红外光谱实验

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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

2、下来，得到该物质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 = $ X 100%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）p m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25100040

3、0 10含重原子的化学键伸缩振动和弯曲振 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：4000665 cm_,o3）红外光谱仪的标配检测器波数通常为4000400 cm。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

4、度为r（键长），两个原子（谐振子）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，

5、化学键的振动频率或波数越高，如k C0 C(2222cm-1) k C=C(1667cm -1) k C-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（1280cm 1）（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

6、卞列两个条件时，才能产生红外吸收 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

7、干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并 向两边迅速衰减的对称干涉图。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NICOLET AVATAR 360 FT-IR红外光谱仪，红外灯，研钵，压 片螺母螺杆，粉末样品

8、等。Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源(硅碳棒)、Michelson T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

9、模具中，用(510) X10 7 Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干燥处理， 研磨到粒度于2p m,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。

10、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，CCI 4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

11、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EZOIVINIC”图标弹出“Log Into OMNIC”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 Experiment Setup 弹出 uExperimentSetup”窗口后，选取其中的“Collect”可选项，将其中的“No. of scans”设置为32,将 “Resolution：” 设置为

12、 “2” 或 “4”，将 M Background Handling选设为 “Collect Background before Every Sample *0 然后，选取 “Experiment Setup中的 “Bench”, 对其中的uAccessory： Window Material： ”等项目，根据需要进行选取。设置完 后，点击uExperiment Setup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“ Spectrum Title 输入后，点击 “OK”,则

13、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“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

14、一个窗II,选择“Add to Window”后，点击“EZ 0MNIC”主菜单的“File”，选取“Save”，对扫描谱线原始数据进行保存。(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“Lib Setup”， 弹出 “Lib-rary Setup”

15、 窗I I；全选该窗I I左边的Available Search Libraries and GroupsM中的各数据库，点击uAdd ”，将其加入到右边的“Search Libraries and Groups”中：再点击窗I I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，