红外光谱实验.docx

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红外光谱实验

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（μm）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）

式中，I0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。

3）

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m1、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。

若力常数k用N·cm折合质量m以原子量为单位，则上式可简化为

式

（1）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m。

k越大，化学键的振动频率或波数越高，如

kCC（2222cm

-1）＞ kC=C（1667cm-1）＞ kC-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（1330cm-1）＞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）和所处的化学环境（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下列两个条件时,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

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λ/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，其相干光强度有极大值；相反，当两束光的光程差为λ/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，结果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。

三、实验装置

实验装置主要有NICOLETAVATAR360FT-IR红外光谱仪，红外灯，研钵，压

片螺母螺杆，粉末样品等。

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

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，一般应符合以下要求：

（a）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

（2） 制样方法

（a） 固体试样

（ⅰ） 压片法。

将1～2mg试样与200mg纯KBr研细混匀，置于模具中，用（5～10）

×107Pa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2μm，以免散射光影响。

KBr在4000～400cm-1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烃混合，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烃

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，等溶剂发后成膜来

测定。

（b） 液体和溶液试样

常用的方法有：

（（ⅰ） 液体池法。

对于沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层

厚度一般为0.01～1mm。

（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

成稀溶液来测定。

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1350～600cm-1区域常用的溶剂，CCl4用于4000～1350cm-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“EZOMNIC”图标→弹出“LogIntoOMNIC”窗口，

提示输入用户名（UserName）；输入正确的用户后，点击“OK”键，即可启动红外光

谱仪的控制程序，显示“EZOMNIC”窗口。

（2）设置：

点击“EZOMNIC”主菜单的“Collect”,选取“ExperimentSetup”，弹出“Experiment

Setup”窗口后，选取其中的“Collect”可选项，将其中的“No.ofscans”设置为

32，将“Resolution：

”设置为“2”或“4”，将“BackgroundHandling”选设为“Collect

BackgroundbeforeEverySample”。

然后，选取“ExperimentSetup”中的“Bench”，

对其中的“Accessory：

”、“WindowMaterial：

”等项目，根据需要进行选取。

设置完

后，点击“ExperimentSetup”窗口左下角的“OK”。

（3）扫描测试：

点击“EZOMNIC”工具栏的“ColSmp”（CollectSample）图标，弹出“Collect

Sample”窗口，提示输入“SpectrumTitle”，输入后，点击“OK”，则弹出“Confirmation”

窗口，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“OK”，

过一会儿即出现Background扫描谱线。

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“OK”，过一会即出现样品谱线。

完成Sample扫描后，屏幕上弹出一个窗口，选择“AddtoWindow”后，点击“EZ

OMNIC”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“LibSetup”，

弹出“Lib-rarySetup”窗口；全选该窗口左边的“AvailableSearchLibrariesand

Groups”中的各数据库，点击“Add﹥﹥”，将其加入到右边的“SearchLibrariesand

Groups”中；再点击窗口底部的“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，以备下次再用。

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1

图谱解析 

①该图谱在3100～3000cm-1波数段有明显的吸收峰，可以大致判断为烯烃的C-H伸缩振动，但该图在1680～1620 cm-1波数段却没有该烯烃的C=C伸缩振动，可以推测出该结构中没C=C，既可能是聚合物； 

②该图谱在3000～2800cm-1有明显的吸收峰，可以推测出该结构中有C-H的对称和不对称伸缩振动频率，而在1470cm-1和1380cm-1附近也有明显的吸收峰，可以推测为C-H的弯曲振动频率； 

③在1250～800cm-1也有明显的吸收峰，可以推测为C-C骨架的振动，不过其特征性不强。

④该图谱在1600 cm-1左右有明显吸收峰，可推测为苯环骨架的特征吸收峰；苯环的一元取代在弯曲振动频率在770～650cm-1，与图谱吻合。

综合上述信息，可以大致判定为该物质是实验材料聚苯乙烯。

光谱图2

图谱分析：

其特征谱带是在3000cm-1,1460cm-1和720cm-1处，

有三个很强的吸收峰。

它们分别属于C-H的伸缩弯曲和摇摆振动。

其中720cm-1处光谱反映的是无定型的聚乙烯吸收峰，730cm-1处光谱是结晶聚乙烯吸收峰。

五、注意事项

（1）环境要求：

温度为16～27℃；湿度不大于70％。

（2）使用环境中不应含有害气体、挥发溶剂，特别应避免接触氟利昂、四氯化碳、

卤化物。

如果必须使用这些试剂，则必须加氮气吹扫光谱仪。

（3）使用中应避免仪器的振动