红外光谱实验

1、一、实验目的（1）了解傅立叶变换红外光谱仪的结构和工作原理。（2）初步掌握红外光谱的测试和分析方法。二、实验原理1基本原理构成物质的分子都是由原子通过化学键连结而成，分子中的原子与化学键受光能辐射后均处于不断的运动之中。这些运动除了原子外层价电子的跃迁之外，还有分子中原子的相对振动和分子本身的绕核转动。当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。通常以波长（口m）或波数（cm-1）为横坐标，吸光度（A）或百分透过率（T%）为纵坐标，将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质

2、的红外吸收光谱或红外透射光谱，简称红外光谱。1）透射率（透过率）0回T=$X100%式中，Io为入射光强度，I为透射光强度。整个吸收曲线反映了一个化合物在不同波长的光谱区域内吸收能力的分布情况2）红外光谱区域通常将红外光谱区按波长分为3个区域，即近红外区、中红外区、远红外区，如表1所示。表1红外光谱区划分区域名称波长（人）pm波数（丫）cm'能级跃迁类型近红外0.752.5133004000OH、NH及CH键的倍频吸收区中红外（常用波段）2.5254000400各个键的伸缩和弯曲振动,可以得到官能团周围环境的信息，用J：化介物的鉴定远红外25100040010含重原子的化学键伸缩振动和

3、弯曲振动的基频在远红外光区绝大命数有机化合物红外吸收波数范围：4000665cm_,o3）红外光谱仪的标配检测器波数通常为4000400cm"。分子振动方式多原子分子中的化学键有多种振动形式，一般分为伸缩振动和弯曲振动两类。各键的振动频率不仅与这些键本身有关，也受到整个分子的影响。4）双原子形成化学键的波数以经典力学来处理分子中化学键的振动:将复杂分子看成是由不同质量的小球和不同倔强系数的弹簧组成的，小球代表原子，弹簧代表化学键。化学键振动近似为弹簧振子。若将双原子看成是质量分别为ml>m2的两个小球，把它们之间的化学键看成质量可忽略不计的弹簧，其长度为r（键长），两个原子（谐

4、振子）之间的伸缩振动可近似地看成沿轴线方向的简谐振动。图2农原于抵动模型伸缩振动的基频可由胡克(Hooke)定律推导的式计算其近似值式中：f键的振动基频(单位为Hz)1/波数(单位为纫c光速(3X10l%.v>)k化学键的力常数(其单位：AW0脚折合原子质量(单位g)mx叫m=!-叫+用2可见，双原子分子红外吸收的频率决定折合质量和键力常数。若力常数k用Ncm折合质量m以原子量为单位，则上式可简化为式中M为Avogadro常数(6,022X10-'moH)式(2)和式(2)表明影响基本振动跃迁的频率或波数的直接因素为化学键力常数k和原子质量k越大，化学键的振动频率或波数越高，如k

5、C0C(2222cm-1)>kC=C(1667cm-1)>kC-C(1429cm-1)(质量相近)m越大，化学键的振动频率或波数越低，如mC-C(1430cm-1）>mC-N（1330cm1）>mC-O（1280cm1）（力常数相近）需说明的是，经典力学导出的波数计算式为近似式。因为振动能量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键之间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构（内因）和所处的化学坏境（外因）有关。2红外光谱产生的条件当以红外光照射物质分子时，可能产生红外吸收。但并不是分子的任何振动都能产生红外吸收光谱，只有物质吸收了电磁辐射满足卞列两个条件时，才能产生红外吸

6、收光谱。条件之一：光辐射的能量恰好能满足物质分子振动跃迁所需的能量。即E=hv=振QI条件之二：光辐射与物质之间能产生偶合作用，即物质分子在振动周期内能发生偶极矩的变化。3傅立叶变换红外光谱仪工作原理如图3,仪器中的Michelson干涉仪将光源发出的光分成两光束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。当两束光的光程差为回入/2的偶数倍时，则落在检测器上的相干光相互叠加，产生明线，其相干光强度有极人值；相反，当两束光的光程差为入/2的奇数倍时，则落在检测器上的相干光相互抵消，产生暗线，相干光强度有极小值。由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并向两边迅速衰

7、减的对称干涉图。干涉图包含光源的全部频率和与各频率相对应的强度信息,所以如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品能吸收特征波数的能量，结杲所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。包含每个频率强度信息的干涉图，可借助数学上的Fourier变换技术对每个频率的光强进行计算，从而得到吸收强度或透过率随波数变化的普通光谱图。(D/1干涉仪光源6样品检测器计算机I图3傅立叶变换红外光谱仪原理图三、实验装置实验装置主要有NICOLETAVATAR360FT-IR红外光谱仪，红外灯，研钵，压片螺母螺杆，粉末样品等。Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源(硅碳棒)、Michel

8、sonT涉仪、检测器、计算机和记录仪等组成。其核心部分是Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。四、实验内容1试样的处理和制备(1) 红外光谱法对试样的要求红外光谱的试样可以是气体、液体或固体，一般应符合以卞要求：试样应该是单一组分的纯物质。纯度应98%或符合商业规格(b) 试样中不应含有游离水。(c) 试样的浓度和测试厚度应选择适当制样方法(a)固体试样(i)压片法。将12mg试样与200mg纯KBr研细混匀，置于模具中，用(510)X107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干

9、燥处理，研磨到粒度于2pm,以免散射光影响。KBr在4000400cm-2光区不产生吸收，因此可测绘全波段光谱图。(ii)石蜡糊法。将干燥处理的一试样研细，与液体石蜡或全氟代烧混合，调成糊状，夹在盐片中测定。液体石蜡油自身的吸收带简单，但此法不能用来研究饱和烷烧的吸收情况。(iii)薄膜法。主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，等溶剂发后成脸来测定。(b)液体和溶液试样常用的方法有：(i)液体池法。对于沸点较低，挥发性较人的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.011mmo(ii)液膜法。沸点较高的试样，直接滴

10、在两块盐片之间，形成液膜。对于一些吸收很强的的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成桥溶液来测定。一些固体也可以以溶液的形式来进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。例如，CS2是1350600cm-1区域常用的溶剂，CCI4用于40002350cm-1区。(c)气体试样气态试样可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入。2测量操作(1)开机：打开辅助设备(如打印机等)打开红外光谱仪电源开关打开PC机电源开关，进入Windows98操作环境。双击&q

11、uot;EZOIVINIC”图标弹出“LogIntoOMNIC”窗1丨，提示输入用户名(UserName)；输入正确的用户后，点击“0K”键，即可启动红外光谱仪的控制程序，显示“EZOMNIC”窗口。设置：点击“EZOMNIC”主菜单的"Collect"，选取ExperimentSetup弹出uExperimentSetup”窗口后，选取其中的“Collect”可选项，将其中的“No.ofscans”设置为32,将“Resolution：”设置为“2”或“4”，将MBackgroundHandling"选设为“CollectBackgroundbeforeEver

12、ySample*0然后，选取“ExperimentSetup"中的“Bench”,对其中的uAccessory："WindowMaterial：”等项目，根据需要进行选取。设置完后，点击uExperimentSetup"窗门左下角的“OK”。扫描测试：点击“EZOMNIC”工具栏的"ColSmpM(CollectSample)图标,弹出“CollectSample"窗口,提示输入“SpectrumTitle输入后，点击“OK”,则弹出“Confirmation0窗II,这时可对“Background”进行扫描：确认光谱仪中样品架上无样品后，点击

13、“0K”,过一会儿即出现Background扫描谱线。EsmOJ_6ucn4000300020001000Wavenumbers(cm-1)图7背景光谱图完成Background扫描后,又弹出“Confirmation"窗口,这时可对“Sample”进行扫描：放入样品后，点击“OKS过一会即出现样品谱线。QJICJue俎Esuel%400030002000100080604020Wavenumbers(crn-1)图8示例样品光谱图完成Sample扫描后，屏幕上弹出一个窗II,选择“AddtoWindow”后，点击“EZ0MNIC”主菜单的“File”，选取“Save”，对扫描谱线原

14、始数据进行保存。(4) 数据处理：点击“EZOMNIC”主菜单的“File”，选取“Open”，打开所需处理的扫描谱线原始数据文件。点击“EZOMNIC”主菜单的“Process”，可对原始数据作“自动基线校正”、“自动平滑”、“自动归一化纵坐标刻度”等处理。点击“EZOMNIC”主菜单的“Analyze”，可对已作上述处理的数据进行“寻峰”、及与数据库中标准红外光谱数据进行比对的分析。具体操作为：点击“LibSetup”，弹出“Lib-rarySetup”窗II；全选该窗II左边的"AvailableSearchLibrariesandGroupsM中的各数据库，点击uAdd>

15、;>”，将其加入到右边的“SearchLibrariesandGroups”中：再点击窗II底部的“Search”进行谱图检索，然后按相似度显示结果。(5) 关机：测量工作结束后，应先退出应用程序。关电源时，应先关闭红外光谱仪的电源，然后正确退出Windows并关闭PC机电源，最后关闭其它设备的电源。实验完毕，将制样器具用水、无水酒精或丙酮擦洗干净、晾干，以备卜次再用。同时，收拾、整理好实验用具，打扫实验室卫生。3光谱解析通过查找资料和进行其它实验等，对光谱图作进一步的解析五、实验数据与分析光谱图10.7-99舄GCI0.6-r-1Ln6内30002000C1.-11000图谱解析 该图

16、谱在31003000cnf】波数段有明显的吸收峰，可以犬致判断为烯坯的C-H伸缩振动，但该图在1680-1620crn"波数段却没有该烯坯的C=C伸缩振动，町以推测出该结构中没C=C,既可能是聚合物； 该图谱在30002800cm1明显的吸收峰，可以推测出该结构中有C-H的对称和不对称伸缩振动频率，而在1470cm1和1380cm1附近也有明显的吸收峰，可以推测为C-H的弯曲振动频率； 在2250800cm1也有明显的吸收峰，可以推测为C-C骨架的振动，不过其特征性不强。 该图谱在1600cm-1左右有明显吸收峰，可推测为苯坏骨架的特征吸收峰；苯环的一元取代在弯曲振动频率在770650cm1,与图谱吻合。综合上述信息，町以人致判定为该物质是实验材料聚苯乙烯。4