红外光谱仪器分析试验讲义

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试验1红外光谱测定有机化合物的结构

试验导读

红外吸收带的波长位置和谱带形状是红外光谱（IR）法定性分析的主要依据，谱带强度可用于定量分析和纯度鉴定。红外光谱法在化学领域的应用大体可分为两类：分子结构的研究和化学组成的分析。例如，应用红外光谱可以测定分子的键长、键角，推断分子的立体构型；根据所得的力常数了解化学键的强弱；由简振频率来计算热力学函数。红外光谱最广泛的应用在于对化学组成的分析，其主要的研究对象是在振动中伴有偶极矩变化的化合物，除单原子和同核分子外，几乎所有的有机化合物在红外光区均有吸收，除光学异构体外，凡具有结构不同的两个化合物，一定有不同的红外光谱。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。红外光谱（IR）是科研、生产的常用分析工具，它提供的信息可靠，具有操作简便、分析快速、样品用量少、不破坏试样、气液固三态都能测定等特点。一、试验目的

1．学习红外光谱法的基本原理。2．了解红外光谱仪的构造。3．把握各种物态的样品制备方法。4．初步学会对红外吸收光谱图的解析。二、试验原理

红外光谱是由于分子的振动能级的跃迁（同时伴随转动能级跃迁）而产生的。当用一定频率的红外光照射某物质时，若该物质的分子中某基团的振动频率与之一致，则该物质就能吸收此种红外光，使分子由振动基态跃迁到激发态。若用不同频率的红外光通过待测物质时就会出现不同强度的吸收现象。由于各种化合物具有其特征的红外光谱，可以用红外光谱对物质进行结构分析。同时，根据分光光度原理，若选定待测物质的某特征波数吸收峰也可以对物质进行定量测定。

红外光谱定性分析，一般采用两种方法：一种是用已知标准物对照，另一种是标准图谱查对法。

一般图谱的解析步骤如下：

（1）先从特征频率区入手，找出化合物所含主要官能团。

（2）指纹区分析，进一步找出官能团存在的依据。由于一个基团常有多种振动形式，确定该基团不能只依靠一个特征吸收，必需找出所有的吸收带才行。

（3）对指纹区谱带位置、强度和形状的细心分析，确定化合物可能的结构。（4）对照标准谱图，协同其他鉴定手段，进一步验证。三、仪器与试剂

仪器：红外光谱仪、油压式压片机、玛瑙研钵、盐片、红外枯燥灯、枯燥器。试剂：溴化钾(A.R.)、无水乙醇（A.R.）、氯仿（A.R.）、乙酸乙酯（A.R.）、苯甲酸（A.R.）、聚甲基丙烯酸甲酯、未知物。四、试验步骤

1．固体样品苯甲酸的红外光谱测定：

取约2mg苯甲酸样品于清白的玛瑙研钵中，加约100mg的KBr粉末在红外灯下研磨成

细粉，粒度约2?左右比较适合，然后移入压片模中，将模子放在压片机上，加压力，在20MPa压力下，维持1min，放气去压，取出模子进行脱模，可获得一片透明或半透明片子，将片子装在样品架正中，进行4000cm-1~400cm-1波数扫描，得到吸收光谱。2．液体样品乙酸乙酯的红外光谱测定：

取两片NaCl盐片，用95%乙醇棉球擦拭，趁湿时用绒布抛光至干，在一块NaCl盐片上滴加一滴乙酸乙酯样品，压上另一块盐片，将它置于池架上固定，然后将池架插入红外光谱的试样安放处，从4000cm-1~400cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。

3．聚甲基丙烯酸甲酯的红外光谱测定：

取1～2滴聚甲基丙烯酸甲酯氯仿溶液滴在NaCl盐片上，用玻璃棒摊匀，于红外灯下烘去溶剂，为避免产生气泡，溶剂挥发速度不宜太快，待溶剂挥发后，即可测谱。

4．未知物红外光谱测定：

根据教师提供的未知物，确定样品制备方法并测谱。以上红外吸收光谱测定时的参比均为空气。

本卷须知：固体样品经研磨（红外灯下）后仍应防止吸潮。盐片应保持枯燥透明，每次测定前均应用95%乙醇抛光（红外灯下），切勿水洗。制得的晶片必需无裂痕，局部无发白现象，透明或半透明，否则应重新制作。晶片局部发白，表示压制的晶片厚薄不均，晶片模糊，表示晶体吸潮，水在光谱图3450cm-1和1640cm-1处出现吸收峰。五、结果与探讨

1．对苯甲酸、乙酸乙酯及聚甲基丙烯酸甲酯的特征谱带进行归属。2．根据教师给定的未知物的分子式及红外谱图推测未知物可能的结构。六、思考题

1．固体样品有哪些制样方法，它们分别适用于哪一种状况？

2．测试红外光谱时，样品容器一般常用氯化钠和溴化钾，它们适用的波数范围各为多少？

3．为什么红外光谱是连续的曲线图谱？

4．通过样品光谱谱图中的什么指标可判断制备样品是否符合要求？5．红外光谱测试时为何特别需要注意防潮脱水？七、参考资料：

1．殷学锋主编，新编大学化学试验，北京：高等教育出版社，2023。2．张剑荣，戚苓，方惠群编，仪器分析试验，北京：科学出版社，1999。

（张培敏）

试验2电感耦合等离子体原子发射测定环境水样中的微量金属元素

试验导读

原子发射寻常用化学火焰、电火花、电弧、激光和各种等离子体光源激发而获得。目前最广泛应用的原子发射光谱光源是等离子体，其中包括电感耦合等离子体（InductivelyCoupledPlasma,ICP）、直流等离子体（Direct-CurrentPlasma,DCP）以及微波等离子体（MicrowavePlasma,MWP）。

ICP光谱分析具有灵敏度高、选择性好，分析速度快，试样消耗少的特点，已成为元素分析特别是金属元素分析最常用的手段之一。一、试验目的

1．把握电感耦合等离子体原子发射光谱仪的结构以及工作原理。2．把握ICP光谱分析的主要工作参数。3．学习多元素ICP光谱分析方法。二、试验原理

电感耦合等离子体原子发射（ICP-OES）是由射频发生器、分光系统、进样系统、气体控制系统、冷却系统与数据处理系统组成。（图3-1）

ICP光源具有环形通道、高温、惰性气氛等特点，其分析信号源于原子/离子发射谱线，液体样品由雾化器引入Ar等离子体（6000K高温），经枯燥、电离、激发，发出与样品所含元素相关的特征辐射。光源发出的复合光经分光系统分光后成按波长顺序排列的一系列谱线，即形成样品的发射光谱。再用检测器检测光谱中谱线的波长和强度。

定性分析的基本原理：元素不同→电子结构不同→光谱不同→特征光谱。

定量分析：待测组分在光源中发射的谱线强度与样品中该组分的浓度符合如下的经验公式：

I=Acb

式中I为待测元素光谱线强度；c为待测元素的浓度；A是与蒸发、激发等过程及试样组成有关的参数；b是自吸系数（b≤1）。

当测量条件固定，且待测组分浓度很低时，A值亦固定，b≈1，上式有

I=Kc

式中K为常数。此式是ICP光谱法的定量分析依据。测得未知样和标准样的谱线强度并进行比较，采用标准曲线法或其他定量校准方法，便可进行定量分析。三、仪器与试剂

仪器：ICP-OES光谱仪，氩气钢瓶。

试剂：氩气；混标：1mg/mLCu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb标准储存液（用1%（V/V）硝酸定容）；空白溶液：1%（V/V）硝酸，二次蒸馏水，环境水样。四、试验步骤

1.仪器的准备

在测定前，提早数小时，开启ICP光谱仪电源，进行预热，使分光系统达到仪器所需的温度，保持恒温，并充氩气驱除空气（约30分钟以上）按仪器操作规程设置好分析参数，确认进样系统、冷却循环水系统、抽风机风门正常后，开启软件，确认软件的〞等离子体状态〞的〞仪器状态〞对话框中各内锁状态正常，温度显示正常后执行点火命令〞等离子体开启〞，仪器点火后执行〞光谱仪优化〞后稳定15至30分钟才可进行进样。

2.溶液的准备

（1）标准溶液配制确切移取待测元素的标准溶液，配制0.010，0.030，0.100，0.300，1.000，2.0、5.0、10.0、20.0，50.0，100mg/L的标准溶液。

（2）样品溶液的准备环境样品经过滤处理后即可。3.定性分析

取过滤后的样品水样30mL，放入进样的毛细管，观测自来水水样中各元素的全谱图，找出自来水中所含有的元素，打印水样的全谱图，考虑其灵敏度、背景干扰等因素后确定Cu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb测定的波长。

4.定量分析

（1）建立分析方法选择待测元素适合波长，在应用软件中输入相应标准溶液浓度。（2）标准曲线的建立依次进入配制0.010，0.030，0.100，0.300，1.000，2.0、5.0、10.0、20.0，50.0，100mg/L的标准溶液，由设定的检测波长下测定的响应信号建立标准曲线。

（3）样品溶液的测试进样品溶液，应用软件自动给出待测元素浓度。5.分析方法验证（1）检出限

重复10次测定空白溶液，计算相对于Cu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb的检出限。（2）缜密度

选择较低浓度的Cu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb溶液，重复测定10次，计算ICP-AES方法测定Cu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb的缜密度。

6．关机

（1）分析完毕后，分别用去稀硝酸和离子水冲洗进样系统3至5分钟。点击“等离子体关闭〞，熄火。

（2）关闭冷却循环水系统电源。（3）松开蠕动泵夹，关闭抽风机电源。

（4）开启软件的〞等离子体状态〞的〞仪器状态〞对话框确认检测器温度显示：检测器camera:≥20℃后再继续驱气5-10分钟，关闭氩气。

(5)退出软件，关闭电脑、显示器、打印机。

7．假使长时间不运行的状况下，依次关闭主机电源、稳压器。

8．做好仪器使用记录。本卷须知：

1．为了俭约工作氩气，准备工作全部完成后再点燃等离子体。2．应先熄灭等离子体光源再关冷却氩气，否则，将烧毁石英矩管。

3．关闭仪器前要使用溶剂或蒸馏水冲洗10min，以免试样沉积在雾化器口和石英矩管口。

4．同一元素，具有好多分析谱线。不同元素具有不同的灵敏度，高灵敏度谱线检测低含量的样品，低灵敏度谱线检测高浓度样品，这样可有效拓宽分析的浓度范围。五、结果与探讨

1.记录以下仪器参数:仪器类型、高频发生器功率、雾化器压力、辅助气流量，冷却气流量、辅助气流量，提升量，分析线波长。

2．环境水样中含有哪些金属离子？

3.绘制标准曲线求出样品中Cu，Mg，Ca，Fe，Zn，Pb的浓度。4．计算平行测定10次的缜密度。5．计算检出限。

检出限寻常与是指能产生一个确证在试样中存在被测组分的分析信号所需要的该组分的最小含量或最小浓度。IUPA