實驗三 FTIR測定分子結(jié)構(gòu)定性分析實驗指導書

1、-PAGE . z.實驗三 FTIR測定分子構(gòu)造(定性分析)實驗一. 實驗目的理解傅里葉紅外光譜測試方法的原理；掌握FTIR-7600紅外光譜儀的根本構(gòu)造和使用方法；掌握紅外光譜儀測試不同樣品的制備方法，學會固體粉末壓片法制備FTIR樣品；學會用FTIR測試薄膜樣品、粉末樣品的紅外光譜，學會對所測紅外光譜圖的解析，掌握FTIR定性分析的原理和方法；二. 實驗儀器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，紅外燒烤箱；學生自備： 手機貼膜，透明塑料塊(制備成方塊狀，較薄)三. 實驗原理當用紅外光(IR)照射測試樣品時，樣品構(gòu)造中的質(zhì)點會吸收一

2、局部紅外光的能量，引起質(zhì)點振動能量的躍遷，從而使紅外光透過物質(zhì)時被吸收，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，去推導物質(zhì)中質(zhì)點的振動情況，從而推導樣品中的分子振動情況、分子振動能級、物質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)性質(zhì)； 也可簡單理解為：連續(xù)的紅外光與分子相互作用時，假設(shè)樣品中分子的*一振動頻率恰與紅外光波段的*一頻率相等就引起該波段的共振吸收，使光的透射強度減弱，這就是紅外光譜產(chǎn)生的原理； 紅外光譜是分子振動光譜，通過譜圖解析可以獲取分子構(gòu)造的信息。任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)樣品均可進展紅外光譜測定，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，尤其是有機化合物的紅外光譜能提供豐富的構(gòu)造

3、信息，因此紅外光譜法是物質(zhì)構(gòu)造解析(尤其是有機物構(gòu)造解析)的重要手段之一。傅立葉變換紅外光譜儀是20世紀70年代開展起來的新一代紅外光譜儀，它具有以下特點：一是掃描速度快，可以在1s測得多紅外譜圖；二是光通量大，可以檢測透射較低的樣品，可以檢測氣體、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)分子的精細構(gòu)造；四是測定光譜圍寬，只要改變光源、分束器和檢測器的配置，就可以得到整個紅外區(qū)的光譜。廣泛應用于有機化學、高分子化學、無機化學、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)分子部原子間的相對振動和分子轉(zhuǎn)動等信息進展測定。雙原子分子的紅外吸收頻

4、率分子振動可以近似地看作是分子中原子心平衡點為中心，以很小的振幅做周期性的振動。這種振動的模型可以用經(jīng)典的方法來模擬。如圖1所示，m1和m2分別代表兩個小球的質(zhì)量，即兩個原子的質(zhì)量，彈簧的長度就是化學鍵的長度。這個體系的振動頻率取決于彈簧的強度，即化學鍵的強度和小球的質(zhì)量。其振動是在連接兩個小球的鍵軸方向發(fā)生的。圖1 雙原子分子的振動模型用經(jīng)典力學的方法可以得到如下的計算公式：或 可簡化為： 式中，是頻率，Hz；是波數(shù)，cm-1；k是化學鍵的力常數(shù)，g/s2；c是光速(31010cm/s)；是原子的折合質(zhì)量(=m1m2/(m1+m2)。一般來說，單鍵的k=41056105 g/s2；雙鍵的k=

5、810512105 g/s2；叁鍵的k=1210520105 g/s2。多原子分子的吸收頻率雙原子分子振動只能發(fā)生在聯(lián)接兩個原子的直線上，并且只有一種振動方式，而多原子分子振動則有多種振動方式。假設(shè)由n個原子組成，每一個原子在空間都 有3個自由度，則分子有3n個自由度。非線性分子的轉(zhuǎn)動有3個自由度，線性分子則只有2個轉(zhuǎn)動自由度，因此非線性分子有3n-6種根本振動，而線性分子有3n-5種根本振動。以H2O分子為例，其各種振動如下圖，水分子由3個原子組成并且不在一條直線上，其振動方式應有3363個，分別是對稱和非對稱伸縮振動和彎曲振動。OH鍵長度改變的振動稱為伸縮振動，鍵角小于HOH改變的振動稱為

6、彎曲振動。通常鍵長的改變比鍵角的改變需要更大的能量，因此伸縮振動出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)，彎曲振動出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)。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振動，也可歸結(jié)為化學鍵的振動。不同的化學鍵或官能團，其振動能級從基態(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列圖所示：典型的紅外光譜。橫坐標為波數(shù)(cm-1，最常見)或波長(m)，縱坐標為透光率或吸光度。紅外波段通常分為近紅外133004000cm-1、中紅外4000400cm-1和遠紅外40010cm-1。其中研究最為廣泛的是中紅

7、外區(qū)。紅外譜帶的強度紅外吸收峰的強度與偶級矩變化的大小有關(guān)，吸收峰的強弱與分子振動時偶極矩變化的平方成正比，一般，永久偶極矩變化大的，振動時偶極矩變化也較大，如C=O或C-O的強度比C=C或C-C要大得多，假設(shè)偶極矩變?yōu)榱?，則無紅外活性，即無紅外吸收峰。4、實驗儀器與樣品制備方法介紹本實驗所采用的儀器設(shè)備為FTIR-7600型傅立葉變換紅外光譜儀*港東，實驗儀器和工作原理圖如圖1所示。圖1. 傅立葉變換紅外光譜儀(FTIR)的工作原理圖固定平面鏡、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預儀。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：50的光透射到可調(diào)凹面

8、鏡，另外50的光反射到固定平面鏡。可調(diào)凹面鏡移動至兩束光光程差為半波長的偶數(shù)倍時，這兩束光發(fā)生相長干預，干預圖由紅外檢測器獲得，經(jīng)過計算機傅立葉變換處理后得到紅外光譜圖。如圖2所示為FTIR-7600紅外光譜儀的光路圖。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英尺的室使用的，它們的可靠工作溫度在16到2560到78之間。另外，F(xiàn)TIR紅外光譜儀器需要在枯燥的環(huán)境中工作，因為分束器、檢測器以及其它組成局部可能會被濕氣所腐蝕。請維持圍在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空氣枯燥。以下為FTIR-7600的相關(guān)技術(shù)參

9、數(shù)：波數(shù)圍4000cm-1400cm-1分辨率1.5cm-1透過率重復性0.5%信噪比15000：1 1分鐘，2100cm-1處100%線4000cm-1500cm-1 圍99%101%CO2除外光源空冷瓷光源分束器多層鍍膜溴化鉀監(jiān)測器高靈敏度DTGS樣品制備方法：常見固體樣品包括高聚物，局部有機化合物，無機化合物，礦物等。要想得到高質(zhì)量的紅外光譜圖，應根據(jù)樣品的性質(zhì)，選用適當?shù)姆椒ㄟM展樣品制備及測試。對于固體樣品來說(薄膜樣品可直接進展測試)，常用的測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(重點介紹)，它也是固體樣品紅外測定的標準方法

10、。將固體樣品與溴化鉀碎晶放到研缽里一起粉碎，用壓片機壓成薄片薄片應透明均勻。組裝壓模時，將其中一個壓舌光潔面朝上放在底座上，并裝上壓片套圈，參加研磨后的樣品，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。壓片模具及壓片機因生產(chǎn)廠家不同而異。采用壓相片法時的考前須知：樣品及溴化鉀烘干樣品及溴化鉀研磨均勻操作應在紅外燈下進展。壓片成型后減壓要勻速用完模具應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，液層厚長一般為0.01-1mm，兩端一般為紅外透明的鹽窗片(KBr或KCl等)

11、，圖3所示為液體池構(gòu)造。對氣體樣品，常將氣體充于氣體槽中進展測量，氣體槽是一直徑約為40mm，長度100mm的玻璃筒，兩端也放置紅外透明的鹽窗片(KBr或KCl等)，圖4所示為氣體池構(gòu)造。圖3(左)和圖4(右)：FTIR測試用液體池和氣體池5、實驗容了解并初步掌握傅立葉變換紅外光譜儀的根本原理與構(gòu)造；學習紅外光譜法測定化合物構(gòu)造的方法；學習并掌握制備FTIR樣品的方法，尤其是壓片法；通過測定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)；了解影響分析測定的重要因素，學會優(yōu)化分析條件；學習譜圖的解析方法。具體實驗操作步驟如下：檢查溫濕度計，觀察環(huán)境是否符合要求：溫度為16C25C，相

12、對濕度為2050。檢查濕度指示卡是否為淡藍色，否則應立即更換枯燥劑?？菰飫?10C烘烤至少3小時，冷卻后才可以使用確認儀器的開關(guān)處于關(guān)閉檔，連接好電源線和USB線。將樣品倉的枯燥劑和防塵罩取出。開機，預熱15分鐘以上。根據(jù)樣品本身的性質(zhì)選取適宜的制樣方法。制備KBr薄片樣品，注意制備過程中的相關(guān)考前須知；將制好的樣品用夾具夾好，放入儀器的固定支架上準備進展測定。翻開操作軟件，進展參數(shù)設(shè)置。點擊采樣品，軟件會自動采集背景，背景采集完后跳出對話框按提示放入樣品，此時將樣品放入樣品倉點擊確定，軟件自動采集樣品，采集完畢后得到樣品譜圖。對上述所測譜圖進展所需的數(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，對其中的每個振動峰進展分析解譜，并作好相應記錄；保存譜圖，取出樣品。重復上述步驟測試其它樣品，如有機材料(手機貼膜、透明塑料方塊)，聚苯乙烯等；對各個測試所獲得的紅外光譜仍然進展分析、解譜并作詳細記錄，完成實驗報告。測試完成后清洗各附件(用無水乙醇將研缽，壓片器具洗干凈，烘干后，存放于枯燥器中