实验四苯甲酸等有机物的红外光谱测定

实验四苯甲酸等有机物的红外光谱测定
一、实验目的
1．学习傅立叶变换红外光谱基本原理和仪器构造；
2．掌握该仪器的操作使用方法和光谱分析方法；
3．通过实验初步掌握各种物态的样品制备方法。

二、实验原理
红外光谱反映分子的振动情况。

当用一定频率的红外光照射某样品时，若该物质的分子中某基团的振动频率与之相同，则该物质就能吸收这种频率的红外光，使分子又振动基态跃迁到激发态。

若用不同频率的红外光通过待测物质时就会出现不同强弱的吸收现象。

由于不同化合物具有其不同特征的红外光谱，许多化合物都有其特征的红外光谱，根据红外光谱图上的吸收峰数目、吸收频率和吸收强度，将被测定化合物的光谱与已知结构化合物的光谱加以比较，就可以对被测定化合物进行初步的定性分析。

根据比尔定律，测量化合物红外谱图中的某一特征谱带的吸光度，即可进行定量分析。

苯甲酸可以采用KBr晶体压片法制样进行定性。

苯甲酸具有芳烃和羧酸的红外光谱特征。

苯环有ν =CH3080cm-1和1600,1580,1500,及1450 cm-1等特征吸收峰；此外还应存在1000 cm-1以下的两个吸收带（γ =CH）。

高级脂肪醇随碳原子数的增加状态由液体逐渐变为固体。

十二醇分子式：CH3(CH2)10CH2OH 性质：又称月桂醇，十二醇，正十二（烷）醇。

存在于白柠檬油、松针油、大吊克吕花油等精油中。

无色液体（室温），或低于20℃呈固体，具有弱而持久的油脂气息。

凝固点26℃，沸点255～259℃。

十二醇在常温下可以按照液体样品制备方法测定红外光谱。

出现OH峰3500、1050 cm-1和与CH吸收特征3000-2700 cm-1之间的双峰，1470、1380 cm-1及720 cm-1等。

三、仪器与试剂
1．仪器红外光谱仪。

油压式压片机，玛瑙研钵，盐片，红外干燥灯。

2. 试剂KBr(AR)，无水乙醇(AR)，十二碳醇，苯甲酸。

四、实验步骤
1．固体样品苯甲酸的红外光谱测定取约1mg苯甲酸样品于干净的玛瑙研钵中，加约100mg的KBr粉末在红外灯下研磨成粒度约2μm左右细粉后，移入压片模中，将模子放在油压式压片机上，加压力，在20-25MPa压力下维持5min。

放气去压，取出模子进行脱模可获得一片直径为13mm的半透明盐片，将片子装在样品架上，即可进行红外光谱测定。

2．液体样品的红外光谱测定在一块干净剖光的NaCl盐片上，滴加一滴液体（若样品粘稠可以在红外灯下照片刻后滴加）样品，压上另一块盐片，将它置于池架上，即可进行红外光谱测定。

也可以采用带空硫酸纸与KBr盐片代替NaCl盐片，操作方法如下：将适量研细的KBr粉末放在硫酸纸的小孔中刚好将孔覆盖完全（注意量不宜过多）按照方法1进行压片，得到一张小孔处黏附有KBr薄膜的纸片，用端头整齐的毛细管点上一滴分析纯的乙酸乙酯在KBr薄膜上，将它置于池架上，即可进行红外光谱测定。

3．未知物的红外光谱测定根据教师提供的未知物，确定样品制备方法并进行测定其红外光谱。

五、注意事项
1．固体样品经研磨（红外灯下）后仍应防止吸潮。

2．盐片应保持干净透明，每次测定前均应用无水乙醇及滑石粉抛光（红外灯下），切勿水洗。

六、实验结果和讨论
1．对苯甲酸及乙酸乙酯的特征带进行归属。

2．推测未知物可能的结构。

3．压片太厚时，红外光谱有何变化？
4．羰基化合物与芳香化合物各有何特征红外光谱？
七、思考题
1．固体样品有哪几种制样方法？它们各适用于哪几种情况？
2．测试红外光谱时，样品容器一般常用NaCl和KBr，它们适用的波数范围
各为多少？
3．为什么红外光谱是连续的曲线图谱？
4．在制备液体样品时，样品质量通过什么来控制？
八、讲解要点
1. 利用红外光谱仪进行化合物定性的基本原理是什么？
许多化合物都有其特征的红外光谱，根据红外光谱图上的吸收峰数目、吸收频率和吸收强度，将被测定化合物的光谱与已知结构化合物的光谱加以比较，就可以对被测定化合物进行初步的定性分析。

根据比尔定律，测量化合物红外谱图中的某一特征谱带的吸光度，即可进行定量分析。

2. 什么样的固体样品可以利用溴化钾压片的方法来制样？
一般来说，凡是脆性的化合物，即只要利用研钵可以研得碎的固体样品都能利用溴化钾压片的方法来进行红外样品的制备。

如果是韧性的化合物（即在研钵中研不碎的化合物），通常是一些高聚物，如用粉碎机或哈氏切片机可以设法将它们弄成足够细（通常为几微米）的颗粒，也可以用溴化钾压片的方法来制样。

3. 对用来进行压片制样的溴化钾试剂有什么要求？该如何进行预处理？
对用来进行压片制样的溴化钾试剂有两个要求：纯净和干燥。

为了得到足够纯度的溴化钾试剂，通常可将买来的分析纯溴化钾试剂用重结晶的方法进行提纯。

而要得到干燥的溴化钾试剂，可以在140℃的烘箱内烘两小时以上，然后放在干燥器内备用。

此外，为了确保制得干燥的样品，还必须在红外线干燥灯烘烤的情况下进行压片操作。

应尽量避免在空气潮湿的雨天进行压片制样。

附录：
Nicolet Nexus470型傅立叶变换红外光谱仪
结构、工作原理与使用说明
一、仪器的结构和工作原理
（一）概述
仪器型号为Nicolet Nexus470型傅立叶变换红外光谱仪。

该仪器是美国Nicolet公司于1999年推出的新型智能化光谱仪，价值4.0万$。

在其产品系列中属于中上档次，是精密型化学分析仪器。

红外光谱分析主要是用于物质鉴别，分析物质的化学结构，研究分子间以及
分子内部的相互作用。

在化工、医药、环境、材料、煤炭等领域有广泛应用。

（二）仪器结构
1、470型主光学台：主要有以下部分组成：
光学测量系统：其核心为迈克尔逊干涉仪（由动镜、定镜、分束器、空气轴组成），此外还有红外光源、He-Ne激光器、光路光学系统、红外DGTS检测器等。

电子线路系统：包括线路板、控制电路部分。

样品箱：包括各种附件和可替换采样器。

目前已购买基本样品箱、气体池、ATR检测器和简易石英池。

光路外接道：可实现GC、LC、TGA联机分析还可联接红外显微镜、红外遥测及红外发射等设备。

2、OMNIC软件操作系统：该系统为仪器的操作平台，用于控制光谱仪采样、诊断、数据分析、普图处理、显示输出等全过程，可供用户开发实用程序。

目前已购买OMNIC5.2软件包、多媒体教学软件、部分图谱库和必要的分析软件。

3、计算机专用接口：插入计算机PCI槽，实现光谱仪与计算机联接。

光谱仪主要靠计算控制。

（三）仪器原理
用红外光照射被检测物质时，不同的分子结构或化学键，会吸收一定波长的红外光，并将这部分光能转化为分子的转动动能或振动动能，引起化学键能级的跃迁，这是一个量子化过程，通过检测并记录红外光的这一吸收过程，就得到了物质化学结构的红外光谱图。

其中包含了被检测物质的分子结构和化学健的信息。

光路及仪器的工作原理框图如图4-1：
图4-1 红外光谱仪光路及仪器的工作原理框图
二、仪器的使用方法
（一）使用步骤：
1．启动仪器，半小时后方可使用。

2．打开OMNIC软件
3
根据不同样品的需要进行采样次数、分辨率次序（先采本底或先采样品）等参数的设置（对于一般的固体样品可在缺省状态下进行）
4．采集样品红外光谱
在OMNIC窗口中，选择采集工具图标（collection），按仪器提示，将样品放入样品箱，仪器自动按规定参数采集样品本底红外光谱或者样品箱底本底光谱之后，计算机显示出所采集的样品的红外光谱图。

5．光谱的分析处理
利用OMNIC程序可对光谱图进行光滑、调基、转换、微分、差错、标峰、谱图检索、储存等处理。

6．保存光谱或输出谱图报告
（二）制样方法：
要得到一张高质量的红外光谱图，必须根据样品的状态性质选择适当的制样方法。

根据目前仪器的配置可采用的制样方法如下：
1．固体样品的制备：
常见固体样品包括高聚物、部分有机化合物、无机化合物、矿物等。

目前可采用的方法主要是压片法和浆糊法。

（1）KBr压片法
KBr为最常用的中红外（4000～400cm-1）的透光材料，适用于大多数的固体样品的红外光谱分析。

a．模具有两种模具：Nicolet配用的3mm、7mm模具和抽真空模具
b．样品制备①首先把分析纯的KBr在研钵中充分研细，直到颗粒粒径达2μm以下，放入干燥器中备用；②按一定比例量取样品，（一般样品量为2～5mg，KBr量为100～120mg）放在研钵中充分研磨混合均匀，直到混合物中在明显的样品颗粒为止，以上操作应在红外烘干下操作，以防KBr吸水；③将研好的粉末用不锈钢铲小心移至模膛内，刮平，小心放入顶模，放在压片机上固定，摇动手柄加压到10kg/cm2约1～2mm泻压取出；④将压片放到样品架上，采集其光谱。

c．应用范围：固体有机物、粉末高聚物、无机化合物、矿物
d．注意事项：①KBr的烘干；②样品与KBr的充分混合及干燥；③模具的清理及防锈
（干燥）
（2）浆糊法
a．工具：研钵及不锈钢铲（或刀片）、滴管
b．介质：石蜡油、氟油
c．制样方法：将研磨好的样品放在研钵中，用滴管取适量（1～2滴）石蜡油或氟油混合后研磨均匀，用不锈钢铲取出研磨均匀的样品，涂在窗片上，放上另一窗片压紧d．应用范围：可用在因KBr吸水而引起光谱歧变的样品分析
e．注意事项：石蜡油和氟油均为有机介质，在不同的范围会产生红外吸收。

其位置如下：
石蜡油（长链烃）：3000～2850cm-1（C—H）；1468,1379cm-1（CH2，CH3的C—H）；720cm-1（—CH2—）n n>4的骨架振动。

氟油（全氟烃）：1400～500cm-1存在强度不同的C—F吸收。

因此在进行样品的谱图解析时应扣除介质本身光谱的影响。

2．液体样品的制备
用于液体样品的取样工具有可拆卸液体池、石英池及OMNI采样品。

（1）低沸点液体
由于样品沸点低，为防止挥发应选用密封池。

用干净注射器取出样品，注入液体池上面的输入孔，当输出孔有液体溢出时，用塞子塞紧，放至样品架上，移至采样室即可进行测定。

（2）高沸点、低粘度的样品
用滴管滴加在可拆卸液体池的两片窗片之间压紧自动形成均匀的液膜，则可以进行测定。

（3）高粘度样品
比如各类油脂，热解产物等，需用不锈钢铲取少量样品涂于KBr窗片上，刮匀，将窗片放在样品架上既可测定。

（4）水溶性液体
不可用盐窗测定，只能采用石英池法或OMNI采样品进行采样分析。

3．气体样品的制备
本仪器配备了10m气体池，可用于低浓度气体、弱吸收性气体及痕量分析。

因多次反射，测定时，背景吸收明显，要进行补偿或用差谱法扣除。

4．复杂样品的采样分析
利用OMNI采样品可以对涂层、橡胶、织物、有机体、液体等进行无损伤检测。

OMNI 采样品为单反射结构，光谱信息较弱。

三、仪器的维护
1．使用环境：该仪器为精密型仪器，需在恒温、防潮、干燥、防震的环境中保存和使用，由于光学台的主要窗片为盐窗，特别需要长期的干燥条件，否则会对仪器造成损坏。

2．需要配有净化稳压电源，仪器可长期运行（利于防潮）。

3．仪器使用后，必须对仪器及附件彻底清洗（无水酒精、甲醛）。

实验八 苯、萘的高效液相色谱分析及柱效能的测定
一、目的要求
1．学习高效液相色谱保留值定性、外标法定量分析方法；
2．了解高效液相色谱仪基本结构和工作原理，初步掌握其操作技能；
3．学习柱效能的测定方法。

二、实验原理
高效液相色谱的定性和定量分析，与气相色谱分析相似，在定性分析中，采用保留值定性，或与其它定性能力强的仪器分析法（如质谱法、红外吸收光谱法等）联用。

在定量分析中，采用测量峰面积的归一化法、内标法或外标法等。

气相色谱中评价色谱柱柱效的方法及计算理论塔板数的公式，同样适用于高效液相色谱：
22
1/25.5416R R t t n Y Y ⎛⎫⎛⎫== ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 速率理论及范弟姆特方程式对于研究影响高效液相色谱柱效的各种因素，同样具有指导意义：
/H A B u Cu =++
由于组分在液体中的扩散系数很小，纵向扩散项（B/u ）对色谱扩展的影响可以忽略不计，而传质阻力项（Cu ）则成为影响柱效的主要因素，提高柱内填料装填的均匀性和减小粒度，以加快传质速率，可提高液相色谱的柱效能。

目前常使用的固定相直径为5~10mμ。

液相色谱除了上述影响柱效的一些因素外，还应考虑到一些柱外展宽的因素。

三、实验用品
1．仪器
高效液相色谱（依利特P230Ⅱ）、紫外光度检测器、 恒流泵或恒压泵、 溶剂过滤系统、高压六通进样阀、微量进样器、超声波发生器。

2．药品
苯、萘（均为A.R）；
甲醇色谱纯；
纯水（去离子水）。

3．溶液配制
标准工作液：苯、萘浓度0.02ug/ml，0.05ug/ml，0.1ug/ml。

苯、萘混合液：未知浓度。

四、操作步骤
1．测定条件的选择
（1）色谱柱长250 mm，内径4.6 mm，装填C-18 烷基键合相，颗粒度10μm 的固定相。

（2）流动相甲醇—水（83:17），流量1.0 mL· min-1。

注：流动相甲醇和水的比例根据实际测量需要可作调整。

（3）紫外光度检测器测定波长254 nm。

（4）进样量20μL。

2．仪器操作
（1）将配置好的流动相于超声波发生器上，脱气15 min。

（2）将仪器按照仪器的操作步骤调节至进样状态，待仪器液路和电路系统达到平衡，基线平直时，吸取60μL标准工作液，进样20μL，记录色谱图，重复进样两次。

（3）吸取标准工作液、混合液分别进样，进样量20μL，记录色谱图，重复进样两次。

五、数据处理
1．记录实验测定条件。

（1）色谱柱与固定相；
（2）流动相及其流量；
（3）检测器；
（4）进样量；
2．测量各色谱图中苯、萘、联苯等的保留时间t R及相应色谱峰的半峰宽Y1/2，计算各对应理论塔板n，并将数据列表。

已知组分的出峰顺序为苯、萘。

3．求苯、萘混合液中各组分的含量。

六、思考题
1．由计算得到的各组分理论塔板数说明了什么？
2．高效液相色谱采用5~10 μm粒度的固定相有何优点？为什么？
附录：
依利特P230Ⅱ液相色谱操作规程
一．打开稳压器电源开关，再依次打开UV230Ⅱ检测器、P230Ⅱ泵，工作站及电脑电源，预热30min。

二．将配制好的流动相超声脱气15min后，将不锈钢过滤沉子放入流动相溶剂瓶中。

三．打开P230Ⅱ泵放空阀，使用20mL针筒在放空管处抽取20mL流动相。

打开P230Ⅱ泵“冲洗”键，冲洗30s。

关闭放空阀.
四．梯度系统，分别设置好A泵及B泵。

五．打开工作站软件，设定流速及检测波长，选定所需方法，查看基线情况。

待泵压力及工作站基线平稳时，便可进样。

六．样品完成后，可先关闭检测器，更换流动相为10%甲醇水溶液，冲洗系统30——60min，同时使用20mL针筒抽取20mL10%甲醇水溶液，冲洗进样阀及柱塞杆。

七．再次更换流动相为纯甲醇冲洗30min左右以保存柱子。

关闭泵电源。

关闭稳压器开关。

注：第四步只在做梯度洗脱的情况下设置。

注意：仪器在开启状态时，千万不要拔插仪器（UV230II检测器）及电脑主机背后的USP 接口线！！！！。