實(shí)驗(yàn)三FTIR測定分子結(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、掌握紅外光譜儀測試不同樣品的制備方法，學(xué)會固體粉末壓片法制備FTIR樣品;4、學(xué)會用FTIR測試薄膜樣品、粉末樣品的紅外光譜，學(xué)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(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）照射測試樣品時，樣品結(jié)構(gòu)中的質(zhì)點(diǎn)會吸收一部分紅

2、外光的能量，引起 質(zhì)點(diǎn)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(dǎo)物質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動情況，從而推導(dǎo)樣品中的分子振動情況、分子振動能級、物質(zhì)結(jié)構(gòu)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, 若樣品中分子的某一振動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)測得多張紅外譜圖；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(xì)結(jié)構(gòu)；四是測定光譜范圍寬，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(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)部原子間的相對振動和分子轉(zhuǎn)動等信息進(jìn)行測定。(

4、1)雙原子分子的紅外吸收頻率分子振動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。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(xué)鍵的長度。這個體系的振動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。其振動是在連接兩個小球的鍵軸方向發(fā)生的。mlkk2伸 一 墉VI一 W r, - N圖1雙原子分子的振動模型用經(jīng)典力學(xué)的方法可以得到如下的計算公式:1 fkTcr可簡化為: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種基本振動，而線性分子有3n-5種基本振動。以H20分子為例，其各種振動如圖所示，水分子由3個原子組

6、成并且不在一條直線上，其振動方式應(yīng)有 3X3- 6= 3 個，分別是對稱和非對稱伸縮振動和彎曲振動。0-H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)。（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振動，也可歸結(jié)為化學(xué)鍵的振動。不同的化學(xué)鍵 或官能團(tuán)，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（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)度與偶級矩變化的大小有關(guān)，吸收峰的強(qiáng)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(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。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)生相長干涉，干涉圖由紅外檢測器獲得，經(jīng)過計算機(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?、檢測器以及其它組成部分可能會被濕氣所腐蝕。請維持范圍在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)行樣品制備及測試。對于固體樣品來說（薄膜樣品可直接進(jìn)行測試），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(diǎn)介紹），它

12、也是固體樣品紅外測定的標(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，將其中一個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）。壓片成型后減壓要勻速用完模具應(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)。對氣體樣品，常將氣體充于氣體槽 中進(jìn)行測量，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KCI等），圖4所示為氣體池結(jié)構(gòu)。圖3（左）和圖4（右）:FTIR測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)；了解影響分析測定的重要因素，學(xué) 會優(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，觀察環(huán)境是否符合要求：溫度為 16°C25°C,相對濕度為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，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(diǎn)擊 確定”軟件自動采集樣品，采集結(jié)束后得到樣品譜圖。7. 對上述所測譜圖進(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，對其中的每個振動峰進(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；對各 個測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)報告。9.