实验十三--傅里叶变换红光谱实验-教案

实验十三苯甲酸红外光谱的测定与分析

地点：逸夫楼209室

一、 目的要求

1.掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法；

2.了解红外光谱的基本原理，学习并掌握红外分光光度计的使用方法；

3.初步学会对红外吸收光谱的解析。

二、 实验原理

1.红外吸收光谱法

以一定波长的红外光照射物质时，若该红外光的频率能满足物质分子中某些基团振动能级的跃迁频率条件，则该分子就吸收这一波长红外光的辐射能量，引起偶极距的变化，而由基态振动能级跃迁至能量较高的激发态振动能级。检测物质分子对不同波长红外光的吸收强度，就可以得到该物质的红外吸收光谱。

红外吸收光谱法（Infrared Absorption Spectrometry，IR），又称红外分光光度法，即是利用物质对红外光电磁辐射的选择性吸收特性来进行结构分析、定性、定量分析的一种方法。

2.红外吸收光谱产生的条件

①辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；

只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。

②辐射与物质间有相互偶合作用。即分子在振动、转动过程中必须有偶极距的净变化（偶

极距的变化△μ≠0）。

一个多原子的有机化合物分子可能存在很多振动方式，但并不是所有的分子振动都能吸收红外光。当分子的振动不致改变分子的偶极矩时，它就不能吸收红外辐射，既它不具有红外活性。只有使分子的偶极矩发生变化的分子振动才具有红外活性。

非红外活性：分子在振动、转动过程中没有偶极距的净变化，如：N2、O2、Cl2等。

红外活性：分子在振动、转动过程中有偶极距的净变化，如：HCl、CO2、H2O等。

紫外吸收光谱与红外吸收光谱同属分子吸收光谱范畴，但两者产生的机制不同，研究对象和使用范围也不尽相同。

①光谱产生的机制不同：紫外光频率大，能量高，可以引起分子外层电子的跃迁，

紫外吸收光谱是电子光谱；而红外光波长长，辐射的光子能量小，只能引起分子的

振动与转动能级的跃迁，红外吸收光谱是是振动转动光谱，简称振转光谱。

②研究对象和使用范围不同：紫外吸收光谱只适合研究不饱和有机化合物，特别是

具有共轭体系的有机化合物，以及某些无机化合物，而不适合研究饱和的有机化合

物。红外吸收光谱则不受此限制，凡在振动中伴随有偶极距变化的化合物都是红外

光谱研究的对象，几乎所有的化合物都可以测定它们的红外吸收光谱，故红外吸收

光谱的研究对象和使用范围比紫外光谱法广泛得多。

3.红外光谱法的特点

①高度的特征性；

②分析速度快；

③试样需要量少，且气、液、固均可分析，应用范围广泛。

但是由于红外光谱法灵敏度不高，而且要求样品纯制，因而在应用上也受到一定的限制。在剖析复杂样品结构时，红外光谱法常常必须与其他仪器分析方法如质谱、核磁共振、紫外光谱、元素分析等方法结合起来使用。

4.红外分光光度计

红外分光光度计可分为色散型红外分光光度计和傅立叶变换红外分光光度计（FT-IR）。色散型红外分光光度计的结构与紫外-可见分光光度计大体一样，由光源、吸收池、单色器、检测器以及记录显示装置组成。两者最根本的一个区别是，前者的吸收池放在光源与单色器之间，后者的吸收池则放在单色器之后。色散型红外分光光度计是以棱镜或光栅作为色散元件，这类仪器的能量受到严格限制，扫描时间慢，且灵敏度、分辨率和准确度都较低。随着计算方法和计算技术的发展，20世纪70年代出现新一代的红外光谱测量技术及仪器——傅立叶变换红外分光光度计。

傅立叶变换红外分光光度计是利用干涉的方法，并经过傅里叶变换而获得红外光谱的仪器。它由光源、迈克尔逊干涉仪、试样插入装置、检测器、电子计算机和记录仪等部分组成，如图1与图2所示。它与色散型红外分光光度计的主要区别在于干涉计和电子计算机两部分。

图2 傅立叶变换红外分光光度计结构示意图

在傅立叶变换红外分光光度计中迈克尔逊干涉仪的作用是将光源发出的光分为两束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。干涉图包含着光源的全部频率和与频率相对应的强度信息，所以如有一个红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品吸收特征红外波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。这个包含着每个频率强度信息的干涉图，可借助数学上的傅立叶变换技术，对每个频率的光强进行计算，从而得到吸收强度或透光率随频率或波数变化的普通的红外光谱图。这套变化过程比较复杂和麻烦，在仪器中通过计算机完成。

傅立叶变换红外光谱仪具有扫描速度快、分辨率高、灵敏度高、波数精度高、光谱范围宽等优点，应用范围非常广泛，是现代化学研究者不可缺少的基本设备之一。

5.样品的制备

在红外光谱法中，样品的制备占有重要地位。如果试样处理不当，那么即使仪器的性能很好，也不能得到满意的红外光谱图。一般来说，样品制备时应注意以下几点：

①样品的浓度和测试厚度应选择适当。一般使光谱图上大多数吸收峰的透光率处于

15~70%范围内为宜。

②样品应是单一组分的纯物质。否则各组分光谱互相重叠，会使图谱无法解析。

③样品中不含有游离水。水分的存在不仅会侵蚀吸收池的盐窗，而且水分本身在红外区有

吸收，使测得的光谱图变形。

红外光谱法不受试样物态限制，可用于气态、液态、固态样品的测定。气态样品一般灌入气体槽内进行测定；液体样品可以采用液体吸收池法与液膜法制备；固体样品可以采用溶液法、压片法、薄膜法、糊状法等制备。

三、 仪器与试剂

Nicolet Nexus 470 傅立叶变换红外分光光度计；

YP-2 压片机；红外干燥灯；

玛瑙研钵；不锈钢药匙；无水乙醇；

苯甲酸（80°C干燥24h，存于干燥器中）；

溴化钾（110°C干燥24h，存于干燥器中）。

四、 实验步骤

1.压片

取预先在110°C干燥24h，并保存在干燥器中的溴化钾150mg左右，置于洁净的玛瑙研钵中，于红外灯下研磨均匀，装入压片模具中，在压片机上压片，即得透明的溴化钾晶片，作为空白晶片，待用；

另取一份150mg左右的溴化钾置于洁净的玛瑙研钵中，加入2~3mg的苯甲酸，混合均匀后，同上操作，研磨、压片，即制得样品晶片。

2.红外光谱测定

将空白与样品晶片分别装入磁性样品架，先后置于红外分光光度计样品室中，进行红外光谱的扫描测定。

扫谱结束后，取出样品架，取下样品薄片，将压片模具、试样架等擦洗干净，置于干燥器中保存好。

五、 数据处理

1.实验参数记录:

温度：~20°C; 湿度：<65%; 压片压力：30 MPa；

参比物：

2.图谱解析

测试完毕后，对所得红外谱图上的峰进行归属分析，如下表：

波数/cm-1归属