實(shí)驗(yàn)三FTIR測(cè)定分子結(jié)構(gòu)(定性分析)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)三FTIR測(cè)定分子結(jié)構(gòu)（定性分析）實(shí)驗(yàn)一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解傅里葉紅外光譜測(cè)試方法的原理；2、掌握FTIR-7600紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)和使用方法;3、掌握紅外光譜儀測(cè)試不同樣品的制備方法，學(xué)會(huì)固體粉末壓片法制備FTIR樣品;4、學(xué)會(huì)用FTIR測(cè)試薄膜樣品、粉末樣品的紅外光譜，學(xué)會(huì)對(duì)所測(cè)紅外光譜圖的解析,掌握FTIR定性分析的原理和方法;二. 實(shí)驗(yàn)儀器FTIR-7600型傅立葉變換紅外光譜儀，薄膜樣品（聚苯乙烯薄膜）；KBr固體樣品，研缽,壓片機(jī)，紅外燒烤箱;學(xué)生自備： 手機(jī)貼膜，透明塑料塊（制備成方塊狀，較?。┤? 實(shí)驗(yàn)原理當(dāng)用紅外光（IR）照射測(cè)試樣品時(shí)，樣品結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)會(huì)吸收一部分紅

2、外光的能量，引起 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)能量的躍遷，從而使紅外光透過物質(zhì)時(shí)被吸收，而產(chǎn)生所謂的紅外吸收光譜；根據(jù) 它吸收的紅外光的能量，去推導(dǎo)物質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況，從而推導(dǎo)樣品中的分子振動(dòng)情況、分子振動(dòng)能級(jí)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)等相關(guān)性質(zhì)；也可簡(jiǎn)單理解為：連續(xù)的紅外光與分子相互作用時(shí), 若樣品中分子的某一振動(dòng)頻率恰與紅外光波段的某一頻率相等就引起該波段的共振吸收，使 光的透射強(qiáng)度減弱，這就是紅外光譜產(chǎn)生的原理；紅外光譜是分子振動(dòng)光譜，通過譜圖解析可以獲取分子結(jié)構(gòu)的信息。任何氣態(tài)、液態(tài)、 固態(tài)樣品均可進(jìn)行紅外光譜測(cè)定，這是其它儀器分析方法難以做到的。由于每種化合物均有 紅外吸收，尤其是有機(jī)化合物的紅外光譜能提供豐富的結(jié)構(gòu)

3、信息，因此紅外光譜法是物質(zhì)結(jié) 構(gòu)解析（尤其是有機(jī)物結(jié)構(gòu)解析）的重要手段之一。傅立葉變換紅外光譜儀是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新一代紅外光譜儀，它具有以下特 點(diǎn)：一是掃描速度快，可以在1s內(nèi)測(cè)得多張紅外譜圖；二是光通量大，可以檢測(cè)透射較低的 樣品，可以檢測(cè)氣體、固體、液體、薄膜和金屬鍍層等不樣品；三是分辨率高，便于觀察氣 態(tài)分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)；四是測(cè)定光譜范圍寬，只要改變光源、分束器和檢測(cè)器的配置，就可以 得到整個(gè)紅外區(qū)的光譜。廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、化工、催化、石油、 材料、生物、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域。紅外吸收光譜分析方法主要是依據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息進(jìn)行測(cè)定。(

4、1)雙原子分子的紅外吸收頻率分子振動(dòng)可以近似地看作是分子中原子心平衡點(diǎn)為中心，以很小的振幅做周期性的振動(dòng)。這種振動(dòng)的模型可以用經(jīng)典的方法來模擬。 如圖1所示，m1和m2分別代表兩個(gè)小球的質(zhì)量, 即兩個(gè)原子的質(zhì)量，彈簧的長(zhǎng)度就是化學(xué)鍵的長(zhǎng)度。這個(gè)體系的振動(dòng)頻率取決于彈簧的強(qiáng)度， 即化學(xué)鍵的強(qiáng)度和小球的質(zhì)量。其振動(dòng)是在連接兩個(gè)小球的鍵軸方向發(fā)生的。mlkk2伸 一 墉VI一 W r, - N圖1雙原子分子的振動(dòng)模型用經(jīng)典力學(xué)的方法可以得到如下的計(jì)算公式:1 fkTcr可簡(jiǎn)化為:1304 淫式中， 是頻率，Hz;"是波數(shù)，cm-1； k是化學(xué)鍵的力常數(shù)，g/s2; c是光速(3 X010c

5、m/s);是原子的折合質(zhì)量(=m1m2/(m1+m2)。一般來說，單鍵的 k=4X1056X105 g/s2;雙鍵的 k=8X10512X05 g/s2;叁鍵的 k=12X10520 X105 g/s2。(2) 多原子分子的吸收頻率雙原子分子振動(dòng)只能發(fā)生在聯(lián)接兩個(gè)原子的直線上，并且只有一種振動(dòng)方式，而多原子 分子振動(dòng)則有多種振動(dòng)方式。假設(shè)由n個(gè)原子組成，每一個(gè)原子在空間都 有3個(gè)自由度，則 分子有3n個(gè)自由度。非線性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)有3個(gè)自由度，線性分子則只有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因 此非線性分子有3n-6種基本振動(dòng)，而線性分子有3n-5種基本振動(dòng)。以H20分子為例，其各種振動(dòng)如圖所示，水分子由3個(gè)原子組

6、成并且不在一條直線上，其振動(dòng)方式應(yīng)有 3X3- 6= 3 個(gè)，分別是對(duì)稱和非對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。0-H鍵長(zhǎng)度改變的振動(dòng)稱為伸縮振動(dòng)，鍵角小于HOH改變的振動(dòng)稱為彎曲振動(dòng)。通常鍵長(zhǎng)的改變比鍵角的改變需要更大的能量，因 此伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)，彎曲振動(dòng)出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)。（3）紅外光譜及其表示方法紅外光譜所研究的是分子中原子的相對(duì)振動(dòng)，也可歸結(jié)為化學(xué)鍵的振動(dòng)。不同的化學(xué)鍵 或官能團(tuán)，其振動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需要的能量不同，因此要吸收不同的紅外光。物理吸收不同的紅外光，將在不同波長(zhǎng)上出現(xiàn)吸收峰。紅外光譜就是這樣形成的。紅外光譜的表示方法如下圖所示:披悵(pni)7()T 1-十半 豈HSHI

7、 孑1二-干亠o o o-h 5 4T- M - I - - =w -mL-匕一匚-工-ri-l- I-N-.w_- -1 - 2_-nrh-t-1-一呷丄34J-r-I歲1“丄I p*'' p寸p丁 17 «l 7； X < ri 1so - bIIII二：二 Ji* f T ：-= i H 0 0 UTiri I J :L I Z ； Z ； I ；i ；33!1*7 «i 7 I 呻 L* iv-yp r-Xa 屯0 I i t <sT5 + rPF9 2_ JI I r ._ -F尹fp "”T“I - :" s +

8、e-bi!S!9IT- |,mrBr w 卜i .= eh r -i r n i J-b bt T ! "ST f-一*咅!典型的紅外光譜。橫坐標(biāo)為波數(shù) （cm-1，最常見）或波長(zhǎng)（m），縱坐標(biāo)為透光率或吸光度。紅外波段通常分為近紅外（133004000cm-1）中紅外（4000400cm1）和遠(yuǎn)紅外（40010cm-1）。其中研究最為廣泛的是中紅外區(qū)。（4）紅外譜帶的強(qiáng)度紅外吸收峰的強(qiáng)度與偶級(jí)矩變化的大小有關(guān)，吸收峰的強(qiáng)弱與分子振動(dòng)時(shí)偶極矩變化的平方成正比，一般，永久偶極矩變化大的，振動(dòng)時(shí)偶極矩變化也較大，如C=O （或C-O）的強(qiáng)度比C=C （或C-C）要大得多，若偶極矩變?yōu)榱悖?/p>

9、貝tt紅外活性，即無紅外吸收峰。4、實(shí)驗(yàn)儀器與樣品制備方法介紹本實(shí)驗(yàn)所采用的儀器設(shè)備為FTIR-7600型傅立葉變換紅外光譜儀（天津港東），實(shí)驗(yàn)儀器和工作原理圖如圖1所示。L顯示器AFTS r 2廠圖1.傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）的工作原理圖50%的光透射到可固定平面鏡、分光器和可調(diào)凹面鏡組成傅立葉變換紅外光譜儀的核心部件-邁克爾干涉儀。由光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過固定平面鏡反射鏡后，由分光器分為兩束: 調(diào)凹面鏡，另外50%的光反射到固定平面鏡?？烧{(diào)凹面鏡移動(dòng)至兩束光光程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，這兩束光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，干涉圖由紅外檢測(cè)器獲得，經(jīng)過計(jì)算機(jī)傅立葉變換處理后得到紅外光譜圖。如圖2所示為F

10、TIR-7600 紅外光譜儀的光路圖。光路圖F冒一宅打：書W廿幀井魅用a#AFB鈿轉(zhuǎn)輪Q樣品曲$口Cffi渡用輪rvGG遑K© 口D尤歸也口樣咼舉EI圖2. FTIR-7600紅外光譜儀的光路圖上述紅外光譜儀是在海拔從 0到2000米（或6500英尺）的室內(nèi)使用的，它們的可靠工作溫度在16C至U 25r （60 T到78T ）之間。另外，F(xiàn)TIR紅外光譜儀器需要在干燥的環(huán)境中FTIR-7600工作，因?yàn)榉质?、檢測(cè)器以及其它組成部分可能會(huì)被濕氣所腐蝕。請(qǐng)維持范圍在20%到60% 的空氣濕度。因此，紅外系列光譜儀都要將其密封和保持室內(nèi)空氣干燥。以下為 的相關(guān)技術(shù)參數(shù):波數(shù)范圍4000c

11、m-1 -400cm-1分辨率1.5cm"1透過率重復(fù)性±）.5%信噪比15000: 1（1 分鐘，2100cm-1 處）100% 線14000cm -500cm-1 范圍 99%101%光源空冷陶瓷光源分束器多層鍍膜溴化鉀（CO2除外）監(jiān)測(cè)器高靈敏度DTGS樣品制備方法：常見固體樣品包括高聚物，部分有機(jī)化合物，無機(jī)化合物，礦物等。要 想得到高質(zhì)量的紅外光譜圖，應(yīng)根據(jù)樣品的性質(zhì)，選用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行樣品制備及測(cè)試。對(duì)于固體樣品來說（薄膜樣品可直接進(jìn)行測(cè)試），常用的測(cè)試方法有鹵化物壓片法、調(diào)糊法、溶液鑄膜法、熱壓成膜法、裂解涂膜法、ATR法等。固體樣品常用壓片法（重點(diǎn)介紹），它

12、也是固體樣品紅外測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。將固體樣品與溴化鉀碎晶放到研缽里一起粉碎，用壓片機(jī)壓成薄片薄片應(yīng)透明均勻。組裝壓模時(shí)，將其中一個(gè)壓舌光潔面朝上放在底座上，并裝 上壓片套圈，加入研磨后的樣品，再將另一壓舌光潔面朝下壓在樣品下，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)以保證樣品面平整，最后順序放在壓片套筒、彈簧和壓桿，通過液壓器加壓力至10t，保持3min。壓片模具及壓片機(jī)因生產(chǎn)廠家不同而異。采用壓相片法時(shí)的注意事項(xiàng)：樣品及溴化鉀烘干樣品及溴化鉀研磨均勻（操作應(yīng)在紅外燈下進(jìn)行）。壓片成型后減壓要?jiǎng)蛩儆猛昴＞邞?yīng)用干凈的軟紙或軟布擦拭干凈后保存以防生銹。液體樣品，一般直接注入封閉的液體池里，液層厚長(zhǎng)一般為0.01-1m m,兩端一般

13、為紅外透明的鹽窗片（KBr或KCI等），圖3所示為液體池結(jié)構(gòu)。對(duì)氣體樣品，常將氣體充于氣體槽 中進(jìn)行測(cè)量，氣體槽是一直徑約為 40mm，長(zhǎng)度100mm的玻璃筒，兩端也放置紅外透明的鹽窗片（KBr或KCI等），圖4所示為氣體池結(jié)構(gòu)。圖3（左）和圖4（右）:FTIR測(cè)試用液體池和氣體池5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解并初步掌握傅立葉變換紅外光譜儀的基本原理與構(gòu)造；學(xué)習(xí)紅外光譜法測(cè)定化合物結(jié)構(gòu)的方法；學(xué)習(xí)并掌握制備 FTIR樣品的方法，尤其是壓片法；通過測(cè)定已知和未知樣品 的紅外光譜，初步掌握獲得譜圖的一般操作程序與技術(shù)；了解影響分析測(cè)定的重要因素，學(xué) 會(huì)優(yōu)化分析條件；學(xué)習(xí)譜圖的解析方法。具體實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:1.

14、 檢查溫濕度計(jì)，觀察環(huán)境是否符合要求：溫度為 16°C25°C,相對(duì)濕度為20%50%。2. 檢查濕度指示卡是否為淡藍(lán)色，否則應(yīng)立即更換干燥劑。（干燥劑應(yīng)用110°C烘烤至少3小時(shí)，冷卻后才可以使用）確認(rèn)儀器的開關(guān)處于關(guān)閉檔，連接好電源線和USB線。將樣品倉(cāng)內(nèi)的干燥劑和防塵罩取出。3. 開機(jī)，預(yù)熱15分鐘以上。4. 根據(jù)樣品本身的性質(zhì)選取合適的制樣方法。制備KBr薄片樣品，注意制備過程中的相關(guān)注意事項(xiàng)；將制好的樣品用夾具夾好，放入儀器內(nèi)的固定支架上準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)定。5.打開操作軟件，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。6. 點(diǎn)擊 采樣品”軟件會(huì)自動(dòng)采集背景，背景采集完后跳出對(duì)話框按提示放入樣品，此時(shí)將樣品放入樣品倉(cāng)點(diǎn)擊 確定”軟件自動(dòng)采集樣品，采集結(jié)束后得到樣品譜圖。7. 對(duì)上述所測(cè)譜圖進(jìn)行所需的數(shù)據(jù)處理、譜圖解析和檢索，記錄下所獲得圖譜的大致圖形，對(duì)其中的每個(gè)振動(dòng)峰進(jìn)行分析解譜，并作好相應(yīng)記錄；保存譜圖，取出樣品。8.重復(fù)上述步驟測(cè)試其它樣品，如有機(jī)材料（手機(jī)貼膜、透明塑料方塊），聚苯乙烯等；對(duì)各 個(gè)測(cè)試所獲得的紅外光譜仍然進(jìn)行分析、解譜并作詳細(xì)記錄，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。9.