東華大學(xué)材料結(jié)構(gòu)表征及其應(yīng)用作業(yè)答案

1、“材料研究方法與測(cè)試技術(shù)”課程練習(xí)題第二章紅外光譜法1. 為什么說(shuō)紅外光譜是分子振動(dòng)光譜？分子吸收紅外光的條件是什么？雙原子基團(tuán)伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的紅外光譜吸收峰的位置主要與哪些因素有關(guān)？答案：這是由于紅外光譜是由樣品分子振動(dòng)吸收特定頻率紅外光發(fā)生能級(jí)躍遷而形成的。分子吸收紅外光的條件是： （ 1）分子或分子中基團(tuán)振動(dòng)引起分子偶極矩發(fā)生變化； （ 2）紅外光的頻率與分子或分子中基團(tuán)的振動(dòng)頻率相等或成整數(shù)倍關(guān)系。雙原子基團(tuán)伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的紅外光譜吸收峰的位置主要與雙原子的折合質(zhì)量（或質(zhì)量）和雙原子之間化學(xué)鍵的力常數(shù)（或鍵的強(qiáng)度；或鍵的離解能）有關(guān)。2. 用誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)和鍵應(yīng)力解釋以下酯類有機(jī)化合物

2、的酯羰基吸收峰所處位置的范圍與飽和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所處位置范圍（ 17351750cm-1）之間存在的差異。芳香酸酯： 17151730cm-1酮酯：17401755cm-1丁內(nèi)酯：1820cm-1答案：芳香酸酯：苯環(huán)與酯羰基的共軛效應(yīng)使其吸收峰波數(shù)降低；酮酯：酯羰基與其相連的酮羰基之間既存在共軛效應(yīng)，也存在吸電子的誘導(dǎo)效應(yīng)，由于誘導(dǎo)效應(yīng)更強(qiáng)一些，導(dǎo)致酯羰基吸收峰的波數(shù)上升；丁內(nèi)酯：四元環(huán)的環(huán)張力使酯羰基吸收峰的波數(shù)增大。3. 從以下 ftir譜圖中的主要吸收峰分析被測(cè)樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)中可能存在哪些基團(tuán)？分別對(duì)應(yīng)哪些吸收峰？答案：3486cm-1 吸收峰：羥基（-oh）；3335cm-1

3、吸收峰：胺基（-nh2或 -nh-）；2971cm-1 吸收峰和 2870cm-1 吸收峰：甲基（ -ch3）或亞甲基（-ch2-）；2115cm-1 吸收峰：炔基或累積雙鍵基團(tuán) （-n=c=n）-；1728cm-1 吸收峰：羰基；1604cm-1 吸收峰、 1526cm-1 吸收峰和1458cm-1 吸收峰：苯環(huán)； 1108cm-1 吸收峰和1148cm-1 吸收峰：醚基（ c-o-c）。 1232cm-1 吸收峰和 1247cm-1 吸收峰： c-n。第三章拉曼光譜法1. 影響拉曼譜峰位置（拉曼位移）和強(qiáng)度的因素有哪些？如果分子的同一種振動(dòng)既有紅外活性又有拉曼活性， 為什么該振動(dòng)產(chǎn)生的紅外

4、光譜吸收峰的波數(shù)和它產(chǎn)生的拉曼光譜峰的拉曼位移相等？答案：影響拉曼譜峰位置的因素主要有：樣品分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和樣品的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。影響拉曼譜峰強(qiáng)度的因素有：入射光的強(qiáng)度，入射光的頻率，分子結(jié)構(gòu)，分子數(shù)量或濃度，溫度。由于分子振動(dòng)發(fā)生能級(jí)躍遷吸收紅外光的頻率與分子振動(dòng)頻率相等，而該分子振動(dòng)形成的拉曼散射光的頻率與入射光的頻率之差即拉曼位移也與其振動(dòng)頻率相等，因此反映在譜圖上就是同一種分子振動(dòng)的紅外光譜吸收峰的波數(shù)與其拉曼光譜峰的拉曼位移相等。2. 從全方位角度（包括原理、譜圖、儀器構(gòu)造、譜圖、制樣和應(yīng)用等）比較紅外光譜法和拉曼光譜法的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)答案：相同點(diǎn)：（1）紅外光譜和拉曼光譜的產(chǎn)生都與分子

5、振動(dòng)有關(guān)；（2）紅外光譜圖和拉曼光譜圖的橫坐標(biāo)都是以波數(shù)為單位； （ 3）影響紅外光譜峰位置和拉曼光譜峰位置的因素相同。不同點(diǎn)： （1）紅外光譜是吸收光譜，而拉曼光譜是散射光譜； （2）紅外光譜與分子振動(dòng)引起的偶極矩變化有關(guān)， 而拉曼光譜與分子振動(dòng)引起的極化度變化有關(guān)；（3）紅外光譜圖的縱坐標(biāo)是透光率或吸光度，而拉曼光譜圖的縱坐標(biāo)是光強(qiáng)度；（4）紅外光譜圖的橫坐標(biāo)是入射的紅外光的頻率，而拉曼光譜圖的橫坐標(biāo)是入射光和拉曼散射光的頻率之差， 即拉曼位移；（5）紅外光譜儀使用的光源是具有連續(xù)波長(zhǎng)的中紅外光，而拉曼光譜儀使用的是具有單一波長(zhǎng)的可見(jiàn)光或近紅外光； （6）紅外光譜儀檢測(cè)的是入射光方向透過(guò)樣

6、品的光， 而拉曼光譜檢測(cè)的是與入射光方向垂直的散射光；（7）紅外光譜分析要求樣品是厚度小于 50m 的透明或半透明薄片，不含水，不能是黑色，不能裝在玻璃容器中，而拉曼光譜分析對(duì)樣品的尺寸、形狀、顏色和透明度沒(méi)有任何要求，可分析含水或黑色樣品，樣品可裝在玻璃容器內(nèi)； （8）紅外光譜主要分析分子中的極性基團(tuán)，而拉曼光譜主要分析分子中的非極性基團(tuán)；（9）紅外光譜主要分析高分子鏈中的特征基團(tuán)，而拉曼光譜主要分析高分子的骨架鏈結(jié)構(gòu)。3. 為什么說(shuō)與紅外光譜法相比，拉曼光譜法研究碳材料結(jié)構(gòu)有明顯的優(yōu)勢(shì)？碳材料拉曼光譜圖中常見(jiàn)的d 峰和g 峰對(duì)應(yīng)的拉曼位移大致是多少？各歸屬于碳材料化學(xué)結(jié)構(gòu)中的何種基團(tuán)？g

7、峰變強(qiáng)變窄意味著碳材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生了什么變化？答案：拉曼光譜法研究碳材料結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)勢(shì)： （1）由于碳材料多為黑色，對(duì)紅外光產(chǎn)生強(qiáng)吸收，不適合做紅外光譜分析，而拉曼光譜檢測(cè)的是散射光，與樣品顏色無(wú)關(guān)，因此適合做拉曼光譜分析；（ 2）碳材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)中主要含極性非常弱的c-c、c=c基團(tuán)，這些基團(tuán)的紅外活性很弱，而拉曼活性較強(qiáng)，因此也適合做拉曼光譜分析。d 峰的拉曼位移大約為1330cm-1，g 峰的拉曼位移大約為1580cm-1。d 峰歸屬于碳材料化學(xué)結(jié)構(gòu)中的c-c基團(tuán)，而 g 峰歸屬于碳材料化學(xué)結(jié)構(gòu)中的 c=c基團(tuán)。 g 峰變強(qiáng)變窄意味著碳材料的結(jié)構(gòu)中c=c基團(tuán)增多，而且逐漸形成了更多的石墨結(jié)

8、構(gòu)，分子鏈排列更加規(guī)整， 由此形成的微晶尺寸更大。第四章核磁共振波譜法1. 分子結(jié)構(gòu)中處于不同化學(xué)環(huán)境的氫原子或碳原子產(chǎn)生核磁共振吸收的電磁波頻率為何不同？為什么氫譜 （1h nmr）和碳譜（13cnmr）中絕大部分譜峰都出現(xiàn)在參比物四甲基硅烷（tms）譜峰的左邊？導(dǎo)致 1h nmr 譜峰發(fā)生分裂的原因是什么？答：分子結(jié)構(gòu)中處于不同化學(xué)環(huán)境的氫原子或碳原子的核外電子云密度不一樣，導(dǎo)致它們的核外電子云對(duì)外加磁場(chǎng)h0 產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)即屏蔽常數(shù)不同，根據(jù)公式（1） h0 ，因此它們產(chǎn)生核磁共振吸收電磁波的頻率也不同。由于硅（ si）的電負(fù)性比有機(jī)物中常見(jiàn)元素如c、o、n、h 等的都要小，因此 tms

9、 中 si 原子對(duì)直接相連的碳原子核外電子云及其碳原子連接的氫原子核外電子云的影響很小，因此tms 中氫原子或碳原子核外電子云的屏蔽常數(shù)比絕大部分有機(jī)物中相應(yīng)原子的都要大，這樣有機(jī)物中氫原子或碳原子的化學(xué)位移一般都比tms中碳原子或氫原子的化學(xué)位移大， 結(jié)果造成氫譜和碳譜中絕大部分譜峰都出現(xiàn)在tms 譜峰的左邊。導(dǎo)致 1h nmr 譜峰發(fā)生分裂的原因是相鄰碳上氫原子之間的自旋偶合作用。2. 用教材中公式（ 321）、（3 22）和（ 323）和表 34、表 35 和表36計(jì)算對(duì)氯甲基苯乙烯分子中所有h 原子的化學(xué)位移（以氘代氯仿為溶劑），計(jì)算結(jié)果標(biāo)在它的分子式上。如何用1hnmr 來(lái)研究該單體

10、產(chǎn)生聚合反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)？4.717.275.617.387.275.187.386.63對(duì)氯甲基苯乙烯產(chǎn)生聚合反應(yīng)過(guò)程中， 連在雙鍵碳上氫原子的1hnmr譜峰面積逐漸減小， 其它氫原子的譜峰面積應(yīng)該不變， 因此可用連在雙鍵碳上 3 個(gè)氫原子的譜峰面積與苯環(huán)上四個(gè)氫原子的譜峰面積之比，或用連在雙鍵碳上 3 個(gè)氫原子的譜峰面積與氯甲基中兩個(gè)氫原子的譜峰面積之比來(lái)計(jì)算聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率， 從而研究該單體的聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。3. 以下是某種聚合物以氘代氯仿為溶劑測(cè)得的寬帶去偶碳譜（13cnmr）、dept90碳譜和 dept135碳譜（注：同一種碳在三個(gè)譜圖中的化學(xué)位移略有差別），根據(jù)這三張譜圖首先判斷 1

11、9 譜峰中哪個(gè)是溶劑的碳峰，再判斷余下 8 個(gè)譜峰分別代表聚合物結(jié)構(gòu)中的哪種碳原子以及它們分別可能處于哪種化學(xué)環(huán)境或基團(tuán)中？41 3796825寬帶去偶碳譜dept90碳譜dept135碳譜答案：譜峰 6：溶劑碳峰譜峰 1：季碳，可能處于碳化二亞胺（-n=c=n）-或甲亞胺基團(tuán)中。譜峰 2：季碳，可能處于苯環(huán)中譜峰 3 5：叔碳，可能處于苯環(huán)中譜峰 7：仲碳，可能處于 -ch2o-化學(xué)環(huán)境中譜峰 8：季碳，可能處于 cn化學(xué)環(huán)境中譜峰 9：伯碳，可能處于ch3-c化學(xué)環(huán)境中第五章裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析法1. 簡(jiǎn)述用裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析法分析高分子鏈結(jié)構(gòu)的原理。為什么說(shuō)選擇合適的裂解溫度對(duì)

12、準(zhǔn)確分析高分子鏈結(jié)構(gòu)很重要？答案：高分子材料樣品首先在一定溫度的裂解器中裂解形成分子量較小的碎片，然后通過(guò)氣相色譜進(jìn)行分離， 分離后的小分子碎片再進(jìn)入質(zhì)譜中分析它的化學(xué)結(jié)構(gòu)， 最后根據(jù)所有小分子碎片的化學(xué)結(jié)構(gòu)推斷高分子的鏈結(jié)構(gòu)。裂解溫度太低，形成的裂解產(chǎn)物中有的分子量大，沸點(diǎn)高，難以通過(guò)氣相色譜進(jìn)入質(zhì)譜， 由于質(zhì)譜檢測(cè)到的裂解產(chǎn)物種類少， 不利于推斷高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)； 若裂解溫度太高， 形成的大多是分子量很小的裂解產(chǎn)物，種類偏少且不具有特征性， 也難以推斷高分子材料的鏈結(jié)構(gòu)。因此選擇合適的裂解溫度對(duì)準(zhǔn)確分析高分子鏈結(jié)構(gòu)很重要。2. 用學(xué)過(guò)的高分子化學(xué)知識(shí)解釋為什么聚甲基丙烯酸甲酯在高溫下裂解

13、形成的是單體，而聚氯乙烯形成的不是單體而是苯。答案：根據(jù)高分子熱降解機(jī)理， 影響高分子熱降解產(chǎn)物的主要因素是熱解過(guò)程中自由基的反應(yīng)能力（即穩(wěn)定性） ，及參與鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的氫原子的活潑性。 如高分子鏈裂解后生成的自由基被取代基所穩(wěn)定， 一般按解聚機(jī)理進(jìn)行裂解， 形成的產(chǎn)物就是單體。 如聚甲基丙烯酸甲酯就是按照解聚機(jī)理進(jìn)行裂解， 因?yàn)樗姆肿渔溎┒耸軣釘嗔押笮纬傻淖杂苫蝗〈募谆王セ€(wěn)定。 而對(duì)側(cè)基以雜原子與主鏈碳原子相連的高分子， 由于碳原子與雜原子之間的鍵能較弱， 因此在受熱的情況下易發(fā)生側(cè)基脫除的消除反應(yīng)， 在主鏈上形成碳碳不飽和鍵。 如聚氯乙烯，受熱發(fā)生脫除 hcl 的消除反應(yīng)，形成碳

14、碳雙鍵。當(dāng)相鄰的三個(gè)碳碳雙鍵形成共軛結(jié)構(gòu)后， 主鏈發(fā)生斷裂形成穩(wěn)定性較高的產(chǎn)物苯。4. 用紅外光譜法、拉曼光譜法、核磁共振波譜法和裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用分析法分析高分子鏈結(jié)構(gòu)各得到哪些信息？答案：紅外光譜法主要獲得高分子鏈中含有哪些極性基團(tuán)的信息；拉曼光譜法主要獲得高分子鏈的骨架結(jié)構(gòu)信息；核磁共振波譜法主要獲得高分子鏈中碳原子和氫原子的化學(xué)環(huán)境信息，進(jìn)而可推斷高分子鏈的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)和序列結(jié)構(gòu)； 裂解氣相色譜質(zhì)譜法可獲得高分子鏈的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)信息以及序列結(jié)構(gòu)信息。第六章掃描電子顯微鏡 x 射線能譜法1. 二次電子和背散射電子是如何產(chǎn)生的？它們的產(chǎn)率主要與什么因素有關(guān)？二次電子像和背散射電子像分別反

15、映樣品什么信息？答案：二次電子是被入射電子轟擊出來(lái)的樣品核外電子， 背散射電子是被樣品中原子反射出來(lái)的一部分入射電子； 二次電子產(chǎn)率主要與入射電子束和樣品表面法線方向所形成的夾角有關(guān)， 背散射電子產(chǎn)率主要與樣品中原子的原子序數(shù)有關(guān)。 二次電子像反映樣品的表面形貌信息，而背散射電子像反映樣品表面化學(xué)組成分布的信息。2.特征 x 射線是如何產(chǎn)生的？利用特征 x 射線能得到樣品哪些信息？答案：樣品中原子的內(nèi)層電子被入射電子轟擊出來(lái)后， 相鄰?fù)鈱幽芰枯^高的電子會(huì)迅速發(fā)生躍遷， 填補(bǔ)內(nèi)層電子空位。 由于原子內(nèi)外層電子存在能量差，因此外層電子躍遷到內(nèi)層的過(guò)程中會(huì)釋放具有特定能量或波長(zhǎng)的 x 射線。利用特征

16、 x 射線可判斷樣品表面含何種元素及其相對(duì)含量。3. 為何用 sem 分析非導(dǎo)電樣品前要對(duì)它進(jìn)行噴金或噴碳處理？如何利用 sem分析材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)？答案：由于進(jìn)入和離開(kāi)樣品的電子數(shù)量不平衡，電子在樣品表面積聚產(chǎn)生放電現(xiàn)象， 影響二次電子成像和背散射電子成像的效果，因此在sem 分析樣品前需要對(duì)它的表面噴涂導(dǎo)電的涂層，如噴涂金或碳等。采用刀切、脆斷或拉斷等方法形成樣品的斷面，然后用sem 分析樣品斷面的形貌或組成分布，從而可達(dá)到分析樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的。第七章透射電子顯微鏡法1. tem圖像的質(zhì)厚襯度和衍射襯度是如何形成的， 分別適合分析哪類材料？答案：質(zhì)厚襯度是由于樣品不同區(qū)域的厚度或 / 和原子

17、序數(shù)差異產(chǎn)生的襯度，適用于對(duì)非晶材料的分析。 衍射襯度是當(dāng)電子束入射到樣品中結(jié)晶部分時(shí)， 在特定角度產(chǎn)生衍射電子束。 如果用物鏡光闌擋住衍射電子束，就會(huì)形成有襯度的 tem 圖像，適用于分析結(jié)晶性材料。2.如何制備滿足 tem 分析要求的聚合物樣品， 正染色和負(fù)染色的區(qū)別何在？ 負(fù)染色通常適合分析哪類聚合物材料？答案：對(duì)聚合物膠乳樣品通常加入負(fù)染色劑， 滴在銅網(wǎng)上使溶劑揮發(fā)干。對(duì)宏觀塊狀聚合物樣品， 首先用硬度相當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化包埋，然后用超薄切片機(jī)切成厚度小于 100nm 的薄片，最后選用適當(dāng)?shù)娜旧珓?duì)樣品中某一組分或某一相進(jìn)行染色。正染色是使樣品中某一組分或某一相結(jié)合原子序數(shù)高的原子；

18、 而負(fù)染色是使聚合物周圍環(huán)境或空隙含原子序數(shù)高的原子。負(fù)染色通常適合分析聚合物微球或聚合物膠體粒子。3.從文獻(xiàn)中找一個(gè)用tem分析高分子材料或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的例子（寫出是研究何種材料、如何制樣的、給出測(cè)得的tem 圖、說(shuō)明從 tem圖上獲得了哪些結(jié)果）。第八章掃描探針顯微鏡法1. 掃描隧道顯微鏡（ stm）和原子力顯微鏡（ afm）的工作原理有何不同？它們分別適合分析哪類樣品？答案：stm是利用探針針尖與樣品表面之間形成的隧道電流來(lái)觀察樣品表面形貌，而 afm 是利用探針針尖與樣品表面之間產(chǎn)生的相互作用力來(lái)觀察樣品表面形貌。 stm適合分析表面平整度為原子級(jí)的導(dǎo)電樣品，而 afm 適合分析表面平

19、整度不是很高的導(dǎo)電樣品或非導(dǎo)電樣品。2. 在 afm 輕敲模式下形貌像和相位像是如何形成的？分別能得到樣品表面哪些信息？答案：形貌像是利用探針針尖在樣品表面產(chǎn)生周期性振蕩時(shí)振幅的變化來(lái)形成的圖像，而相位像是利用探針針尖在樣品表面產(chǎn)生周期性振蕩時(shí)相位的變化來(lái)形成的圖像。形貌像主要用于觀察樣品表面形貌，測(cè)量表面粗糙度；而相位像可用于分析樣品表面的組成分布和微相分離等。3. 要觀察石墨烯表面 c 原子的排列情況，在 stm和 afm 中用哪一個(gè)更合適？如果要觀察碳納米管，用哪一個(gè)更合適？說(shuō)出為什么。答案：觀察石墨烯表面 c 原子的排列情況用 stm 更合適，這是因?yàn)槭┍旧硎菍?dǎo)電的， 其表面平整度

20、達(dá)到原子級(jí)， 而 stm分辨率高，能得到比較清晰的c原子排列圖像。 碳納米管雖然也導(dǎo)電， 但其表面不是平面狀，平整度較低，用stm不合適，只能用afm。第九章熱分析法1. 簡(jiǎn)述 tga的基本原理，從高分子材料樣品的 tga曲線上能獲得哪些信息？答案： tga 是測(cè)量一定流動(dòng)氣氛中樣品的重量（質(zhì)量）隨溫度的變化關(guān)系。 從高分子材料樣品的 tga 曲線上可獲得以下信息：（1）吸附的水含量；（2）添加劑的含量；（3）如果是共混物，可測(cè)定其中各種聚合物的質(zhì)量組成比；（4）聚合物的熱分解溫度；（5）無(wú)機(jī)填料含量。2. 簡(jiǎn)述 dsc的基本原理，如何用 dsc判斷共混物中聚合物之間的相容性？答案： dsc

21、是在相同的程序控制溫度變化的情況下，用補(bǔ)償器測(cè)量樣品與參比物之間的溫差保持為零所需熱量 （q 或?h）與溫度 t 之間的關(guān)系。如果共混物的 dsc曲線上只有一個(gè) tg，表示這兩種聚合物的相容性非常好；如果共混物有兩個(gè) tg，但都處于兩個(gè)純聚合物的 tg 之間，表示這兩種聚合物有一定相容性；如果兩個(gè) tg 分別與兩種純聚合物的 tg相同，表示它們完全不相容，處于相分離的狀態(tài)。3. 簡(jiǎn)述 dma 的基本原理，從 e和 tan與溫度之間的關(guān)系曲線上分別能獲得哪些信息？答案： dma 是在程序控制溫度的情況下，測(cè)量高分子材料在一定頻率振動(dòng)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)模量 （e和 e”)和力學(xué)損耗（tan)與溫度的關(guān)系

22、；或在一定溫度下，測(cè)量e、e”和 tan與負(fù)荷振動(dòng)頻率的關(guān)系。從 e與溫度之間的關(guān)系曲線上可得到 tg, tf 和聚合物模量隨溫度的變化情況；從 tan與溫度的關(guān)系曲線上可得到 tg 和 tg 以下溫度的各種次級(jí)轉(zhuǎn)變。第十章 x 射線光電子能譜法1. 簡(jiǎn)述 xps法的基本原理， xps分析金屬材料、無(wú)機(jī)材料或高分子材料樣品，可得到信息的樣品表面深度分別是多少？答：xps是用單色 x 射線照射樣品，使其中原子殼層中的電子受激發(fā)逃逸形成自由的光電子， 通過(guò)測(cè)試這些電子的動(dòng)能來(lái)計(jì)算它們?cè)谠又械慕Y(jié)合能，再根據(jù)結(jié)合能大小推測(cè)樣品表面含哪些元素以及它們的價(jià)態(tài)或所處的化學(xué)環(huán)境。 xps分析金屬材料表面的深度為 9nm，xps分析無(wú)機(jī)材料表面的深度為12nm，xps分析金屬材料表面的深度為30nm.2. 為什么 xps譜圖低結(jié)合能端的背底電子少，高結(jié)合能端的背底電子多？ xps的化學(xué)位移和核磁共振的化學(xué)位移有何不同？答：背底電子是在逃逸的路徑上發(fā)生能