紅外光譜實驗報告

1、紅外光譜實驗報告一、 實驗原理：1、 紅外光譜法特點：由于許多化合物在紅外區(qū)域產(chǎn)生特征光譜，因此紅外光譜法廣泛應(yīng)用于這些物質(zhì)的定性和定量分析，特別是對聚合物的定性分析，用其他化學(xué)和物理方法較為困難，而紅外光譜法簡便易行，特別適用于聚合物分析。2、紅外光譜的產(chǎn)生和表示紅外光譜定義：分子吸收紅外光引起的振動能級躍遷和轉(zhuǎn)動能級躍遷而產(chǎn)生的吸收信號。分子發(fā)生振動能級躍遷需要的能量對應(yīng)光波的紅外區(qū)域分類為：i.近紅外區(qū)：10000-4000cm-1.中紅外區(qū)：4000-400cm-1最為常用，大多數(shù)化合物的化鍵振動能級的躍遷發(fā)生在這一區(qū)域。.遠(yuǎn)紅外區(qū)：400-10cm-1產(chǎn)生紅外吸收光譜的必要條件：1）

2、 分子振動：只有在振動過程中產(chǎn)生偶極矩變化時才能吸收紅外輻射。 .雙原子分子的振動：（一種振動方式）理想狀態(tài)模型把兩個原子看做由彈簧連接的兩個質(zhì)點，用此來描述即伸縮振動； 圖1 雙原子分子的振動模型.多原子分子的振動：（簡正振動，依據(jù)鍵長和鍵角變化分兩大類）伸縮振動： 對稱伸縮振動 反對稱伸縮振動彎曲振動： 面內(nèi)彎曲：剪切式振動（變形振動） 平面搖擺振動 面外彎曲振動：扭曲振動 非平面搖擺振動同一種鍵型，不對稱伸縮振動頻率大于對稱伸縮振動頻率，伸縮振動頻率大于彎曲振動頻率。當(dāng)振動頻率和入射光的頻率一致時，入射光就被吸收，因而同一基團(tuán)基本上總是相對穩(wěn)定地在某一特定范圍內(nèi)出現(xiàn)吸收峰。.分子振動頻率

3、： 基頻吸收（強(qiáng)吸收峰）：基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)所產(chǎn)生分子振動的振動頻率。 倍頻吸收（弱吸收峰）：基態(tài)到第二激發(fā)態(tài)，比基頻高一倍處弱吸收，振動頻率約為基頻兩倍。 組頻吸收（復(fù)合頻吸收）：多分子振動間相互作用，2個或2個以上基頻的和或差。由于E振動>E轉(zhuǎn)動，分子吸收紅外光，從低的振動能級向高的振動能級躍遷時，必然伴隨著轉(zhuǎn)動能級的躍遷，因此紅外光譜圖是正負(fù)效應(yīng)疊加，呈曲線而非直線 .分子振動自由度：基本振動的數(shù)目稱為振動自由度。 在含有n個原子的分子中，一般非線性分子應(yīng)有3n-6個自由度；線性型分子有3n-5個自由度2） ：只有當(dāng)紅外線的能量恰好等于激發(fā)某一化學(xué)鍵從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的某種振動能級所

4、需要的能量時，這樣的紅外線才能被樣品吸收。形成紅外譜帶：一束連續(xù)改變波長的紅外光照射，通過樣品的紅外光在某些能引起分子振動的波數(shù)范圍內(nèi)（峰位）被吸收，引起透光率下降，吸收強(qiáng)度（峰強(qiáng)度）的增加。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：典型的紅外光譜。橫坐標(biāo)為波數(shù)(cm-1，最常見)或波長(mm)，縱坐標(biāo)為透光率或吸光度。紅外波段通常分為近紅外（133004

5、000cm-1）、中紅外（4000400cm-1）和遠(yuǎn)紅外（40010cm-1）。其中研究最為廣泛的是中紅外區(qū)。4、紅外圖譜的分析：紅外光譜圖：縱坐標(biāo)吸光度，橫坐標(biāo)為波數(shù)；譜圖用峰數(shù)、峰位、峰形、峰強(qiáng)描述； 應(yīng)用：有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)解析； 定性：基團(tuán)的特征吸收頻率； 定量：特征峰強(qiáng)度；理論上，每個振動自由度在紅外光譜區(qū)均產(chǎn)生一個吸收峰，但實際的紅外圖譜中峰的數(shù)目少于自由度，原因：1）只有偶極矩變化的振動才會產(chǎn)生紅外吸收；2）頻率完全相同的振動導(dǎo)致峰重疊彼此簡并；3）強(qiáng)寬峰往往要覆蓋與它頻率相近的弱而窄的吸收峰；4）某些振動吸收強(qiáng)度極弱或者超出記錄范圍；決定峰強(qiáng)的因素：分子振動對稱性：對稱性增大，

6、偶極矩變化減小，強(qiáng)度降低；基團(tuán)極性：極性增大，偶極矩變化增大，強(qiáng)度上升；分子振動能級躍遷幾率：躍遷幾率升高，強(qiáng)度增大；樣品濃度：濃度增加，強(qiáng)度增大；影響頻率位移： 內(nèi)部因素：誘導(dǎo)效應(yīng)：取代基電負(fù)性越大 誘導(dǎo)效應(yīng)顯著 譜帶向高頻位移 共軛效應(yīng)：穩(wěn)定性增強(qiáng)，譜帶向低頻位移，吸收強(qiáng)度增加 鍵應(yīng)力影響：振動頻率隨環(huán)的原子個數(shù)減少而增加； 氫鍵效應(yīng)：伸縮振動：氫鍵越強(qiáng)，譜帶越寬，吸收強(qiáng)度越大，低頻位移。 彎曲振動：氫鍵越強(qiáng)，譜帶越窄，吸收強(qiáng)度越小，高頻位移。 偶合效應(yīng)：頻率相同或相近的基團(tuán)結(jié)合，分裂成兩峰 費米共振：一個基團(tuán)倍頻和合頻與另一個基團(tuán)基頻相近，對稱性同，產(chǎn)生共振和使譜帶分裂 外部因素：由外界

7、物理因素，三態(tài)、溶液、折射率、粒度影響。紅外圖譜的四個大區(qū) 一些簡單官能團(tuán)的特征峰：1. 烷烴：C-H伸縮振動（3000-2850cm-1）；C-H彎曲振動（1465-1340cm-1）一般飽和烴C-H伸縮均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的頻率 吸收。2. 烯烴：烯烴C-H伸縮（3100-3010cm-1）;C=C伸縮(1675-1640 cm-1); 烯烴C-H面外彎曲振動（1000-675cm-1）。3. 芳烴:3100-3000cm-1 芳環(huán)上C-H伸縮振動;1600-1450cm-1 C=C 骨架振動;880-680cm-1 C-H面外彎曲振動);芳香化合物重要特征：一般

8、在1600，1580，1500和1450cm-1可能出現(xiàn)強(qiáng)度不等的4個峰。880-680cm-1,C-H面外彎曲振動吸收,依苯環(huán)上取代基個數(shù)和位置不同而發(fā)生變化 ,在芳香化合物紅外譜圖分析中,常常用此頻區(qū)的吸收判別異構(gòu)體。 4. 醇和酚:主要特征吸收是O-H和C-O的伸縮振動吸收。自由羥基O-H的伸縮振動：3650-3600cm-1,為尖銳的吸收峰。分子間氫鍵O-H伸縮振動：3500-3200cm-1,為寬的吸收峰;C-O 伸縮振動：1300-1000cm-1;O-H 面外彎曲：769-659cm-1 紅外光譜的應(yīng)用：紅外光譜在高分子研究中是一種很有用的手段，目前普遍的應(yīng)用有下述幾方面：1)分

9、析與鑒別高聚物：因紅外操作簡單，譜圖的特征性強(qiáng)，因此是鑒別高聚物很理想的方法。用紅外光譜不僅可區(qū)分不同類型的高聚物，而且對某些結(jié)構(gòu)相近的高聚物，也可以依靠指紋圖譜來區(qū)分。2)高聚物反應(yīng)的研究：用紅外光譜特別是傅里葉變換紅外光譜，可直接對高聚物反應(yīng)進(jìn)行原位測定，從而研究高分子反應(yīng)動力學(xué)，包括聚合反應(yīng)動力學(xué)和降解、老化過程的反應(yīng)機(jī)理等。3)共聚物研究：共聚物的性能和共聚物中兩種單體的鏈節(jié)結(jié)構(gòu)、組成和序列分布有關(guān)。要得到預(yù)期性能的共聚物，必須研究共聚反應(yīng)過程的規(guī)律，掌握兩種單體反應(yīng)活性的比率即競聚率以及兩種單體的濃度比與生成共聚物的組成比。上述各項參數(shù)都可用紅外吸收光譜法來測定。4)高聚物結(jié)晶形態(tài)的

10、研究：用紅外吸收光譜可測定高聚物樣品的結(jié)晶度，也可研究結(jié)晶動力學(xué)等。由于完全結(jié)晶高聚物的樣品很難獲得，因此不能僅用紅外吸收光譜獨立地測量結(jié)晶度的絕對量，需要依靠其它測試方法如x射線衍射法等測量的結(jié)果作為相對標(biāo)準(zhǔn)來計算結(jié)晶譜帶的吸收率。但由于紅外光譜準(zhǔn)確測定結(jié)晶度比其它方法簡便，又可以進(jìn)行原位測定，因此仍被廣泛地應(yīng)用。5)高聚物取向的研究：在紅外光譜儀的測量光路中加入一個偏振器便形成偏振紅外光譜，它是研究高舉物分子鏈取向的很好的一種手段。4、溴化鉀壓片法： 理由：KBr（紅外光透過范圍5000-400cm-1）可以對紅外無吸收作用；支撐樣品的作用。 注意：KBr與樣品的用量比例注意，要適量。二、

11、 實驗原理圖 圖1：色散型紅外與干涉型紅外原理圖圖2：壓膜制造機(jī)三、 實驗步驟中1、 KBr壓片：把分析純的溴化鉀和聚合物在研缽中研細(xì)，至粉末 粘在研缽上，把混合研好的粉末適量放在專用模具上，在油壓機(jī)上壓片（壓力為30Mpa左右，時間為1分鐘）；要求壓片不可以太厚（附：固體樣品制樣技術(shù)：固體樣品制樣由壓模進(jìn)行，壓模的構(gòu)造如圖3所示:壓模由壓桿和壓舌組成。奪舌的直徑為13mm，兩個壓舌的表面光潔度很高，以保證壓出的薄片表面光滑。因此，使用時要注意樣品的粒度、濕度和硬度，以免損傷壓舌表面的光潔度。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

12、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。）2、 紅外光譜測量：先用光譜儀做空白試驗，測到得是CO2的紅光譜，再將壓好的壓片放如紅外光譜測量儀中，再測量，得到已經(jīng)減去空白試驗的聚合物的紅外光譜圖，并進(jìn)行修正。3、 用origin作圖，分析圖譜四、紅外光譜圖（見附頁）五、紅外光譜圖分析由于二幅圖較為相似，主要針對第一幅圖：3482cm-1：大于3000cm-1,表示末端為烯氫而且氫大于1，且排除倍頻和鹵烷，為烯烴的C-H伸縮運動；2921cm-1：為亞甲基峰1619cm-1：C=C伸縮振動，吸收頻率不高，強(qiáng)度適中1435、1

13、405cm-1：有雙峰，為亞甲基特征峰；1331cm-1：甲基C-H伸縮振動；1257cm-1：C-Cl伸縮振動；1104cm-1：C-H面外伸縮振動974cm-1：1000cm-1一下存在強(qiáng)峰，為烯氫面外變形；且不同分子在一側(cè)，面外彎曲振動，為單取代；691cm-1：C-Cl伸縮振動，分子中含有Cl，且有相同原子同側(cè)；619cm-1：C-Cl伸縮振動，分子中含有Cl綜上，通過判斷為聚氯乙烯，具體推斷如下：C-Cl判斷： 691、619和1257處為C-Cl的特征峰值，可以推斷有C-Cl的存在; C=C的判斷：由1619、2921cm-1特征頻率知道，含有雙鍵，而在1435、1405cm-1時

14、有雙峰，為亞甲基特征峰，即該聚合物中含有C=C；C-H判斷：由圖中3482cm-1、1331cm-1、974cm-1為特征峰，在大于3000cm-1,表示末端為烯氫，為烯烴的C-H伸縮運動；而在1331和1104時為C-H的伸縮振動，在974時存在強(qiáng)峰，為烯氫面外變形；且不同分子在一側(cè)，面外彎曲振動，為單取代，則可推斷為C和H單取代而另一個原子為Cl.則由上再由第二幅中可以看出在720左右有小峰值，為長鏈亞甲基，可得到推斷的物為聚氯乙烯，查找PVC的紅外圖譜進(jìn)行比較：六、誤差分析1、由圖譜發(fā)現(xiàn)，由于分子間氫鍵的存在，不同分子之間發(fā)生了締合，使振動頻率減小導(dǎo)致吸收峰低移，譜帶變寬。2、第一幅圖與

15、第二幅圖明顯差別為在2345cm-1和2363cm-1處第二幅圖有吸收帶，這是因為空氣中的二氧化碳（C=O=C）在此峰區(qū)出現(xiàn)吸收帶，當(dāng)儀器樣品光路與參與光路不平衡時，在2350cm-1附近處有CO2弱吸收帶。3、與所查圖譜相比，繪制的紅外光譜圖吸光度較弱，是因為CO2濃度高，樣品受潮濕影響，壓片薄膜的薄厚程度產(chǎn)生的影響。實驗討論：影響紅外光譜吸收頻率因素：1、 誘導(dǎo)效應(yīng)：吸電子基團(tuán)使吸收峰向高頻方向移動，因為吸電子基團(tuán)使之相連的化學(xué)鍵上的電子云分布發(fā)生變化，極性極性增強(qiáng)，伸縮頻率增大。2、 共軛效應(yīng)：當(dāng)雙鍵與單鍵共軛時，雙鍵電子發(fā)生共軛而離域，降低了雙鍵的鍵力常數(shù)，從而使雙鍵的振動伸縮頻率降低

16、，但吸收的強(qiáng)度增加。3、 氫鍵：由于氫鍵的作用，不同分子之間發(fā)生了締合，使振動頻率減小，故吸收峰向低頻移動4、 外部因素：制備方法、溶劑的性質(zhì)、樣品的物態(tài)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)、色散系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)都會影響。紅外光譜法對試樣的要求：紅外光譜試樣可以是氣態(tài)、液態(tài)或固體，一般符合一下要求：1、試樣應(yīng)該為單一組分的純物質(zhì)，純度應(yīng)大于98%或符合商業(yè)規(guī)格，這樣才便于與純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對照。多組分試樣應(yīng)在測定前盡量預(yù)先用分餾、萃取、重結(jié)晶、區(qū)域熔融或色譜法進(jìn)行分離提純，否則個做分光譜相互重疊，難于分析。2、試樣不應(yīng)該有游離水。水本身有紅外吸收，會嚴(yán)重干擾樣品光譜，而且會侵蝕吸收池的鹽窗。3、試樣濃度和測試的厚度要

17、選擇適當(dāng)，以使光譜圖中的大多數(shù)吸收峰投射比處于10%-80%范圍內(nèi)。傅立葉變換紅外光譜優(yōu)勢：1、信號的檢測靈敏度高：由于涉波沒有常用色散型儀器具有的狹縫裝置，因此光能量輸出遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于色散型紅外光譜儀。這是因為后者采用的狹縫裝置擋住相當(dāng)大部分的光能，而使光能量輸出受到很大的限制。并且侍立葉變換紅外光譜儀在掃描過程中，每一瞬間測量的是所有頻率的全部信息，因此就能在很短時間內(nèi)，進(jìn)行電子計算機(jī)累加，獲得很高的信噪比。所以傅立葉變換紅外光譜儀特別適合于測量很微弱的光信號。例如可以遙測大氣污染物(車輛排氣、火箭尾氣及煙道氣等)和廢水的微量污染物；2、極高的波數(shù)準(zhǔn)確度和重復(fù)性：因為于涉儀中可動鏡的位置可用HeNe激光器準(zhǔn)確測定，所以干涉光的光程差測量得很精確，從而使光語波數(shù)精確度和重復(fù)性優(yōu)于0.1cm-1。這樣有利于光譜的累加，也有利于電子計算機(jī)自動檢索紅外光譜諾圖庫的可靠性；3、很高的分辨率和寬