红外光谱实验报告.docx

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红外光谱实验报告

红外光谱实验报告

一、实验原理：

1、红外光谱法特点：

由于许多化合物在红外区域产生特征光谱，因此红外光谱法广泛应用于这些物质的定性和定量分析，特别是对聚合物的定性分析，用其他化学和物理方法较为困难，而红外光谱法简便易行，特别适用于聚合物分析。

2、红外光谱的产生和表示

红外光谱定义：

分子吸收红外光引起的振动能级跃迁和转动能级跃迁而产生的吸收信号。

分子发生振动能级跃迁需要的能量对应光波的红外区域分类为：

.近红外区：

10000-4000cm-1

ⅱ.中红外区：

4000-400cm-1——最为常用，大多数化合物的化键振动能级的跃迁发生在这一区域。

ⅲ.远红外区：

400-10cm-1

产生红外吸收光谱的必要条件：

1）分子振动：

只有在振动过程中产生偶极矩变化时才能吸收红外辐射。

ⅰ.双原子分子的振动：

（一种振动方式）理想状态模型——把两个原子看做由弹簧连接的两个质点，用此来描述即伸缩振动；

图1双原子分子的振动模型

ⅱ.多原子分子的振动：

（简正振动，依据键长和键角变化分两大类）

伸缩振动：

对称伸缩振动

反对称伸缩振动

弯曲振动：

面内弯曲：

剪切式振动

（变形振动）平面摇摆振动

面外弯曲振动：

扭曲振动

非平面摇摆振动

※同一种键型，不对称伸缩振动频率大于对称伸缩振动频率，伸缩振动频率大于弯曲振动频率。

※当振动频率和入射光的频率一致时，入射光就被吸收，因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一特定范围内出现吸收峰。

ⅲ.分子振动频率：

基频吸收（强吸收峰）：

基态到第一激发态所产生分子振动的振动频率。

倍频吸收（弱吸收峰）：

基态到第二激发态，比基频高一倍处弱吸收，振动频率约为基频两倍。

组频吸收（复合频吸收）：

多分子振动间相互作用，2个或2个以上基频的和或差。

※由于E振动>E转动，分子吸收红外光，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，必然伴随着转动能级的跃迁，因此红外光谱图是正负效应叠加，呈曲线而非直线

ⅳ.分子振动自由度：

基本振动的数目称为振动自由度。

⊙在含有n个原子的分子中，一般非线性分子应有3n-6个自由度；线性型分子有3n-5个自由度

2）

：

只有当红外线的能量恰好等于激发某一化学键从基态跃迁到激发态的某种振动能级所需要的能量时，这样的红外线才能被样品吸收。

※形成红外谱带：

一束连续改变波长的红外光照射，通过样品的红外光在某些能引起分子振动的波数范围内（峰位）被吸收，引起透光率下降，吸收强度（峰强度）的增加。

3、红外光谱及其表示方法：

红外光谱所研究的是分子中原子的相对振动，也可归结为化学键的振动。

不同的化学键或官能团，其振动能级从基态跃迁到激发态所需要的能量不同，因此要吸收不同的红外光。

物理吸收不同的红外光，将在不同波长上出现吸收峰。

红外光谱就是这样形成的。

红外光谱的表示方法如下图所示：

典型的红外光谱。

横坐标为波数（cm-1，最常见）或波长（m），纵坐标为透光率或吸光度。

红外波段通常分为近红外（13300～4000cm-1）、中红外（4000～400cm-1）和远红外（400～10cm-1）。

其中研究最为广泛的是中红外区。

4、红外图谱的分析：

红外光谱图：

纵坐标吸光度，横坐标为波数；谱图用峰数、峰位、峰形、峰强描述；

应用：

有机化合物的结构解析；

定性：

基团的特征吸收频率；

定量：

特征峰强度；

※理论上，每个振动自由度在红外光谱区均产生一个吸收峰，但实际的红外图谱中峰的数目少于自由度，原因：

1）只有偶极矩变化的振动才会产生红外吸收；

2）频率完全相同的振动导致峰重叠彼此简并；

3）强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而窄的吸收峰；

4）某些振动吸收强度极弱或者超出记录范围；

※决定峰强的因素：

分子振动对称性：

对称性增大，偶极矩变化减小，强度降低；

基团极性：

极性增大，偶极矩变化增大，强度上升；

分子振动能级跃迁几率：

跃迁几率升高，强度增大；

样品浓度：

浓度增加，强度增大；

※影响频率位移：

内部因素：

诱导效应：

取代基电负性越大诱导效应显著

谱带向高频位移

共轭效应：

稳定性增强，谱带向低频位移，吸收强度增加

键应力影响：

振动频率随环的原子个数减少而增加；

氢键效应：

伸缩振动：

氢键越强，谱带越宽，吸收强度越大，低频位移。

弯曲振动：

氢键越强，谱带越窄，吸收强度越小，高频位移。

偶合效应：

频率相同或相近的基团结合，分裂成两峰

费米共振：

一个基团倍频和合频与另一个基团基频相近，对称性同，产生共振和使谱带分裂

外部因素：

由外界物理因素，三态、溶液、折射率、粒度影响。

※红外图谱的四个大区

一些简单官能团的特征峰：

1.烷烃：

C-H伸缩振动（3000-2850cm-1）；C-H弯曲振动（1465-1340cm-1）一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的频率吸收。

2.烯烃：

烯烃C-H伸缩（3100-3010cm-1）;C=C伸缩（1675-1640cm-1）;

烯烃C-H面外弯曲振动（1000-675cm-1）。

3.芳烃:

3100-3000cm-1芳环上C-H伸缩振动;1600-1450cm-1C=C骨架振动;880-680cm-1C-H面外弯曲振动）;

芳香化合物重要特征：

一般在1600，1580，1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。

880-680cm-1,C-H面外弯曲振动吸收,依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化,在芳香化合物红外谱图分析中,常常用此频区的吸收判别异构体。

4.醇和酚:

主要特征吸收是O-H和C-O的伸缩振动吸收。

自由羟基O-H的伸缩振动：

3650-3600cm-1,为尖锐的吸收峰。

分子间氢键O-H伸缩振动：

3500-3200cm-1,为宽的吸收峰;

C-O伸缩振动：

1300-1000cm-1;O-H面外弯曲：

769-659cm-1

红外光谱的应用：

红外光谱在高分子研究中是一种很有用的手段，目前普遍的应用有下述几方面：

1）分析与鉴别高聚物：

因红外操作简单，谱图的特征性强，因此是鉴别高聚物很理想的方法。

用红外光谱不仅可区分不同类型的高聚物，而且对某些结构相近的高聚物，也可以依靠指纹图谱来区分。

2）高聚物反应的研究：

用红外光谱特别是傅里叶变换红外光谱，可直接对高聚物反应进行原位测定，从而研究高分子反应动力学，包括聚合反应动力学和降解、老化过程的反应机理等。

3）共聚物研究：

共聚物的性能和共聚物中两种单体的链节结构、组成和序列分布有关。

要得到预期性能的共聚物，必须研究共聚反应过程的规律，掌握两种单体反应活性的比率即竞聚率以及两种单体的浓度比与生成共聚物的组成比。

上述各项参数都可用红外吸收光谱法来测定。

4）高聚物结晶形态的研究：

用红外吸收光谱可测定高聚物样品的结晶度，也可研究结晶动力学等。

由于完全结晶高聚物的样品很难获得，因此不能仅用红外吸收光谱独立地测量结晶度的绝对量，需要依靠其它测试方法如x射线衍射法等测量的结果作为相对标准来计算结晶谱带的吸收率。

但由于红外光谱准确测定结晶度比其它方法简便，又可以进行原位测定，因此仍被广泛地应用。

5）高聚物取向的研究：

在红外光谱仪的测量光路中加入一个偏振器便形成偏振红外光谱，它是研究高举物分子链取向的很好的一种手段。

4、溴化钾压片法：

理由：

KBr（红外光透过范围5000-400cm-1）可以对红外无吸收作用；支撑样品的作用。

注意：

KBr与样品的用量比例注意，要适量。

二、实验原理图

图1：

色散型红外与干涉型红外原理图

图2：

压膜制造机

三、实验步骤中

1、KBr压片：

把分析纯的溴化钾和聚合物在研钵中研细，至粉末粘在研钵上，把混合研好的粉末适量放在专用模具上，在油压机上压片（压力为30Mpa左右，时间为1分钟）；要求压片不可以太厚

（附：

固体样品制样技术：

固体样品制样由压模进行，压模的构造如图3所示:

压模由压杆和压舌组成。

夺舌的直径为13mm，两个压舌的表面光洁度很高，以保证压出的薄片表面光滑。

因此，使用时要注意样品的粒度、湿度和硬度，以免损伤压舌表面的光洁度。

组装压模时，将其中一个压舌光洁面朝上放在底座上，并装上压片套圈，加入研磨后的样品，再将另一压舌光洁面朝下压在样品下，轻轻转动以保证样品面平整，最后顺序放在压片套筒、弹簧和压杆，通过液压器加压力至10t，保持3min。

）

2、红外光谱测量：

先用光谱仪做空白试验，测到得是CO2的红光谱，再将压好的压片放如红外光谱测量仪中，再测量，得到已经减去空白试验的聚合物的红外光谱图，并进行修正。

3、用origin作图，分析图谱

四、红外光谱图（见附页）

五、红外光谱图分析

由于二幅图较为相似，主要针对第一幅图：

3482cm-1：

大于3000cm-1,表示末端为烯氢而且氢大于1，且排除倍频和卤烷，为烯烃的C-H伸缩运动；

2921cm-1：

为亚甲基峰

1619cm-1：

C=C伸缩振动，吸收频率不高，强度适中

1435、1405cm-1：

有双峰，为亚甲基特征峰；

1331cm-1：

甲基C-H伸缩振动；

1257cm-1：

C-Cl伸缩振动；

1104cm-1：

C-H面外伸缩振动

974cm-1：

1000cm-1一下存在强峰，为烯氢面外变形；且不同分子在一侧，面外弯曲振动，为单取代；

691cm-1：

C-Cl伸缩振动，分子中含有Cl，且有相同原子同侧；

619cm-1：

C-Cl伸缩振动，分子中含有Cl

综上，通过判断为聚氯乙烯，具体推断如下：

C-Cl判断：

691、619和1257处为C-Cl的特征峰值，可以推断有C-Cl的存在;

C=C的判断：

由1619、2921cm-1特征频率知道，含有双键，而在1435、1405cm-1时有双峰，为亚甲基特征峰，即该聚合物中含有C=C；

C-H判断：

由图中3482cm-1、1331cm-1、974cm-1为特征峰，在大于3000cm-1,表示末端为烯氢，为烯烃的C-H伸缩运动；而在1331和1104时为C-H的伸缩振动，在974时存在强峰，为烯氢面外变形；且不同分子在一侧，面外弯曲振动，为单取代，则可推断为C和H单取代而另一个原子为Cl.

则由上再由第二幅中可以看出在720左右有小峰值，为长链亚甲基，可得到推断的物为聚氯乙烯，查找PVC的红外图谱进行比较：

六、误差分析

1、由图谱发现，由于分子间氢键的存在，不同分子之间发生了缔合，使振动频率减小导致吸收峰低移，谱带变宽。

2、第一幅图与第二幅图明显差别为在2345cm-1和2363cm-1处第二幅图有吸收带，这是因为空气中的二氧化碳（C=O=C）在此峰区出现吸收带，当仪器样品光路与参与光路不平衡时，在2350cm-1附近处有CO2弱吸收带。

3、与所查图谱相比，绘制的红外光谱图吸光度较弱，是因为CO2浓度高，样品受潮湿影响，压片薄膜的薄厚程度产生的影响。

实验讨论：

影响红外光谱吸收频率因素：

1、诱导效应：

吸电子基团使吸收峰向高频方向移动，因为吸电子基团使之相连的化学键上的电子云分布发生变化，极性极性增强，伸缩频率增大。

2、共轭效应：

当双键与单键共轭时，双键π电子发生共轭而离域，降低了双键的键力常数，从而使双键的振动伸缩频率降低，但吸收的强度增加。

3、氢键：

由于氢键的作用，不同分子之间发生了缔合，使振动频率减小，故吸收峰向低频移动

4、外部因素：

制备方法、溶剂的性质、样品的物态、结晶结构、色散系统和测温系统都会影响。

红外光谱法对试样的要求：

红外光谱试样可以是气态、液态或固体，一般符合一下要求：

1、试样应该为单一组分的纯物质，纯度应大于98%或符合商业规格，这样才便于与纯物质的标准光谱进行对照。

多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯，否则个做分光谱相互重叠，难于分析。

2、试样不应该有游离水。

水本身有红外吸收，会严重干扰样品光谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。

3、试样浓度和测试的厚度要选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰投射比处于10%-80%范围内。

傅立叶变换红外光谱优势：

1、信号的检测灵敏度高：

由于涉波没有常用色散型仪器具有的狭缝装置，因此光能量输出远远大于色散型红外光谱仪。

这是因为后者采用的狭缝装置挡住相当大部分的光能，而使光能量输出受到很大的限制。

并且侍立叶变换红外光谱仪在扫描过程中，每一瞬间测量的是所有频率的全部信息，因此就能在很短时间内，进行电子计算机累加，获得很高的信噪比。

所以傅立叶变换红外光谱仪特别适合于测量很微弱的光信号。

例如可以遥测大气污染物（车辆排气、火箭尾气及烟道气等）和废水的微量污染物；

2、极高的波数准确度和重复性：

因为于涉仪中可动镜的位置可用He—Ne激光器准确测定，所以干涉光的光程差测量得很精确，从而使光语波数精确度和重复性优于0.1cm-1。

这样有利于光谱的累加，也有利于电子计算机自动检索红外光谱诺图库的可靠性；

3、很高的分辨率和宽广的光谱范围：

傅立叶变换红外光谱仪分辨率高达0.1cm-1。

在4000-400cm-1区内，不要更换任何光学元件，一次就可完成全程测量。

仅仅简单更换光源、分光束和探测器，就能使光谱测量范围延伸到10，000-10cm-1；

4、杂射光低：

傅立叶变换红外光谱仪的探测器只能检测被干涉仪所调制的音频信号，而把外来的杂射光当作直流信号处理掉，因而看不出杂射光对红外光谱的影响；

5、快速扫描：

傅立叶变换红外光谱仪可在一秒钟的时间内，就能完成一张红外光谱图的扫描。

这比一般色散型红外光谱仪扫描速度高数百倍，因此可以测量瞬间的光谱变化，研究快速的化学反应过程。