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

1、“材料研究方法與測試技術(shù)”課程練習(xí)題第二章紅外光譜法1. 為什么說紅外光譜是分子振動光譜？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吸收特定頻率紅外光 發(fā)生能級躍遷而形成的。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)的振動頻率相等或成整數(shù)倍關(guān)系。雙原子基團(tuán) 伸縮振動產(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（17351750cm1）之間存在的差異。芳香酸酯：17151730cm1a 酮酯：1740 1755cm1丁內(nèi)酯：1820cm1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； a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樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)中可能 存在哪些基團(tuán)？分別對應(yīng)哪些吸收峰？350030002500200015001000Wavenu

3、mber; （cm-1 j答案：3486cm-1吸收峰：羥基（-OH）; 3335cm1吸收峰：胺基（-NH 或-NH-）； 2971cm1吸收峰和2870cm1吸收峰：甲基（-CH）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)；1108cm1吸收峰和1148cm1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 的同一種振動既有

4、紅外活性又有拉曼活性，為什么該振動產(chǎn)生的紅外光譜吸收峰的波數(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。由于分子振動發(fā)生能級 躍遷吸收紅外光的頻率與分子振動頻率相等， 而該分子振動形成的拉 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頻率相 等，因此反映在譜圖上就是同一種分子振動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

5、不同點(diǎn)答案：相同點(diǎn)：（1）紅外光譜和拉曼光譜的產(chǎn)生都與分子振動有關(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 引起的偶極矩變化有關(guān)，而拉曼光譜與分子振動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)波長的中紅外光，而拉曼光 譜儀使用的是具有單一波長的可見

6、光或近紅外光；（6）紅外光譜儀檢 測的是入射光方向透過樣品的光，而拉曼光譜檢測的是與入射光方向 垂直的散射光；（7）紅外光譜分析要求樣品是厚度小于 50 am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 光譜分析對樣品的尺寸、形狀、顏色和透明度沒有任何要求，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？碳材料拉曼光譜圖中常見的 D峰和G峰對

7、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：（1）由于碳材料多為 黑色，對紅外光產(chǎn)生強(qiáng)吸收，不適合做紅外光譜分析，而拉曼光譜檢 測的是散射光，與樣品顏色無關(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。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

8、料的結(jié)構(gòu)中 C=CS團(tuán)增多，而 且逐漸形成了更多的石墨結(jié)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外加磁場 HO產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)即屏 蔽常數(shù)。不同，根據(jù)公式3 = 丫（ 1）因此它們產(chǎn)生核磁共振吸收電磁波的頻率3也不同。由于硅（Si）的電負(fù)性比有

9、機(jī)物中常見元素如 C ON H等的都要 小，因此TMS中 Si原子對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（3 21）、（3 22）和（3 23）和表3 4、表3 5和表3 6計(jì)算對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

10、結(jié)果標(biāo)在它的分子式上。如何用1H NM睞研 究該單體產(chǎn)生聚合反應(yīng)的動力學(xué)？0H 85對氯甲基苯乙烯產(chǎn)生聚合反應(yīng)過程中，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個氫原子的譜峰面積與苯環(huán)上四個氫原子的譜峰面積之 比，或用連在雙鍵碳上3個氫原子的譜峰面積與氯甲基中兩個氫原子 的譜峰面積之比來計(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)動力學(xué)。3. 以下是某種聚合物以氘代氯仿為溶劑測得的寬帶去偶碳譜（13CNM）DEPT9C碳譜和DEPT135碳譜（注：同一種碳在三個譜圖中的 化學(xué)位移略有差別），根據(jù)這三張譜圖首先判斷1-9譜峰中哪個

11、是溶 劑的碳峰，再判斷余下8個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？6 p 9 T Q F fI L CM O gmgwoE 寸 19tfiwCMl-lv-l 當(dāng) b 二CN一 glg竹 MT 68弋轉(zhuǎn)s LQi?m 常 r bet LE Lmpi-I 常 Bket WLy 8LI匸工 cxlngl:1601401201008004020 ppm寬帶去偶碳譜w-uikk150140 L3D 12011010090807060504030 2QppmDEPT9（碳譜gCFIe me (I crlIT: 諾 LWGln畧二gInTln二 NT /Wl ME

12、O質(zhì)空15010130120110100 拋 B0 70 GO 50403020ppmDEPT135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I譜峰8:季碳，可能處于-C- N=化學(xué)環(huán)境中1 I譜峰9:伯碳，可能處于CC-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。為什么說選擇合適的裂解溫度對準(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

13、量較 小的碎片，然后通過氣相色譜進(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 氣相色譜進(jìn)入質(zhì)譜，由于質(zhì)譜檢測到的裂解產(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準(zhǔn)確分析高分子鏈結(jié)構(gòu)很重要。2. 用學(xué)過的高分子化學(xué)知識解釋為什么聚甲基丙烯酸甲酯在高溫下 裂解形成的是單體，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

14、分子熱降解產(chǎn)物的主要因素是 熱解過程中自由基的反應(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?自由基被取代的甲基和酯基所穩(wěn)定。 而對側(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HCI的消除反應(yīng)，形成碳碳雙鍵。當(dāng)相鄰的 三個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

15、. 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映樣品什么信息？ 答案：二次電子是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子，背散射

16、電子是被樣品中原子反射出來的一部分入射電子； 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后， 相鄰?fù)鈱幽芰?較高的電子會迅速發(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)層的過程中會釋放具有特定能 量或波長的X射線。利用特征X射線可判斷樣品表面含何種元素及其 相對含量。3. 為何用SEMI分析非導(dǎo)

17、電樣品前要對它進(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 /和原子序數(shù)差異產(chǎn)生 的襯度，適用于對非晶材料的分析。衍射襯度是當(dāng)電子束入射到樣品 中

18、結(jié)晶部分時，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。對宏觀塊狀聚合物樣品，首先用硬度相當(dāng)?shù)沫h(huán)氧樹脂進(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)?染色劑對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；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

19、聚合物膠體粒子。3. 從文獻(xiàn)中找一個用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、給出測得的 TEMffl、說明從TEMS 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 力來觀察樣品表面形貌。STM適合分析表面平整度為原子級的導(dǎo)電樣 品，而AFM適合分析表面平整度不是很高的導(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

20、？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)生周期性振蕩時振幅的變 化來形成的圖像，而相位像是利用探針針尖在樣品表面產(chǎn)生周期性振 蕩時相位的變化來形成的圖像。形貌像主要用于觀察樣品表面形貌， 測量表面粗糙度；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 更合適？如果要觀察碳納米管，用哪一個更合適？說出為什么。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?墨烯本身是導(dǎo)電的，其表面平整度達(dá)到原子級，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

21、 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. 簡述TGA勺基本原理，從高分子材料樣品的 TGA曲線上能獲得哪 些信息？答案：TGA是測量一定流動氣氛中樣品的重量（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）無機(jī)填料含量。2. 簡述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是在相同的程序控制溫度變化的情況下，用補(bǔ)償器測量樣 品與參比物之間的溫差保持為零所需熱量（Q或？ H）與溫度

22、T之間 的關(guān)系。如果共混物的DSC曲線上只有一個Tg，表示這兩種聚合物的相容性 非常好；如果共混物有兩個 Tg,但都處于兩個純聚合物的 Tg之間， 表示這兩種聚合物有一定相容性；如果兩個 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. 簡述DMA勺基本原理，從E和tan 3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，測量高分子材料在一定頻率 振動負(fù)荷下的動態(tài)模量（E和E”）和力學(xué)損耗（tan 5 ）與溫度的關(guān) 系；或在一定溫度下，測量 E、E”和tan 5與負(fù)荷振動頻率的關(guān)系。從E與溫度之間的關(guān)系曲線上可得到 Tg, T f

23、和聚合物模量隨溫度的 變化情況；從tan 5與溫度的關(guān)系曲線上可得到 Tg和Tg以下溫度的 各種次級轉(zhuǎn)變。第十章X射線光電子能譜法1. 簡述XPS法的基本原理，XPS分析金屬材料、無機(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，通過測試這些電子的動能來計(jì)算它們在原子 中的結(jié)合能，再根據(jù)結(jié)合能大小推測樣品表面含哪些元素以及它們的 價態(tài)或所處的化學(xué)環(huán)境。XPS分析金屬材料表面的深度為9nnr, XPS 分析無機(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