华东理工大学材料研究方法(打印版)

1第五章：热分析作业：1、功率补偿型DSC和DTA的区别?答：功率补偿型DSC分别有两个小加热器和传感器对试样和参比物加热和监控，从而消除试样和参比物的温度差，而DTA则没有这一功能。2、热流型DSC和DTA的异同点?答：热流型DSC与DTA仪器十分相似，不同之处在于试样与参比物托架下，置一电热片（通常是康铜），加热器在程序控制下对加热块加热，其热量通过电热片同时对试样和参比物加热，使之受热均匀。仪器所测量的是通过电热片流向试样和参比物的热流之差。3、功率补偿型DSC和热流型DSC的异同点?答：功率补偿型DSC采用零点平衡原理，通过两个小加热器和传感器对试样和参比物加热和监控，从而使两者温度恒定相等；热流型DSC主要通过加热过程中试样吸收/放出热量的流量来达到DSC分析的目的。4、简述热分析的原理答：在程序控制温度下，测量物质的物理性质随温度变化的一类技术称之为热分析。差热分析的原理：是在程序温度控制（升温或降温）下，测量试样与参比物（热惰性物质）之间的温度差与温度关系的一种技术。差示扫描量热分析原理：是在程序温度控制下，测量输入到物质和参比物之间的功率差与温度的关系的一种技术。5、影响热分析的仪器、试样、操作因素有哪些？答：1.仪器方面：（1）炉子的结构和尺寸：炉膛直径↓长度↑均温区↑，均温区温度梯度↓（2）坩埚材料和形状：金属热导性能好，基线偏离小，但灵敏度较低，峰谷较小。非金属热导性能差，容易引起基线偏离。但灵敏度高，少样品大峰谷。坩埚直径大，高度小，试样容易反应，灵敏度高，峰形也尖锐。（3）热电偶性能与位置：置于物料中心点，插入试样和参比物应具有相同深度。2.试样方面：2（1）热容量和热导率变化：①在反应前后，试样的热容量和热导率变化②在加热时，两者也会变。加速速率↑，灵敏度↑，差热曲线基线随温度升高偏↑。（2）试样的颗粒度,用量及装填密度颗粒度↓反应速度↑峰温↓样品量多：两个峰易重叠，分辨率降低，灵敏度上升样品量少：两个峰分开，分辨率升高，灵敏度下降（3）试样结晶，纯度：结晶度↑峰形更尖锐（4）参比物：选择与试样导热系数尽可能相近的参比物。3.实验条件：（1）升温速度：升温速度↑更多反应将发生在相同的时间内，峰高↑峰温↑峰形状尖锐，灵敏度↑分辨率↓升温速度↓使相邻峰易于分开（2）炉内压力和气氛：外界压力↑热反应温度↑炉内气体与试样的热分解产物一致时，分解反应温度↑静态气氛和动态气氛6、热分析仪器由哪四部分组成？答：程序温度控制、气氛控制、物性测量单元、显示记录1、热天平的主要组成？答：热天平由精密天平和线性程序控温加热炉组成。2、热重分析的影响因素是什么？答：1）升温速率：V↑热滞后现象↑反应起始温度和终止温度↑2）气氛影响：静态：可逆反应影响反应速率。动态：N2控制气氛有助于深入了解反应过程的本质易于识别反应类型和释放的气体。3)基线飘移：试样重量没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象。4）热电偶的位置：热电偶测量温度与试样的真实温度之间存在着差别，有热效应时，试样温度分布紊乱引起较大的温度测量误差。要获得准确的温度数据，采用标准物质来校核热重分析仪。5）坩埚形式：其结构和几何形状都会影响热重分析的结果。33、积分型热重曲线和微分型热重曲线的联系与区别是什么？答：TG曲线表示加热过程中样品失重累积量，为积分型曲线；DTG曲线是TG曲线对温度或时间的一阶导数，即质量变化率，dW/dT或dW/dt。DTG曲线表明的是质量变化速率,DTG曲线上出现的峰指示质量发生变化，峰的面积与试样的质量变化成正比，峰顶与失重变化速率最大处相对应。●在TG曲线中形成的每一拐点，在DTG曲线上都有对应的峰●TG曲线台阶数与DTG曲线的峰数相等●DTG曲线的峰面积与样品的失重量成正比4、静态热分析与动态热分析答：静态热机械分析:是在程序控制温度下,分析物质承受拉、压、弯、剪、针入等力的作用下，所发生的形变与温度的函数关系。动态热机械分析:是在程序控制温度下，测量物质在振荡负荷下的动态模量或阻尼随温度变化的一种技术。5、什么是基线偏移？影响因素有哪些？如何解决？答：基线飘移：试样重量没有变化而记录曲线却指示出有质量变化的现象。影响因素：加热炉内气体的浮力效应、对流影响、Kundsen力、温度与静电。减少热重曲线飘移的方法是：采取对称加热方式。第六章：光谱分析作业：1、分子振动的实质是什么？有哪些振动类型？答：分子振动的实质是化学键的振动；有伸缩振动和弯曲振动。2、试举例说明影响基团位移的因素有哪些？答：主要分为内部因素和外部因素。内部因素主要有：1.诱导效应：由于吸电子基团的影响，吸收峰会向高波数方向移动（COF2COCl2）；2.共轭效应：分子中形成大π键所引起的共轭效应，使其电子云密度平均化，结果使原来双键伸长，力常数减小，因此伸缩振动频率向低波数方向移动。（二苯甲酮苯甲醛）3.空间效应：在分子立体结构上相邻基团间作用所引起的电子云分布变化，使键力常数变化，导致基团频率变化。（α－氯化丙酮的两个异构体）4.氢键：分子内或分子间形成氢键后，通常引起它的伸缩振动频率向低波数方向显著位移，并且峰强增高、峰形变宽。（游离羧酸羰基频率1760cm-1，液态固态1700cm-1）5.互变异构：分子发生互变异构时，其吸收4峰产生位移。（乙酰丙酮的酮式与烯醇异构体）外部因素主要有：1.固态效应：例如丙酮在气态时νC=O为1738cm-1，而在液态时νC=O为1715cm-1。2.溶剂效应：溶剂极性↑→极性基团伸缩振动频率↓→吸收峰强度↑3、影响红外吸收峰数目的因素有哪些？答：1)在中红外吸收光谱上除基频峰外，还有倍频峰。2)分子振动能否出有红外吸收峰与偶极距有关，对称强偶极距小出峰小。3)振动频率的简并。4)仪器的分辨率不高，对一些频率接近的峰分不开；仪器的灵敏度不高，检测不出一些较弱的峰。4、红外活性与拉曼活性答：红外活性：只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收谱带称这种振动活性为红外活性。拉曼活性：伴随有极化率变化的振动引起可观测的拉曼光谱称这种振动活性为拉曼活性。5、红外光谱产生的条件？答：1）分子中某个基团的振动频率与外界的红外光频率相一致。2）分子中的偶极矩不为零。6、红外、紫外、核磁吸收峰是何种跃迁？答：红外吸收峰：引起分子中成键原子振动和转动能级的跃迁而产生。紫外吸收峰：吸收的能量引起分子中价电子跃迁而产生。核磁吸收峰：引起分子中核自旋能级跃迁而产生。7、红外光谱定性分析的步骤有哪些？答：1.试样的分离和精制。2.了解与试样性质有关的其他方面的资料。3.谱图的解析。4.和标准谱图进行对照。8、红外光谱仪主要分哪两大类？答：分为色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪。59、红外光谱吸收峰的强度有哪些因素有关？答：①强度与分子振动的对称性：对称性↑→偶极矩变化↓→强度↓②强度与基团极性：极性↑→偶极矩变化↑→强度↑③强度与分子振动能级跃迁几率：跃迁几率↑→强度↑④强度与样品浓度：样品浓度↑→强度↑10、高聚物在进行红外分析时常用的制样方法有哪些？答：固体样品的制备：①压片法；②石蜡糊法；③薄膜法；④溶液法。液体样品的制备：①液膜法；②液体吸收池法；③样品滴入压好的KBr薄片上测试。气态样品的制备:气态样品一般都灌注于气体池内进行测试。11、傅里叶变换红外光谱仪的组成部分有哪些？核心部分是什么？答：傅里叶变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、迈克尔逊干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为迈克尔逊干涉仪。12、拉曼散射效应中有哪些散射？各有什么特点？答：①拉曼散射（拉曼散射波长改变）：入射光与样品分子之间发生非弹性碰撞，即在碰撞时有能量交换。a.斯托克斯线：波长变长；b.反斯托克斯线：波长变短。②瑞利散射（瑞利散射波长不变）：发生弹性碰撞，即两者之间没有能量交换。13、拉曼光谱与红外光谱分析方法有哪些不同？答：拉曼光谱红外光谱光谱范围40-4000cm-1光谱范围400-4000cm-1水可作为溶剂水不能作为溶剂样品可盛于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定不能用玻璃容器测定固体样品可直接测定需要研磨制成KBr压片或直接测定第3章X射线分析1.X射线的波长范围大致为多少？X射线产生的基本原理及X射线管的基本结构（1）0.01-10nm(0.01A-100A)（2）高速运动的电子流或其他高能辐射流（伽马射线、6中子流、X射线等）被突然减速便产生X射线；（3）X射线管的基本结构：使用最广泛的是封闭式热阴极X射线管，包括一个热阴极（螺线形的钨丝）和一个金属阳极靶（具有特征性，用于产生不同的特征X射线），窗口（用对X射线吸收极少的材料，如Be、Al、轻质玻璃等制成），管内高真空（10-7Torr,1Torr=101325/760=133pa）2.X射线谱的基本类型及其特点X射线强度I随波长λ的变化曲线称为X射线谱，可分为1.连续X射线(白色X射线，由连续的各种波长组成，其波长与工作条件V、I有关)，产生原因：热电子高速撞击阳极时间和条件各不相同，部分还多次撞击，逐步转移（或释放）其能量，从而产生各种不同波长的X射线，构成连续的X射线谱。增强方法：为了得到较强的连续X射线，除了加大电压和管电流之外，还尽量采用原子序数较大的阳极材料，通常用钨。2.特征X射线(又称标识X射线，作为阳极材料的特征或标识，当管电压超过VK（激发电压）后才产生，不随工作条件而变，只取决于阳极靶的物质)。3.描述X射线于物质的相互作用（俄歇效应和光电效应）课本图3.8P65补充俄歇效应：当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐出较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，所逐出的次级光电子称为俄歇电子。它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。光电效应是指在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。4.X射线衍射的几何条件（布拉格方程或定律）衍射的几何条件：X射线通过物质（晶体）后衍射线特征包括方向和强度，其中衍射线的方向与晶体的点阵参数（晶胞大小和形状）、入射线的方位及X射线波长有关，具体表现为：劳厄方程式、布拉格定律和倒易空间衍射公式（埃瓦尔德图解）。（对于d一定的晶面，λ≤2d才能产生衍射，实际上λ与晶格参数差不多。）5.X射线衍射分析的方法主要有哪些？各自的特点是什么？（注意λ和θ的变化）单晶：劳厄法（λ变，θ不变）（分为透射和背射）特点：底片记录的衍射花样是由许多斑点组成，称为劳厄斑点，同一晶带的衍射斑点落在某一椭圆上（透射法），而背射法中落在双曲线上。应用：主要测晶体的取向，也可以测晶体的对称性，鉴定晶体是否为单晶体及粗略地观察晶体的完整性；转晶法（λ不变，θ部分变化）应用：测单晶体的晶胞常数；观察晶体的系统消光规律，以确定晶体的空间群。粉末：粉末照相法（粉末法或粉晶法）(λ不变，θ变)特点：所需的样品少，所有从试样发出的衍射线，几乎全部记录在同一张底片上，便于保存；粉末衍射仪法（λ不变，θ变化）6.X射线衍射物相分析的基本原理（I/I0、2θ）定义：材料中一种结晶物质称为一个相。利用X射线衍射的方法确定材料中包括哪几种结晶物质或某种物质以何种结晶状态存在，这就是物相分析。原理：X射线衍射线的位置决定于晶胞的形状和大小，即决定于各晶面的晶面间距，而衍射线的强度决定于晶胞内原子种类、数目及排列方式，每种结晶物质具有独特的衍射花样，且试样中不同物质的衍射花样同时出现互不干涉，某物相的衍射强度取决于它在试样中的相对含量，当试样的衍射图谱中d值和I/I0与已知物质的数值一致时，即可判定试样中含有该已知物质。7.说明X射线衍射仪法定性分析物相组成的基本过程，注意事项及PDF卡片的检索方法（1）X射线衍射定性分析是将试样的衍射谱与标准衍射谱进行比较鉴别，确定某种物相的存在以及确定该物相的结晶状态。其过程为：获得试样的衍射图谱——求d值和I/I0值——查索引——核对卡片。7（2）注意事项：1）d值的数据比相对强度的数据重要，d值一般要到小数点后第二位才允许有误差；2）低角度区域的数据