紅外光譜實(shí)驗(yàn)

1、一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解傅立葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)和工作原理。(2) 初步掌握紅外光譜的測試和分析方法。二、 實(shí)驗(yàn)原理1 基本原理構(gòu)成物質(zhì)的分子都是由原子通過化學(xué)鍵連結(jié)而成，分子中的原子與化學(xué)鍵受光能輻射后均處于不斷的運(yùn)動之中。這些運(yùn)動除了原子外層價(jià)電子的躍遷之外，還有分子中原子的相對振動和分子本身的繞核轉(zhuǎn)動。當(dāng)一束紅外光照射物質(zhì)時(shí)，被照射物質(zhì)的分子將吸收一部分相應(yīng)的光能，轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝雍娃D(zhuǎn)動能量，使分子固有的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷到較高的能級，光譜上即出現(xiàn)吸收譜帶。通常以波長（m）或波數(shù)（cm -1 ）為橫坐標(biāo)，吸光度（A）或百分透過率（T%）為縱坐標(biāo)，將這種吸收情況以吸收曲線的形式記錄下來

2、，得到該物質(zhì)的紅外吸收光譜或紅外透射光譜，簡稱紅外光譜。1) 透射率（透過率） = ´T=II0×100%式中，I0 為入射光強(qiáng)度，I 為透射光強(qiáng)度。整個吸收曲線反映了一個化合物在不同波長的光譜區(qū)域內(nèi)吸收能力的分布情況2) 紅外光譜區(qū)域通常將紅外光譜區(qū)按波長分為3個區(qū)域，即近紅外區(qū)、中紅外區(qū)、遠(yuǎn)紅外區(qū)，如表1所示。3) 分子振動方式多原子分子中的化學(xué)鍵有多種振動形式，一般分為伸縮振動和彎曲振動兩類。各鍵的振動頻率不僅與這些鍵本身有關(guān)，也受到整個分子的影響。4) 雙原子形成化學(xué)鍵的波數(shù)以經(jīng)典力學(xué)來處理分子中化學(xué)鍵的振動：將復(fù)雜分子看成是由不同質(zhì)量的小球和不同倔強(qiáng)系數(shù)的彈簧組成

3、的，小球代表原子，彈簧代表化學(xué)鍵?；瘜W(xué)鍵振動近似為彈簧振子。若將雙原子看成是質(zhì)量分別為 m 1 、m 2 的兩個小球，把它們之間的化學(xué)鍵看成質(zhì)量可忽略不計(jì)的彈簧，其長度為 r(鍵長)，兩個原子(諧振子)之間的伸縮振動可近似地看成沿軸線方向的簡諧振動。若力常數(shù)k用N·cm折合質(zhì)量m以原子量為單位，則上式可簡化為式(1)和式(2)表明影響基本振動躍遷的頻率或波數(shù)的直接因素為化學(xué)鍵力常數(shù)k和原子質(zhì)量m。 k 越 大，化學(xué)鍵的 振動頻率或波數(shù)越高，如k CºC(2222cm-1 ) k C=C(1667cm -1 ) k C-C(1429cm -1 )（ 質(zhì)量相近）m 越 大，化學(xué)

4、鍵的振動頻率或波數(shù)越低，如mC-C(1430cm-1 ) mC-N(1330cm -1 ) mC-O(1280cm -1 ) (力常數(shù)相近）需說明的是，經(jīng)典力學(xué)導(dǎo)出的波數(shù)計(jì)算式為近似式。因?yàn)檎駝幽芰孔兓橇孔踊模肿又懈骰鶊F(tuán)之間、化學(xué)鍵之間會相互影響，即分子振動的波數(shù)與分子結(jié)構(gòu)（內(nèi)因）和所處的化學(xué)環(huán)境（外因）有關(guān)。2 紅外光譜產(chǎn)生的條件當(dāng)以紅外光照射物質(zhì)分子時(shí)，可能產(chǎn)生紅外吸收。但并不是分子的任何振動都能產(chǎn)生紅外吸收光譜，只有物質(zhì)吸收了電磁輻射滿足下列兩個條件時(shí),才能產(chǎn)生紅外吸收光譜。條件之一：光輻射的能量恰好能滿足物質(zhì)分子振動躍遷所需的能量。即E=hv=振D條件之二：光輻射與物質(zhì)之間能產(chǎn)生

5、偶合作用，即物質(zhì)分子在振動周期內(nèi)能發(fā)生偶極矩的變化。3 傅立葉 變換紅外光譜儀 工作 原理如圖3，儀器中的Michelson干涉儀將光源發(fā)出的光分成兩光束后，再以不同的光程差重新組合，發(fā)生干涉現(xiàn)象。當(dāng)兩束光的光程差為l/2的偶數(shù)倍時(shí)，則落在檢測器上的相干光相互疊加，產(chǎn)生明線，其相干光強(qiáng)度有極大值；相反，當(dāng)兩束光的光程差為/2的奇數(shù)倍時(shí)， 則落在檢測器上的相干光相互抵消， 產(chǎn)生暗線， 相干光強(qiáng)度有極小值。由于多色光的干涉圖等于所有各單色光干涉圖的加合，故得到的是具有中心極大，并向兩邊迅速衰減的對稱干涉圖。干涉圖包含光源的全部頻率和與各頻率相對應(yīng)的強(qiáng)度信息，所以如有一個有紅外吸收的樣品放在干涉儀的

6、光路中，由于樣品能吸收特征波數(shù)的能量，結(jié)果所得到的干涉圖強(qiáng)度曲線就會相應(yīng)地產(chǎn)生一些變化。包含每個頻率強(qiáng)度信息的干涉圖，可借助數(shù)學(xué)上的 Fourier 變換技術(shù)對每個頻率的光強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，從而得到吸收強(qiáng)度或透過率隨波數(shù)變化的普通光譜圖。三、實(shí)驗(yàn) 裝置實(shí)驗(yàn)裝置主要有 NICOLET AVATAR 360 FT-IR 紅外光譜儀，紅外燈，研缽，壓片螺母螺桿，粉末樣品等。Fourier 變換紅外光譜儀沒有色散元件，主要由光源(硅碳棒)、Michelson干涉儀、檢測器、計(jì)算機(jī)和記錄儀等組成。其核心部分是 Michelson干涉儀，它將光源來的信號以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，

7、 最后將干涉圖還原成光譜圖。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 試樣的處理和制備(1) 紅外光譜法對試樣的要求紅外光譜的試樣可以是氣體、液體或固體，一般應(yīng)符合以下要求：(a) 試樣應(yīng)該是單一組分的純物質(zhì)。純度應(yīng)98%或符合商業(yè)規(guī)格(b) 試樣中不應(yīng)含有游離水。(c) 試樣的濃度和測試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)(2) 制樣方法( a ) 固體試樣 ( ) 壓片法 。將 12mg 試樣與 200mg 純KBr 研細(xì)混勻，置于模具中，用(510)×10 7 Pa 壓力在油壓機(jī)上壓成透明薄片，即可用于測定。試樣和 KBr 都應(yīng)經(jīng)干燥處理，研磨到粒度于 2m，以免散射光影響。KBr 在 4000400cm -1 光區(qū)不產(chǎn)生吸

8、收，因此可測繪全波段光譜圖。( ) 石蠟糊法 。將干燥處理的一試樣研細(xì)，與液體石蠟或全氟代烴混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測定。液體石蠟油自身的吸收帶簡單，但此法不能用來研究飽和烷烴的吸收情況。 ( ) 薄膜法 。主要用于高分子化合物的測定?？蓪⑺鼈冎苯蛹訜崛廴诤笸恐苹驂褐瞥赡ぁＲ部蓪⒃嚇尤芙庠诘头悬c(diǎn)的易揮發(fā)溶劑中，涂在鹽片上，等溶劑發(fā)后成膜來測定。 (b) 液體和溶液試樣常用的方法有：( ( ) 液體池法。對于沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性較大的試樣，可注入封閉液體池中，液層厚度一般為 0.011mm。( ) 液膜法。沸點(diǎn)較高的試樣，直接滴在兩塊鹽片之間，形成液膜。對于一些吸收很強(qiáng)的的液體，當(dāng)用調(diào)整厚度的方法

9、仍然得不到滿意的譜圖時(shí)，可用適當(dāng)?shù)娜軇┡涑上∪芤簛頊y定。一些固體也可以以溶液的形式來進(jìn)行測定。常用的紅外光譜溶劑應(yīng)在所測光譜區(qū)內(nèi)本身沒有強(qiáng)烈吸收，不侵蝕鹽窗，對試樣沒有強(qiáng)烈的溶劑化效應(yīng)等。例如，CS 2 是 1350600cm -1 區(qū)域常用的溶劑，CCl 4 用于 40001350cm -1 區(qū)。(c) 氣體試樣氣態(tài)試樣可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測定，它的兩端粘有紅外透光的 NaCl或 KBr 窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。2 測量操作(1) 開機(jī)：打開輔助設(shè)備（如打印機(jī)等）打開紅外光譜儀電源開關(guān)打開 PC 機(jī)電源開關(guān)，進(jìn)入 Windows98 操作環(huán)境。雙擊“EZ OMNIC”圖標(biāo)彈出“Lo

10、g Into OMNIC”窗口，提示輸入用戶名（User Name） ；輸入正確的用戶后，點(diǎn)擊“OK”鍵，即可啟動紅外光譜儀的控制程序，顯示“EZ OMNIC”窗口。(2) 設(shè)置：點(diǎn)擊 “EZ OMNIC” 主菜單的 “Collect”,選取 “Experiment Setup” ， 彈出 “ExperimentSetup”窗口后，選取其中的“Collect”可選項(xiàng)，將其中的“No. of scans”設(shè)置為32， 將 “Resolution： ” 設(shè)置為 “2” 或 “4” ， 將 “Background Handling” 選設(shè)為 “CollectBackground before Eve

11、ry Sample” 。然后，選取“Experiment Setup”中的“Bench” ，對其中的“Accessory： ” 、 “Window Material： ”等項(xiàng)目，根據(jù)需要進(jìn)行選取。設(shè)置完后，點(diǎn)擊“Experiment Setup”窗口左下角的“OK” 。(3) 掃描測試：點(diǎn)擊“EZ OMNIC” 工具欄的“Col Smp” （Collect Sample）圖標(biāo)，彈出“CollectSample” 窗口， 提示輸入 “Spectrum Title” ， 輸入后， 點(diǎn)擊 “OK” ， 則彈出 “Confirmation”窗口， 這時(shí)可對 “Background” 進(jìn)行掃描： 確認(rèn)光

12、譜儀中樣品架上無樣品后， 點(diǎn)擊 “OK” ，過一會兒即出現(xiàn) Background 掃描譜線。完成 Background 掃描后，又彈出“Confirmation”窗口，這時(shí)可對“Sample”進(jìn)行掃描：放入樣品后，點(diǎn)擊“OK” ，過一會即出現(xiàn)樣品譜線。完成 Sample 掃描后，屏幕上彈出一個窗口，選擇“Add to Window”后，點(diǎn)擊“EZOMNIC” 主菜單的“File” ，選取“Save”,對掃描譜線原始數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。(4) 數(shù)據(jù)處理：點(diǎn)擊“EZ OMNIC” 主菜單的“File” ， 選取“Open” ，打開所需處理的掃描譜線原始數(shù)據(jù)文件。點(diǎn)擊“EZ OMNIC” 主菜單的“Pro

13、cess” ，可對原始數(shù)據(jù)作“自動基線校正” 、 “自動平滑” 、 “自動歸一化縱坐標(biāo)刻度”等處理。點(diǎn)擊“EZ OMNIC” 主菜單的“Analyze” ，可對已作上述處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行“尋峰” 、及與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對的分析。具體操作為：點(diǎn)擊“Lib Setup” ，彈出“Lib- rary Setup”窗口；全選該窗口左邊的“Available Search Libraries andGroups”中的各數(shù)據(jù)庫，點(diǎn)擊“Add” ，將其加入到右邊的“Search Libraries andGroups”中；再點(diǎn)擊窗口底部的“Search”進(jìn)行譜圖檢索，然后按相似度顯示結(jié)果。(5)

14、關(guān)機(jī)：測量工作結(jié)束后，應(yīng)先退出應(yīng)用程序。關(guān)電源時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉紅外光譜儀的電源，然后正確退出 Windows 并關(guān)閉 PC 機(jī)電源，最后關(guān)閉其它設(shè)備的電源。實(shí)驗(yàn)完畢，將制樣器具用水、無水酒精或丙酮擦洗干凈、晾干，以備下次再用。同時(shí)，收拾、整理好實(shí)驗(yàn)用具，打掃實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生。3 光譜解析通過查找資料和進(jìn)行其它實(shí)驗(yàn)等，對光譜圖作進(jìn)一步的解析五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析光譜圖1圖譜解析 該圖譜在31003000cm-1波數(shù)段有明顯的吸收峰，可以大致判斷為烯烴的C-H伸縮振動，但該圖在16801620 cm-1波數(shù)段卻沒有該烯烴的C=C伸縮振動，可以推測出該結(jié)構(gòu)中沒C=C，既可能是聚合物； 該圖譜在30002800cm-1有明顯的吸收峰，可以推測出該結(jié)構(gòu)中有C-H的對稱和不對稱伸縮振動頻率，而在1470cm-1和1380cm-1附近也有明顯的吸收峰，可以推測為C-H的彎曲振動頻率； 在1250800cm-1也有明顯的吸收峰，可以推測為C-C骨架的振動，不過其特征性不強(qiáng)。 該圖譜在1600 cm-1左右有明顯吸收峰，可推測為苯環(huán)骨架的特征吸收峰；苯環(huán)的一元取代在彎曲振動頻率在770650cm-1，與圖譜吻合。 綜合上述信息，可以大致判定為該物質(zhì)是實(shí)驗(yàn)材料聚苯乙烯。光譜圖2