và thuận tiện nhất là ép viên
với KBr.
Nghiền mẫu thật mịn sau đó ép với KBr với một lượng KBr lớn hơn từ 10- 100

lần trên máy nén ép thành những viên dẹt với chiều dày khoảng 0,1 mm. Viên dẹt thu
được hầu như trong suốt và các chất phân tích được phân tán đồng đều.
Lượng mẫu cần thiết để ép màng khoảng 2-5 mg.
Cần chú ý là KBr có tính hút ẩm rất mạnh nên trong phổ thường xuất hiện vạch
-1

phổ hấp thụ của nước ở 3450 cm . Ngoài ra dùng KBr còn có thể xẩy ra phản ứng trao
đổi cation hoặc anion với các chất nghiên cứu là muối vô cơ hoặc các phức vô cơ


CHƯƠNG III
ỨNG DỤNG CỦA QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG PHÂN TÍCH
HỢP CHẤT HỮU CƠ, HÓA DẦU
Quang phổ hồng ngoại dùng để xác định các nhóm chức, để định danh các hợp
chất hữu cơ và để nghiên cứu cấu trúc của chúng.
Để xác định các nhóm chức cần phải sử dụng một loạt các vạch hấp thụ đặc trưng
của nhóm này.
Ví dụ để định danh các hydrocacbon thơm có thể dựa vào các vạch phổ đặc
-1

trưng trong vùng 3000 cm đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C- Harom., 1600-1

-1

1500 cm đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết C=C arom và 900-700 cm đặc
trưng cho dao động biến dạng của liên kết C-H.
Sự thay đổi tần số hấp thụ liên quan đến trạng thái tồn tại của các phân tử hợp
chất. Ở trạng thái lỏng và khí một số hợp chất hữu cơ có thể có nhiều

cấu trúc đồng phân. Ở trạng thái rắn thì thông thường chỉ tồn tại một đồng
phân.
Ví dụ: phổ hồng ngoại của của cloaxeton có hai vạch phổ của hai đồng phân ở
vùng dao động của liên kết C-Cl ở 673 và 728 cm

-1

trong khi đó ở trạng thái rắn

-1

chỉ có một vạch phổ hấp thụ ở 761 cm .
I. Các tần số đặc trưng của hợp chất hữu cơ hydrocacbon
1. Hydrocácbon bão hòa (Parafin)
Quang phổ hồng ngoại của các hydrocacbon bão hòa đặc trưng bởi sự xuất hiện
các vùng hấp thụ đặc trưng của các liên kết trong các nhóm chức metyl -CH3, metylen
-CH2-, metyliden -CH –
Các nhóm chức này có tần số dao động ở ba vùng hấp thụ là 3000-2800,
-1

1400-1300 và 700 cm .
-1

Phổ hấp phụ ở vùng 3000-2800 cm đặc trưng cho dao động hóa trị của liên kết
C-H trong các nhóm chức -CH3 và -CH2-. Trong vùng này những đỉnh ở 2962 và 2872
-1

cm là dao động đối xứng và bất đối xứng của liên kết C-H.
Ví dụ sau thể hiện những vạch phổ đặc trưng của các nhóm kể trên
(h.1.12)

Hình 1.12: Phổ hồng ngoại của 2-metylbutan
2. Nhóm Metyl [-CH3]
Có ba dao động hóa trị và ba dao động biến dạng, ngoài ra còn có dao động quả
lắc và dao động xoắn.
-1

Dao động hóa trị đối xứng của CH3 ở 2872
10cm
Dao động hóa trị bất đối xứng của CH3 mạch thẳng hấp thụ ở
2962

-1

-1

10cm còn của nhóm CH3 mạch nhánh ở 2930 cm .
-1

Ở các hợp chất thơm nhóm CH3 hấp thụ ở 295 và 185 cm .


Dao động biến dạng bất đối xứng ở nhóm CH3 ơ gần 1465 cm

-1

-1

Và dao động biến dạng đối xứng ở 1375 cm .
Khi nhóm CH3 gần với các dị nguyên tố O, P, N, S.. thì tần số dao động hóa trị

và biến dạng có thay đổi chút ít.
-1

Dao động quả lắc của nhóm CH3 hấp phụ mạnh ở 1150-1120 cm và
-1

900-890 cm .
-1

Nhóm isopropyl hấp thụ ở 922-919 cm .
-1

Nhóm t-butyl ở 932-926 cm ,
Nhóm CH3 ở các hợp chất thơm hấp thụ ở 1040.
-1

Nhóm S-CH3 là ở 950 cm .
-1

Nhóm P-CH3 hấp thụ ở gần 880 cm .
3. Nhóm metylen CH2
Dao động của nhóm metylen bao gồm 2 dao động hóa trị và 4 dao động biến
dạng sau
1. Dao động hóa trị bất đối xứng (a)
2. Dao động hóa trị đối xứng.(b)
3. Dao động biến dạng hình kéo (c)
4. Dao động biến dạng quạt (d).
5. Dao động biến dạng xoắn.(e)
6. Dao động biến dạng đu đưa (f).

Hình 1.13: Các kiểu dao động của nhóm CH2
Đối với hydrocacbon mạch thẳng dao động hóa trị bất đối xứng của nhóm
-1

-1

–CH2 nằm ở vùng 2390 cm . còn dao động hóa trị đối xứng ở 2850 cm
Các dao động biến dạng của nhóm CH2 cũng có dao động biến dạng đối xứng ở
-1

-1

1380 cm và bất đối xứng ở 1460 cm .


Trong hydrocacbon mạch thẳng nếu số cácbon n >5 phổ IR của nhóm
CH3 xuất hiện như một vài phổ đặc trưng cho dao động biến dạng của nhóm
CH2.
Khi nhóm CH2 với nối đôi hoặc nối ba của nó ở 1440 cm
CO cacbonyl thì ở 1425 cm

-1

còn nối với nhóm

-1.
-1

Dao động biến dạng qủa lắc của nhóm metylen ở vùng 790-720cm . Vị trí của
các mũi phụ thuộc vào độ dài của mạch cacbon.

-1

-1

Ví dụ : C2H5 ở 790-770 cm . C3H7 ở 743-734 cm
Dao động quả lắc của nhóm CH2 còn có thể dùng để phát hiện mạch polymetylen.
-1

Các dao động biến dạng khác của nhóm metylen nằm ở vùng 1300 cm với cường
độ yếu.
Thực nghiệm chỉ ra rằng khi trong phân tử chất hữu cơ chứa nhóm propyl thì
-1

trong phổ IR sẽ xuất hiện hai vùng hấp thụ ở 1170 và 1145 cm , nhóm tert- butyl ở
-1

1255 và 1210 cm , và nếu có nhóm chứa cacbon bậc bốn (tetracacbon) sẽ có các đỉnh
-1

ở 1215 và 1195 cm .
4. Các xicloankan
Nhóm CH2 có dao động hóa trị bất đối xứng ở vòng sáu cạnh là 2930 còn ở
-1

vòng ba cạnh là 3080 cm .
-1

Dao động hóa trị đối xứng ở 3030-2840 cm .
-1

Dao động biến dạng của nhóm CH2 vòng ở 1470-1450 cm .
Nói chung khi độ dài của cạnh càng lớn thì cường độ của các vạch hấp thụ càng
tăng, sự phụ thuộc này có thể biểu diễn qua đồ thị sau.

Hình 1.14. Sự phụ thuộc của cường độ hấp thụ vào số nhóm CH2
5. Nhóm metyliden –CH–


-1

Nhóm C-H bão hòa có dao động hóa trị ở 2900 cm , còn dao động biến dạng của
-1,

nó ở 1350-1315 cm khi nhóm C-H gắn trực tiếp với với các dị nguyên tố thì tần
số dao động có thể bị thay đổ1.
-1
Ví dụ : CHCO có dao động biến dạng ở 1420-1370 cm .
Nhóm CH không no và thơm có thể phân biệt với nhóm CH no ở tần số hấp thụ
-1

-1

thường >3000 cm , còn no < 3000 cm . Tuy nhiên do cường độ của vạch không no
nhỏ hơn nên chúng thường bị che phủ bởi vạch phổ của CH no hoặc các vạch của
nhóm NH và OH có cường độ lớn hơn rất nhiều.
6. Hydrocacbon khong no (olephin)
Các olephin là những hợp chất hữu cơ chứa trong mạch của nó các liên kết đô1.
Đại diện đầu tiên của dãy đồng đẳng này là etylen được coi là olephin chưa thế. Các
đồng đẳng cao của nó là các olephin thế gốc hydrocacbon bao gồm các dạng thế sau :
i. Thế mono

Thế cis-di
iii. Thế trans-di
iv. Thế gemi-di
v. Thế tri
vi. Thế tetra
Đối với hợp chất mà phân tử olephin đối xứng tâm thì dao động hóa trị C=C
không xuất hiện vì dao động này không làm thay đổi momen lưỡng cực. Còn trong các
hợp chất không đối xứng thì cường độ hấp thụ của liên kết này tăng khi liên kết đôi
dịch chuyển về phía đầu mạch.
ii.

-1

Vị trí đỉnh hấp thụ của dao động hóa trị liên kết C=C trong ở 1680-1640 cm và
nó phụ thuộc vào cấu trúc hình học và mức độ thế của liên kết.
Bảng 1.9: Dao động của C=C olephin
Cấu tạo hóa học
RCH=CH2(thế mono)
R1R2C=CH2(thế gemi)
R1CH=CHR2 (thế cis, trans)
Cis
Trans R1R2C=CHR3(thế tri)
R1R2C=CR3R4 (thế tetra)

-1

, cm .
1648-1638
1658-1648
1662-1652

1678-1668
1675-1665
1675-1665.


Như trong bảng trên khi tăng số thế tần số dao động liên kết C=C tăng.
Mặt khác cấu trúc hình học của phân tử cũng làm thay đổi tần số như cấu trúc
đồng phân trans tần số cao hơn so với đồng phân cis, tuy vậy cường độ vạch hấp thụ
lại thấp hơn
Bảng 1.10. cường độ vạch hấp thụ của các chất
-1

Hợp chất

, cm

Hexen-1

1642

42

Pentadien-1,4 3,3
dimetylbyten-1
2,dimetylpenten-1
cis-penten -2
trans-penten -2

1642
1645

1653
1658
1670

40
46
33
10
2

Cuờng độ

Trong phân tử olephin tồn tại dao động hóa trị và biến dạng của liên kết C-H,
dao động quả lắc, dao động quạt là dao động hóa trị của liên kết C=C.
-1
vii. Dao động hóa trị của =CH nằm ở 3100-3000 cm .
viii.

Dao dộng biến dạng =CH ở 1400-1000 trong mặt phẳng và ngoài
-1.

ix.

mặt phẳng ở 1000-600 cm
Dao động hóa trị đơn của C=C ở 1680-1640 và liên hợp ở

x.

1650- 1600cm
Dao động của nối đôi liên hợp với nhóm cacbonyl nằm ở vùng

xi.

1640- 1590 cm .
Dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của nhóm H-C=C-H

-1

-1

-1

trong phân tử olephin rất đặc trưng ở tần số 1000-800 cm và có
cường độ đủ mạnh để có thể nhận biết nhóm chức này.
Đối với các hợp chất olephin vòng (xicloanken) tần số dao động C=C có thể thay
đổi theo độ lớn của vòng và các nhóm thế của chúng.
b. Hydrocacbon thơm (Aromatic)
Hyrocacbon thơm có các dao động ở ba vùng sau: Dao
-1

động hóa trị của liên kết C-H ở 3100-3000 cm . Dao động
-1

hóa trị C-C ở vùng 2000-1650 cm
-1
Dao động biến dạng C-H ở vùng 900-650 cm .
Dao động hóa trị C-H có cường độ vạch phổ trung bình và thường là một nhóm
vạch phổ. Khi có nhóm alkyl thì vạch hấp thụ của nhóm C-H trong vòng thơm thể hiện
như một vai trên vạch phổ của liên kết C-H bão hòa.
Khi có mặt các nhóm thế thì tần số dao động hóa trị thay đổi chút ít.

Các dẫn xuất thế một lần của benzen C6H5X trong đó X là nhóm, halogen,
ankyl, amin NH2, Andehit CHO..
Sự hấp thụ của các hợp chất thơm trong vùng 1600-1500 cm

-1

gồm các vạch

-1

phổ ở 1600,1580, 1500, 1450 cm .
Cường độ của các vạch này thay đổi rất rộng. Vạch ở 1500 cm

-1

có

-1

cường độ lớn hơn so với vạch ở 1600 cm .
Vạch ở 1580 chỉ xuất hiện khi vòng benzen liên hợp với nhóm không no. Sự liên
hợp sẽ làm tăng cường độ các vạch phổ nhưng ít làm thay đổi vị trí của nó.
-1
-1
Cường độ vạch phổ ở vùng < 900 cm - 670cm của hydrocacbon thơm
rất mạnh đặc trưng cho dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của liên kết C-H
của vòng thơm
Bảng 1.11. Tần số đặc trưng cho dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của C-1

H trong benzen thế. (cm )
Loại thế
Thế một lần
Thế hai lần 1,2
Thế hai lần 1,3

Thế hai lần 1,4 và bốn lần
1,2,3,4
Thế ba lần 1,2,3

Thế ba lần 1,2,4
Thế ba lần 1,3,5
Thế bốn lần 1,2,3,5 và
1,2,4,5.
Thế năm lần

Tần số dao động
biến dạng

C-H

Cường độ

770-730

Mạnh

710-690
770-735

900-860
810-750
725-680
860-800
800-770
720-685

Mạnh
Mạnh
Mạnh
Trung bình
Mạnh Mạnh
Mạnh
Trung bình

860-800
900-860
900-860
865-810
730-675
860-800
900-860

Mạnh Trung
bình Trung
bình Mạnh
Mạnh Trung
bình Trung
bình

-1

Đối với vòng benzen dao động biến dạng này ở vạch 671 cm , còn ở vòng
benzen thế tần số của dao động biến dạng của liên kết C-H phụ thuộc vào số và vị trí
của nhóm thế.
Theo số lượng và vị trí vạch phổ có thể xác định loại thế của vòng
benzen.(para, octo, hay meta...).
Loại thế của vòng benzen còn có thể xác định theo vạch phổ ở vùng
-1

2000-1600cm .
Ở vùng phổ này xuất hiện dao động biến dạng tổ hợp của liên kết C-H với cường
độ yếu ( =5) vì vậy muốn thấy được vạch này cần phải ghi phổ của mẫu với nồng
độ cao hơn gấp 10 lần.
Khi phân tử benzen thế thì tính đối xứng của nó cũng thay đổi do đó số dao động
cơ bản cũng thay đổ1.
Bảng 1.12: Dao động biến dạng của C-H trong mặt phẳng của benzen thế
-1
(cm )
Thế mono

Thế orto

Thế meta

Thế para

1027

3

1033

11

1076

7

1013

5

1073

4

1125

14

1076

7

1117

7

1156

5

1160

4

1157

5

1175

6

1177

6

1269

17

1278

12

1258

11

1240

8

Dao động hóa trị của liên kết C=C trong vòng benzen thế có vạch hấp thụ ở bốn
-1

đỉnh sau :1450, 1500, 1580, 1600 cm .Cường độ của các vạch hấp thụ phụ thuộc vào
độ âm điện của các nhóm thế. Cường độ của các vạch mạnh hay yếu tùy theo nhóm thế
là đẩy điện tử hay hút điện tử


Hình 1.15: Phổ hồng ngoại của 1.m- xylen, 2:o-xylen ;3 : p-xylen
c. Hidrocacbon axetilenic
Khi trong phân tử chứa liên kết ba C C trong phổ hồng ngoại sẽ xuất hiện
-1

tần số hấp thụ đặc trưng ở 2300-2100 cm .
Dao động hóa trị

CH

-1

của axetylen không thế chỉ hấp thụ ơ 3287 cm và

-1

ở 729 cm . Còn vạch hấp thu ứng với C
Axetilen thế
Axetilen thế cho dao động hóa trị
Dao động hóa trị thế hai lần C

C thì không xuất hiện vì bị cấm.
-1

C-H (thế mono) ở 3320 - 3300 cm .
-1

C ở 2140-2100 cm .
-1

Dao động biến dạng của nhóm C

C-H ở 650-610 cm .
-1

Dao động tổ hợp ở 1250-1220 cm .
d. Hydrocabon liên hợp
-1

Các liên kết đôi liên hợp C=C sẽ có hai vùng hấp phụ ở 1650 -1600 cm . Số
luợng các nối đôi liên hợp tăng phổ hấp thụ sẽ chuyển dịch về phía có tần số nhỏ hơn.
Khi nối đôi liên hợp với vòng thơm thì sự chuyển dịch tần số thường nhỏ hơn khi
liên hợp với các liên kết bão hòa. Cường độ hấp thụ tăng mạnh cùng với sự tăng
-1

cường độ của của dao động khung của vòng thơm trong khoảng 1600-1500 cm .

e.
Các hợp chất hữu cơ với các nhóm chức khác nhau
5.6.1. Các hợp chất chứa oxy (ancol, phenol, ete)
Những hợp chất chứa nhóm hydroxyl OH sẽ có các phổ đặc trưng của dao động
-1

các liên kết O-H và C-O. Các vạch phổ đặc trưng nhất ở vùng 3600- 3000 cm là dao
-1

động hóa trị của nhóm O-H ở 1400-1000 cm là dao động biến dạng của liên kết C–
O– H
Dao động hóa trị của nhóm O-H là rất đặc trưng hấp thụ ở vùng tần số rất rộng từ
-1

3600-2500 cm vì trong đó có hydro linh động tham gia do việc tạo thành liên kết
cầu nối hydro giữa các phân tử.
Vị trí của vạch phổ hấp thụ có thể thay đổi thùy theo nồng độ dung dịch và tùy
loại dung môi hòa tan vì nó làm thay đổi số lượng cầu nối hydro.
Nhóm O-H tự do của phenol và và rượu có vạch hấp thụ ở vùng rất hẹp ở
-1

3670-3580 cm và rất dễ dàng xác định.
Bảng 1.13: Tần số hấp thụ của các nhóm OH của ancol và phenol
Nhóm

Tần số
-1

Dạng dao
động

-OH tự do

cm
3650-3590

Hóa trị OH

-OH liên kết hidro

3600-3200

Hóa trị OH

Ghi chú
Thường nhọn
Thường tù. Liên kết
hidro càng mạnh,
tần số càng giảm

-OH liên kết hydro

3200-2500

Hóa trị OH

nội phân tử

Hay lẫn với dao
dộng OH của axit

3710,

Hóa trị OH

3600-3100
1640-1615

Biến dạng OH

3500-3450

Hóa trị OH

-O-H

1410-1260

Biến dạngOH

Tăng khi có liên kết

-C-OH

1150-1040

Hóa trị C-O

hidro

H2O trong dung
dịch
H2O kết tinh trong
mẫu rắn
H2O ẩm

Vạch phổ rộng

Một đặc trưng quan trọng của sự tạo thành liên kết hydro giữa các phân tử là sự
-1

thay đổi vị trí vạch phổ ở vùng 3600-3200 cm khi thay đổi nồng độ của hợp chất
trong dung môi.
Khi ở nồng độ thấp các vạch phổ có vùng hấp thụ rất hẹp nói lên nhóm OH tự
do.


Hình 1.16 : Phổ hồng ngoại của một số hợp chất chứa nhóm OH
1:6-clo -1-hexanol ;2: o-crezol ;3:pyrocatechol.


Khi tăng nồng độ dẫn đến tạo thành các dimer và polymer. Trong phổ IR ngoài
vạch phổ đặc trưng cho nhóm OH tự do còn xuất hiện các vạch phổ ở vùng có bước
sóng dài hơn. Nếu tiếp tục tăng nồng độ của hợp chất sẽ làm tăng cường độ hấp thụ
của các nhóm OH liên kết và giảm cường độ của nhóm OH tự do.
Nhóm OH với liên kết cầu hydro nội phân tử có vạch hấp thụ rất hẹp trong
-1

khoảng 3590-3420 cm .
Khác với những hợp chất có liên kết cầu hydro giữa các phân tử, vạch hấp thụ
đặc trưng của chúng trong dung môi không phụ thuộc vào nồng độ của chúng.
-1

Như vậy trong vùng phổ IR từ 3600-3000 cm cho phép khảo sát các loại
liên kết hydro của các hợp chất hữu cơ bằng cách thay đổi nồng độ của chúng trong
dung môi và quan sát sự phụ thuộc của cường độ và vị trí cách vạch phổ đặc trưng
của chúng theo nồng độ.
-1

Bảng 1.14: Dao động hóa trị của nhóm O-H (cm )
Hợp chất

-1

Tần số (cm )

O-H tự do

3670-3580

Cầu hydro ngoại phân tử

2550-3200

Cầu hydro nội phân tử

3590-3420

Vòng càng cua

3200-2500

CH2=CH-CH2-OH

3631-không liên hợp
3618 -liên hợp

CH C-CH2-OH
C6H5OH

3620-không liên hợp
3617-3590 không liên hợp
3250-3200 liên hợp 3632-

C6H5-CH2-OH

không liên hợp 3615 liên
hợp.

C6H5CH2CH2-O-H

3634 không liên hợp

Dao động biến dạng của nhóm O-H trong phân tử phenol và ancol nằm
-1

trong vùng 1400-1200 cm phụ thuộc vào bậc của ancol.

Bảng 1.15 : Dao động biến dạng của nhóm O-H của hợp chất
phenol và ancol
Hợp chất

-1

Tần số cm

Ancol bậc I

1420,1330

Ancol bậc II
Ancol bậc III
Phenol

1430,1320,1225
1410, 1320
1390-1330
1260-1180
1321-1319
1256-1242
1171-1160
1285-1269
1188-1180
1260-1248
1171-1166

2-ankylphenol

3-ankylphenol
4-ankylphenol

a. Dao động hóa trị của nhóm C-OLiên kết C-O là liên kết không phân cực có vạch phổ cường độ mạnh ở vùng
-1

1200-1000 cm , đặc trưng cho dao động hóa trị của mạch. Ngoài ra còn xuất hiện các
-1

vạch phổ cường độ mạnh ở vùng 1400-1000 cm đặc trưng cho dao động biến dạng
trong mặt phẳng.
Bảng 1.16: Dao động hóa trị của nhóm C-O- trong ancol
tùy thuộc vào bậc của ancol
Hợp chất

-1

Tần số cm

Ancol bậc I

1075-1000

Ancol bậc II thẳng

1125-1090

Ancol bậc II thơm

1075-1000

Ancol bậc III

1210-1100

Phenol

1260-1180

b. Các hợp chất ete
Trong phân tử của hợp chất ete có nhóm C-O-C hấp thụ ở vùng sau
Khi có mặt oxy trong phân tử thì tần số dao động hóa trị của nhóm CH 3
và CH2 nối trực tiếp với nguyên tử oxy sẽ bị thay đổ1.