常规样品的红外光谱分析

常规样品的红外光谱分析

PB07206298龚智良

实验目的

1.初步掌握两种基本样品制备技术及傅立叶变换光谱仪器的简单操作；

2.通过图谱解析及标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程。

实验原理

红外光谱：红外光谱是分子的振动转动光谱，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动引起的偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些区域的光透射强度减弱。记录红外光的百分透射比或波长关系曲线，就得到红外光谱。从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构，进行定性和定量分析。红外光谱尤其在物质定性分析中应用广泛，它操作简便，分析速度快，样品用量少且不破坏样品，能提供丰富的结构信息，因此红外光谱法往往是物质定性分析中优先考虑的手段。

能产生红外吸收的分子为红外活性分子，如COଶ分子；不能产生红外吸收的分子为非红外活性分子，如Oଶ分子。

中红外区为基本振动区：4000-400cm-1研究应用最多。

红外吸收的波数与相应振动的力常数关系密切。双原子分子的基本频率计算公式为

ݒ෤=12ߨܿඨܭߤ

其中ߤ为约化质量

μ=mଵ∙mଶ

mଵ+mଶ

对于多原子分子，其振动可以分解为许多简单的基本振动，即简正振动。一般将振动形式分为两类：伸缩振动和变形振动。

各种振动都具有各自的特征吸收。

仪器结构和测试技术

Fourier变换红外光谱仪（FTIR仪）：能够同时测定所有频率的信息，得到光强随时间变化的谱图，称时域图，这样可以大大缩短扫描时间。由于不采用传统的色散元件，其分辨率和波数精度都较好。傅立叶变换红外谱仪主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michellson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。测试样品时，由于样品对某些频率的红外光吸收，从而得到不同样品的干涉图。红外光是复合光，检测器接收到的信号是所有频率的干涉图的加合。

对试样的要求：试样应该为纯物质，纯度大于98%，以便于和纯化合物进行比较；样品中不能含游离水；试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使大多数吸收峰的透射比处于10%-80%。

制样方法：对于液体样品有液膜法、液体吸收池法；对于固体样品有压片法、糊状法；对于特殊的样品还有薄膜法（包括熔融法和热压成膜法、溶液制膜法）；对于气态样品一般都灌注于气体池中进行测试。

除了常规的测试技术外，红外光谱测试还有衰减全发射和偏振红外光谱等特殊的测试技术。

实验步骤、现象及讨论

固体样品制备：使用KBr压片法。用一个玛瑙研钵将少量KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀，并使其颗粒大小比所检测的光波长更小（约2μm以下）。在一个具有抛光面的金属模具上方一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的粉末移至环中，盖上另一块模具，放入油压机中进行压片。KBr压片形成后，用夹具固定测试。注意样品制备过程中一定要将粉末研得足够细，判断的标准是粉末粘在研钵壁上比较紧。整个操作过程在红外灯下进行，这样可以减少样品制备过程中吸水的量。在制备固体样品之前，要用酒精棉球把刮勺、研钵、研杵擦干净。

液体样品的制备：取一对NaCl窗片，用刮勺沾一滴未知液体在一块窗片上，然后用另外一块窗片覆

盖在上面，形成一个没有气泡的毛细厚度薄膜，用夹具固定，即可放入一起光路中进行测试。此法适用于高沸点的液体样品。注意制样过程中同样要用酒精棉球把窗片擦干净。取用液体的量不宜多，一小滴足够。液体太多形成的液膜较厚，而且容易在测试过程中滴出污染仪器。若液体粘性很大，也可以只用一个窗片。

仪器测试：将样品固定好后盖上样品室盖，然后按进入测试对话框→背景测试→样品测试→标峰值→打印图谱→取出样品室中样品的流程进行测试。

固体样品图谱分析：所测定的固体样品分子式为C ଷH ହNO ，通过网上数据库的搜索发现所得到的图谱

与丙烯酰胺的图谱一致。认真分析之后确定它确实为丙烯酰胺。表1列出了主要特征峰的归属。表格1：固体样品红外光谱图的特征峰归属

波数

/cm

ିଵ

3355.743190.17

2813.241672.79

1614.26

1429.01归属N −H H −C =不对称H −C =对称C =O C =C =C −N

液体样品谱图分析：所测液体样品分子式为C ଵ଺H ଶଶO ସ。通过网上数据库的搜索发现所得到的图谱与邻

苯二甲酸二正丁酯的图谱一致。认真分析之后确定它确实为邻苯二甲酸二正丁酯。表2列出了主要特征峰的归属。

表格2：液体样品红外光谱图的特征峰归属波数/cm ିଵ2960.731731.411458.18和1384.651286.141122.11和1073.82归属苯环氢羰基末端乙基=C −O −O −C −

得到的两张谱图在3600-4000波数之间存在和明显的背景杂峰，这主要是游离水的特征峰。在样品制备过程中，不可避免的要代入一些水分，但是这些水分又不足以形成一个凝聚态，所以存在游离水的杂峰。思考题

1.为什么测试红外光谱选用KBr 、NaCl 制样？有何优缺点？

答：KBr 在4000-400波数整个中红外区都没有特征吸收，因此选用KBr 制样可以很大程度上避免背景干扰而得到所测样品真实的红外谱图。NaCl 在4000-600波数这个范围内没有特征吸收，这个波段是常用的分析有机物官能团和结构的波段，因此用NaCl 制样可以得到4000-600波数范围内背景很小的谱图，有利于分析。NaCl 和KBr 的首要缺点在于容易受到腐蚀，尤其是分析强极性物质如酸、醇、胺等类物质时容易受到腐蚀而造成透明度下降而背景增强等后果。其次，分析无机物时常常需要用到600-400波数的数据，这时使用NaCl 制样就不合适了。

2.用FT-IR 仪测试样品为什么要先测试背景？

答：先测试背景是为了在测试样品得到的数据中扣除背景。样品室中的物质如二氧化碳、水、残留的前面测试的样品蒸汽等对红外光有吸收，还有即使没有任何吸收仪器本身也会产生一些背景。这些背景都会干扰数据的分析，因此要先测试背景然后在样品测试过程中扣除背景。

3.如何用红外光谱鉴定饱和烃、不饱和烃和芳香烃的存在？

答：饱和烃的红外光谱很简单，在1200-4000cm ିଵ内只有2900cm ିଵ附近有C −H 振动吸收，若遇到这样的谱图，基本可以断定是饱和烃。不饱和烃含有3000cm ିଵ以上的特征吸收峰，根据化合物的分子式，若分子

为碳氢化合物而具有一个及以上的饱和度，那么基本可以断定为不饱和烃。芳香烃在3000-3100cm ିଵ内有特征吸收，并并且同时在900-600cm ିଵ有苯环的面外弯曲振动，根据面外弯曲振动的形式可以判定是否为芳香烃以及是什么取代形式的芳香烃。

4.醇类、羧酸和酯类的红外光谱有何区别？丙烯酰胺

邻苯二甲酸二正丁酯