東華大學材料結構表征及其應用作業(yè)答案

1、.“材料研究方法與測試技術”課程練習題第二章紅外光譜法1. 為什么說紅外光譜是分子振動光譜？分子吸收紅外光的條件是什么？雙原子基團伸縮振動產生的紅外光譜吸收峰的位置主要與哪些因素有關？答案：這是由于紅外光譜是由樣品分子振動吸收特定頻率紅外光發(fā)生能級躍遷而形成的。分子吸收紅外光的條件是： （ 1）分子或分子中基團振動引起分子偶極矩發(fā)生變化； （ 2）紅外光的頻率與分子或分子中基團的振動頻率相等或成整數(shù)倍關系。雙原子基團伸縮振動產生的紅外光譜吸收峰的位置主要與雙原子的折合質量（或質量）和雙原子之間化學鍵的力常數(shù)（或鍵的強度；或鍵的離解能）有關。2. 用誘導效應、共軛效應和鍵應力解釋以下酯類有機化合

2、物的酯羰基吸收峰所處位置的范圍與飽和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所處位置范圍（ 17351750cm-1）之間存在的差異。芳香酸酯： 17151730cm-1酮酯：17401755cm-1丁內酯：1820cm-1答案：芳香酸酯：苯環(huán)與酯羰基的共軛效應使其吸收峰波數(shù)降低；酮酯：酯羰基與其相連的酮羰基之間既存在共軛效應，也存在吸電子的誘導效應，由于誘導效應更強一些，導致酯羰基吸收峰的.波數(shù)上升；丁內酯：四元環(huán)的環(huán)張力使酯羰基吸收峰的波數(shù)增大。3. 從以下 FTIR譜圖中的主要吸收峰分析被測樣品的化學結構中可能存在哪些基團？分別對應哪些吸收峰？答案：3486cm-1 吸收峰：羥基（-OH）；3335cm-

3、1 吸收峰：胺基（-NH2或-NH-）；2971cm-1 吸收峰和 2870cm-1 吸收峰：甲基（ -CH3）或亞甲基（-CH2-）；2115cm-1 吸收峰：炔基或累積雙鍵基團 （-N=C=N）-；1728cm-1 吸收峰：羰基；1604cm-1 吸收峰、 1526cm-1 吸收峰和1458cm-1 吸收峰：苯環(huán)； 1108cm-1 吸收峰和1148cm-1 吸收峰：醚基（ C-O-C）。 1232cm-1 吸收峰和 1247cm-1 吸收峰： C-N。第三章拉曼光譜法1. 影響拉曼譜峰位置（拉曼位移）和強度的因素有哪些？如果分子的同一種振動既有紅外活性又有拉曼活性， 為什么該振動產生的紅

4、外光譜吸收峰的波數(shù)和它產生的拉曼光譜峰的拉曼位移相等？.答案：影響拉曼譜峰位置的因素主要有：樣品分子的化學結構和樣品的聚集態(tài)結構。影響拉曼譜峰強度的因素有：入射光的強度，入射光的頻率，分子結構，分子數(shù)量或濃度，溫度。由于分子振動發(fā)生能級躍遷吸收紅外光的頻率與分子振動頻率相等，而該分子振動形成的拉曼散射光的頻率與入射光的頻率之差即拉曼位移也與其振動頻率相等，因此反映在譜圖上就是同一種分子振動的紅外光譜吸收峰的波數(shù)與其拉曼光譜峰的拉曼位移相等。2. 從全方位角度（包括原理、譜圖、儀器構造、譜圖、制樣和應用等）比較紅外光譜法和拉曼光譜法的相同點和不同點答案：相同點：（1）紅外光譜和拉曼光譜的產生都與

5、分子振動有關；（2）紅外光譜圖和拉曼光譜圖的橫坐標都是以波數(shù)為單位； （ 3）影響紅外光譜峰位置和拉曼光譜峰位置的因素相同。不同點： （1）紅外光譜是吸收光譜，而拉曼光譜是散射光譜； （2）紅外光譜與分子振動引起的偶極矩變化有關， 而拉曼光譜與分子振動引起的極化度變化有關；（3）紅外光譜圖的縱坐標是透光率或吸光度，而拉曼光譜圖的縱坐標是光強度；（4）紅外光譜圖的橫坐標是入射的紅外光的頻率，而拉曼光譜圖的橫坐標是入射光和拉曼散射光的頻率之差，即拉曼位移；（5）紅外光譜儀使用的光源是具有連續(xù)波長的中紅外光，而拉曼光譜儀使用的是具有單一波長的可見光或近紅外光； （ 6）紅外光譜儀檢測的是入射光方向透

6、過樣品的光， 而拉曼光譜檢測的是與入射光方向垂直的散射光；（7）紅外光譜分析要求樣品是厚度小于 50m的透明或半透明薄片，不含水，不能是黑色，不能裝在玻璃容器中，而拉.曼光譜分析對樣品的尺寸、形狀、顏色和透明度沒有任何要求，可分析含水或黑色樣品，樣品可裝在玻璃容器內； （8）紅外光譜主要分析分子中的極性基團，而拉曼光譜主要分析分子中的非極性基團；（9）紅外光譜主要分析高分子鏈中的特征基團，而拉曼光譜主要分析高分子的骨架鏈結構。3. 為什么說與紅外光譜法相比，拉曼光譜法研究碳材料結構有明顯的優(yōu)勢？碳材料拉曼光譜圖中常見的D 峰和 G 峰對應的拉曼位移大致是多少？各歸屬于碳材料化學結構中的何種基團

7、？G 峰變強變窄意味著碳材料的結構發(fā)生了什么變化？答案：拉曼光譜法研究碳材料結構有以下優(yōu)勢： （1）由于碳材料多為黑色，對紅外光產生強吸收，不適合做紅外光譜分析，而拉曼光譜檢測的是散射光，與樣品顏色無關，因此適合做拉曼光譜分析；（ 2）碳材料的化學結構中主要含極性非常弱的C-C、C=C基團，這些基團的紅外活性很弱，而拉曼活性較強，因此也適合做拉曼光譜分析。D 峰的拉曼位移大約為1330cm-1，G 峰的拉曼位移大約為1580cm-1。D 峰歸屬于碳材料化學結構中的C-C基團，而 G 峰歸屬于碳材料化學結構中的 C=C基團。 G 峰變強變窄意味著碳材料的結構中C=C基團增多，而且逐漸形成了更多的

8、石墨結構，分子鏈排列更加規(guī)整， 由此形成的微晶尺寸更大。第四章核磁共振波譜法1. 分子結構中處于不同化學環(huán)境的氫原子或碳原子產生核磁共振吸收的電磁波頻率為何不同？為什么氫譜（ 1H NMR）和碳譜（ 13CNMR）.中絕大部分譜峰都出現(xiàn)在參比物四甲基硅烷（TMS）譜峰的左邊？導致 1H NMR 譜峰發(fā)生分裂的原因是什么？答：分子結構中處于不同化學環(huán)境的氫原子或碳原子的核外電子云密度不一樣，導致它們的核外電子云對外加磁場H0 產生的屏蔽效應即屏蔽常數(shù)不同，根據公式（1） H0 ，因此它們產生核磁共振吸收電磁波的頻率也不同。由于硅（ Si）的電負性比有機物中常見元素如C、O、N、H 等的都要小，因

9、此 TMS 中 Si 原子對直接相連的碳原子核外電子云及其碳原子連接的氫原子核外電子云的影響很小，因此TMS 中氫原子或碳原子核外電子云的屏蔽常數(shù)比絕大部分有機物中相應原子的都要大，這樣有機物中氫原子或碳原子的化學位移一般都比TMS中碳原子或氫原子的化學位移大， 結果造成氫譜和碳譜中絕大部分譜峰都出現(xiàn)在TMS 譜峰的左邊。導致 1H NMR 譜峰發(fā)生分裂的原因是相鄰碳上氫原子之間的自旋偶合作用。2. 用教材中公式（ 321）、（3 22）和（ 323）和表 34、表 35 和表 36 計算對氯甲基苯乙烯分子中所有H 原子的化學位移（以氘代氯仿為溶劑），計算結果標在它的分子式上。如何用1H NM

10、R 來研究該單體產生聚合反應的動力學？.4.717.275.617.387.275.187.386.63對氯甲基苯乙烯產生聚合反應過程中， 連在雙鍵碳上氫原子的1HNMR譜峰面積逐漸減小， 其它氫原子的譜峰面積應該不變， 因此可用連在雙鍵碳上 3 個氫原子的譜峰面積與苯環(huán)上四個氫原子的譜峰面積之比，或用連在雙鍵碳上 3 個氫原子的譜峰面積與氯甲基中兩個氫原子的譜峰面積之比來計算聚合反應的轉化率， 從而研究該單體的聚合反應動力學。3. 以下是某種聚合物以氘代氯仿為溶劑測得的寬帶去偶碳譜（13CNMR）、DEPT90碳譜和 DEPT135碳譜（注：同一種碳在三個譜圖中的化學位移略有差別），根據這三

11、張譜圖首先判斷 19 譜峰中哪個是溶劑的碳峰，再判斷余下 8 個譜峰分別代表聚合物結構中的哪種碳原子以及它們分別可能處于哪種化學環(huán)境或基團中？.41 3.796825寬帶去偶碳譜.DEPT90碳譜DEPT135碳譜答案：譜峰 6：溶劑碳峰譜峰 1：季碳，可能處于碳化二亞胺（-N=C=N）-或甲亞胺基團中。譜峰 2：季碳，可能處于苯環(huán)中譜峰 3 5：叔碳，可能處于苯環(huán)中譜峰 7：仲碳，可能處于 -CH2O-化學環(huán)境中譜峰 8：季碳，可能處于 CN化學環(huán)境中譜峰 9：伯碳，可能處于CH3-C化學環(huán)境中第五章裂解氣相色譜質譜聯(lián)用分析法1. 簡述用裂解氣相色譜質譜聯(lián)用分析法分析高分子鏈結構的原理。為什

12、么說選擇合適的裂解溫度對準確分析高分子鏈結構很重要？.答案：高分子材料樣品首先在一定溫度的裂解器中裂解形成分子量較小的碎片，然后通過氣相色譜進行分離， 分離后的小分子碎片再進入質譜中分析它的化學結構， 最后根據所有小分子碎片的化學結構推斷高分子的鏈結構。裂解溫度太低，形成的裂解產物中有的分子量大，沸點高，難以通過氣相色譜進入質譜， 由于質譜檢測到的裂解產物種類少， 不利于推斷高分子材料的鏈結構； 若裂解溫度太高， 形成的大多是分子量很小的裂解產物，種類偏少且不具有特征性， 也難以推斷高分子材料的鏈結構。因此選擇合適的裂解溫度對準確分析高分子鏈結構很重要。2. 用學過的高分子化學知識解釋為什么聚

13、甲基丙烯酸甲酯在高溫下裂解形成的是單體，而聚氯乙烯形成的不是單體而是苯。答案：根據高分子熱降解機理， 影響高分子熱降解產物的主要因素是熱解過程中自由基的反應能力（即穩(wěn)定性） ，及參與鏈轉移反應的氫原子的活潑性。 如高分子鏈裂解后生成的自由基被取代基所穩(wěn)定， 一般按解聚機理進行裂解， 形成的產物就是單體。 如聚甲基丙烯酸甲酯就是按照解聚機理進行裂解， 因為它的分子鏈末端受熱斷裂后形成的自由基被取代的甲基和酯基所穩(wěn)定。 而對側基以雜原子與主鏈碳原子相連的高分子， 由于碳原子與雜原子之間的鍵能較弱， 因此在受熱的情況下易發(fā)生側基脫除的消除反應， 在主鏈上形成碳碳不飽和鍵。 如聚氯乙烯，受熱發(fā)生脫除

14、HCl 的消除反應，形成碳碳雙鍵。當相鄰的三個碳碳雙鍵形成共軛結構后， 主鏈發(fā)生斷裂形成穩(wěn)定性較高的產物苯。.4. 用紅外光譜法、拉曼光譜法、核磁共振波譜法和裂解氣相色譜質譜聯(lián)用分析法分析高分子鏈結構各得到哪些信息？答案：紅外光譜法主要獲得高分子鏈中含有哪些極性基團的信息；拉曼光譜法主要獲得高分子鏈的骨架結構信息；核磁共振波譜法主要獲得高分子鏈中碳原子和氫原子的化學環(huán)境信息，進而可推斷高分子鏈的重復單元結構和序列結構； 裂解氣相色譜質譜法可獲得高分子鏈的重復單元結構信息以及序列結構信息。第六章掃描電子顯微鏡 X 射線能譜法1. 二次電子和背散射電子是如何產生的？它們的產率主要與什么因素有關？二

15、次電子像和背散射電子像分別反映樣品什么信息？答案：二次電子是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子， 背散射電子是被樣品中原子反射出來的一部分入射電子； 二次電子產率主要與入射電子束和樣品表面法線方向所形成的夾角有關， 背散射電子產率主要與樣品中原子的原子序數(shù)有關。 二次電子像反映樣品的表面形貌信息，而背散射電子像反映樣品表面化學組成分布的信息。2.特征 X 射線是如何產生的？利用特征 X 射線能得到樣品哪些信息？答案：樣品中原子的內層電子被入射電子轟擊出來后， 相鄰外層能量較高的電子會迅速發(fā)生躍遷， 填補內層電子空位。 由于原子內外層電子存在能量差，因此外層電子躍遷到內層的過程中會釋放具有特定能量

16、或波長的 X 射線。利用特征 X 射線可判斷樣品表面含何種元素及其相對含量。3. 為何用 SEM 分析非導電樣品前要對它進行噴金或噴碳處理？如何.利用 SEM分析材料內部結構？答案：由于進入和離開樣品的電子數(shù)量不平衡，電子在樣品表面積聚產生放電現(xiàn)象， 影響二次電子成像和背散射電子成像的效果，因此在SEM分析樣品前需要對它的表面噴涂導電的涂層，如噴涂金或碳等。采用刀切、脆斷或拉斷等方法形成樣品的斷面，然后用SEM 分析樣品斷面的形貌或組成分布，從而可達到分析樣品內部結構的目的。第七章透射電子顯微鏡法1. TEM圖像的質厚襯度和衍射襯度是如何形成的， 分別適合分析哪類材料？答案：質厚襯度是由于樣品

17、不同區(qū)域的厚度或 / 和原子序數(shù)差異產生的襯度，適用于對非晶材料的分析。 衍射襯度是當電子束入射到樣品中結晶部分時， 在特定角度產生衍射電子束。 如果用物鏡光闌擋住衍射電子束，就會形成有襯度的 TEM 圖像，適用于分析結晶性材料。2.如何制備滿足 TEM 分析要求的聚合物樣品， 正染色和負染色的區(qū)別何在？ 負染色通常適合分析哪類聚合物材料？答案：對聚合物膠乳樣品通常加入負染色劑， 滴在銅網上使溶劑揮發(fā)干。對宏觀塊狀聚合物樣品， 首先用硬度相當?shù)沫h(huán)氧樹脂進行固化包埋，然后用超薄切片機切成厚度小于 100nm 的薄片，最后選用適當?shù)娜旧珓悠分心骋唤M分或某一相進行染色。正染色是使樣品中某一組分或

18、某一相結合原子序數(shù)高的原子； 而負染色是使聚合物周圍環(huán)境或空隙含原子序數(shù)高的原子。負染色通常適合分析聚合物微球或聚合物膠體粒子。.3.從文獻中找一個用TEM分析高分子材料或復合材料結構的例子（寫出是研究何種材料、如何制樣的、給出測得的TEM 圖、說明從 TEM圖上獲得了哪些結果）。第八章掃描探針顯微鏡法1. 掃描隧道顯微鏡（ STM）和原子力顯微鏡（ AFM）的工作原理有何不同？它們分別適合分析哪類樣品？答案：STM是利用探針針尖與樣品表面之間形成的隧道電流來觀察樣品表面形貌，而 AFM 是利用探針針尖與樣品表面之間產生的相互作用力來觀察樣品表面形貌。 STM適合分析表面平整度為原子級的導電樣

19、品，而 AFM 適合分析表面平整度不是很高的導電樣品或非導電樣品。2. 在 AFM 輕敲模式下形貌像和相位像是如何形成的？分別能得到樣品表面哪些信息？答案：形貌像是利用探針針尖在樣品表面產生周期性振蕩時振幅的變化來形成的圖像，而相位像是利用探針針尖在樣品表面產生周期性振蕩時相位的變化來形成的圖像。形貌像主要用于觀察樣品表面形貌，測量表面粗糙度；而相位像可用于分析樣品表面的組成分布和微相分離等。3. 要觀察石墨烯表面 C 原子的排列情況，在 STM和 AFM 中用哪一個更合適？如果要觀察碳納米管，用哪一個更合適？說出為什么。答案：觀察石墨烯表面 C 原子的排列情況用 STM 更合適，這是因為石墨

20、烯本身是導電的，其表面平整度達到原子級，而 STM分辨率高，.能得到比較清晰的C原子排列圖像。 碳納米管雖然也導電， 但其表面不是平面狀，平整度較低，用STM不合適，只能用AFM。第九章熱分析法1. 簡述 TGA的基本原理，從高分子材料樣品的 TGA曲線上能獲得哪些信息？答案： TGA 是測量一定流動氣氛中樣品的重量（質量）隨溫度的變化關系。 從高分子材料樣品的 TGA 曲線上可獲得以下信息：（1）吸附的水含量；（2）添加劑的含量；（3）如果是共混物，可測定其中各種聚合物的質量組成比；（4）聚合物的熱分解溫度；（5）無機填料含量。2. 簡述 DSC的基本原理，如何用 DSC判斷共混物中聚合物之

21、間的相容性？答案： DSC 是在相同的程序控制溫度變化的情況下，用補償器測量樣品與參比物之間的溫差保持為零所需熱量 （Q 或?H）與溫度 T 之間的關系。如果共混物的 DSC曲線上只有一個 Tg，表示這兩種聚合物的相容性非常好；如果共混物有兩個 Tg，但都處于兩個純聚合物的 Tg 之間，表示這兩種聚合物有一定相容性；如果兩個 Tg 分別與兩種純聚合物的 Tg相同，表示它們完全不相容，處于相分離的狀態(tài)。3. 簡述 DMA 的基本原理，從 E和 tan與溫度之間的關系曲線上分別能獲得哪些信息？答案： DMA 是在程序控制溫度的情況下，測量高分子材料在一定頻.率振動負荷下的動態(tài)模量（E和 E”)和力

22、學損耗（ tan)與溫度的關系；或在一定溫度下，測量E、E”和 tan與負荷振動頻率的關系。從 E與溫度之間的關系曲線上可得到 Tg, Tf 和聚合物模量隨溫度的變化情況；從 tan與溫度的關系曲線上可得到 Tg 和 Tg 以下溫度的各種次級轉變。第十章 X 射線光電子能譜法1. 簡述 XPS法的基本原理， XPS分析金屬材料、無機材料或高分子材料樣品，可得到信息的樣品表面深度分別是多少？答：XPS是用單色 X 射線照射樣品，使其中原子殼層中的電子受激發(fā)逃逸形成自由的光電子， 通過測試這些電子的動能來計算它們在原子中的結合能，再根據結合能大小推測樣品表面含哪些元素以及它們的價態(tài)或所處的化學環(huán)境。 XPS分析金屬材料表面的深度為 9nm，XPS分析無機材料表面的深度為12nm，XPS分析金屬材料表面的深度為30nm.2. 為什么 XPS譜圖低結合能端的背底電子少，高結合能端的背底電子多？ XPS的化學位移和核磁共振的化學位移有何不同？答：背底電子是在逃逸的路徑上發(fā)生能量損