苯甲酸红外吸收光谱的测定剖析

SichuanUniversity苯甲酸的红外光谱的测定四川大学化学学院罗婷婷13438026833SichuanUniversity目的要求•1.巩固红外吸收光谱分析法的理论知识。•2.了解红外光谱仪的结构及工作原理。•3.掌握一般固体样品的压片制样操作技术。•4.熟练操作压片机和红外光谱仪。SichuanUniversity一、基本原理1.1红外辐射以及红外光谱法特点1.2红外吸收产生原因1.3红外光谱分区SichuanUniversity1.1.1什么是红外辐射?1800年英国天文学家赫谢尔测量太阳光可见区内外温度，发现红色光以外部分温度比可见光高。电磁波波长范围：0.76-0.8μm至1mm。红外辐射紫外光：X射线：伽马射线：美国试验与材料协会（ASTM）规定：NIR：700nm-2500nmSichuanUniversity1.1.2红外光谱法特点通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定；特征性强，测定快，试样用量少，不需要破坏试样，操作简单；应用范围广泛；能分析各种状态的试样。SichuanUniversity1.2.1能级跃迁示意图电磁波与分子相互作用时产生能级跃迁：电子能级跃迁—紫外、可见吸收和荧光发射光谱振动能级跃迁—红外光谱和拉曼散射光谱转动能级跃迁—远红外光谱和转动拉曼光谱SichuanUniversity1.2.2红外光谱法原理总结当样品受到红外光照射时，分子吸收了某些特定频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光在不同波数处的吸收曲线，就得到红外光谱。红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段，已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定。不同化合物有不同红外光谱图。SichuanUniversity1.2.3产生红外吸收的条件①辐射光子具有的能量与分子发生振动跃迁所需的跃迁能量相等。②只有能引起分子偶极矩μ变化（△μ≠0）的振动，才能观察到红外吸收光谱。非极性分子在振动过程中无偶极矩变化，故观察不到红外光谱。SichuanUniversity1.3.1红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为0.75-1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（0.75-2.5µm），中红外光区（2.5-25µm），远红外光区（25-1000µm）SichuanUniversity1.3.2红外光谱的基团频率官能团键位置(cm-1)强度C-H(alkylgroup)2850-2960Mediumtostrong=C-H(alkene)C=C3020-31001650-1670MediumMediumC-HCC33002100-2260StrongMediumC-ClC-BrC-I60-800500-600500StrongStrongStrongO-HC-O3400-36401050-1150Strong,broadStrongAromaticring1600,1500StrongN-HC-N3310-35001030,1230MediumMediumC=O1670-1780StrongO-H(Carboxylicacid)2500-3100Strong,verybroadCN2210-2260MediumSichuanUniversity二、红外光谱仪2.1红外光谱仪的分类2.2傅立叶变换红外谱仪的结构2.3傅立叶变换分光的原理SichuanUniversity2.1.1红外光谱仪的类型色散型红外光谱仪(DispersiveInfraredSpectrometer）：用棱镜或衍射光栅分光1930年第一台棱镜分光单光束1946年棱镜分光双光束60年代光栅分光傅立叶变换红外光谱仪(FourierTransformIRSpectrometer）：用干涉仪代替色散装置70年代傅立叶变换光谱仪SichuanUniversity2.1.2傅里叶变换红外光谱仪的优点高光通量高信噪比波数精度高杂散光低目前所使用的基本为傅立叶变换红外光谱仪SichuanUniversity2.2.1傅立叶变换红外谱仪的结构SichuanUniversity傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图FTSSichuanUniversity2.2.2红外光源光源是FTIR光谱仪中关键部件之一红外光源通常为惰性固体物质，电热可达1500～2000K钨灯(或卤钨灯)：近红外区陶瓷光源：中、远红外区高压汞弧：远红外区SichuanUniversity2.2.3干涉仪（核心部件）迈克尔逊干涉仪法布里-伯洛干涉仪同光路塞格耐克干涉仪SichuanUniversity迈克尔逊干涉仪工作原理分束器补偿板固定镜动镜(恒定速度)来自光源至检测器1)由两个互成角度的平面镜与分束器构成。2)一部分红外入射光经分束器透射到动镜，其余的则反射至固定镜。3)傅里叶变换红外光谱仪基于光的干涉，分别来自动镜与定镜的红外光由于光程差发生干涉，得到干涉图。4)干涉图通过傅里叶变换转成红外光谱图。SichuanUniversity2.2.4检测器热电检测器入射辐射加热材料时引起表面电荷变化：中红外区钽酸锂(LiTaO3)氘代硫酸三甘肽(DTGS,deuteratedtriglycinesulfatedetector)高灵敏度的氘代L-丙氨酸硫酸三甘肽(DLATGS,deuteratedL-alaninetriglycinesulfate)：中、远红外区光电导检测器吸收辐射材料电阻降低碲镉汞化物(MCT,MercuryCadmiumTelluride)，高灵敏、快速响应：中红外InGaAs，PbS，InSb：近红外SichuanUniversity1）气体——气体池2）液体：①液膜法——难挥发液体（BP≥80℃）②溶液法——液体池溶剂：CCl4，CS2常用。3)固体:①研糊法（液体石腊法）②KBr压片法③薄膜法三、制样与测试SichuanUniversity3.1.1固体样品常规制样压片法：(1-2mg)样品和(100-200mg)KBr研细均匀,试样和KBr都应经干燥处理,同一方向研磨到粒度小于2um,以免散射光影响,压成厚度小于0.5mm的透明薄片,以免产生干涉条纹。研糊法：固体样品与稀释剂(石蜡油、氟油、六氯丁二烯)研磨调糊，消除水峰的干扰。成膜法：高分子样品等可用热压膜机制膜,某些固体样品溶解在溶剂中，溶剂蒸发成膜；把熔融得样品压成薄膜。SichuanUniversity3.2.1液体样品常规制样液体池：固定厚度、可拆液体池、密封液体池固定厚度液体池：主要用于定量分析;可拆液体池：用于粘度比较大，不易挥发性液体;密封液体池：用于黏度比较小，易挥发性液体。液膜法：沸点高且粘稠的液体直接涂在窗片上，在红外灯下烘干片刻，以便除去样品可能吸收的微量水分。沸点低且粘度小的液体可以将样品放到二个盐片之间制成一个液膜进行测定。SichuanUniversity3.2.2仪器与试剂1.仪器•Nicolet5700型和岛津IRAffinity-1S红外光谱仪•压片机、模具及样品架•玛瑙研钵、红外灯•不锈钢药匙、镊子SichuanUniversity2.试剂•苯甲酸（分析纯A.R）•溴化钾KBr（光谱纯）•无水乙醇（分析纯）•脱脂棉及擦镜纸SichuanUniversity3.准备工作①开机：打开红外光谱仪主机电源，预热20min，接着打开计算机，启动OMINC工作站，确定主机与工作站联络正常。②用分析纯的无水乙醇蘸在脱脂棉上清洗玛瑙研钵，擦镜纸擦拭后，再放在红外灯下彻底烘干。SichuanUniversity4.试样的制备①用药匙分别取1mg苯甲酸和100mg干燥的KBr粉末，放置在玛瑙研钵中，在红外灯下混匀，充分同一方向打圈研磨（研磨时间15min，颗粒粒度在2um左右）。②用不锈钢药匙取约适量研磨好的试样放于模具中，在压片机中将压力调至12kgf左右，压片约2min,用镊子小心取出压好的试样薄片，置于样品架中。SichuanUniversity5.试样的测定①实验条件设置：点击菜单栏【采样】项中【实验设置】，在弹出的窗口中，设置“扫描次数”、“分辨率”、“背景采集管理”等参数。②背景扫描：点击【采集样品】，弹出【背景采集】对话框，点击【确定】，以空气为背景，进行背景扫描，绘制出空气中H2O和CO2的吸收光谱。SichuanUniversity③试样扫描：背景扫描完毕后，打开样品室盖，将样品架放在样品室内样品固定座上，使测量光线正好穿过样品，合上样品室盖，点击【样品采集】对话框的【确定】，绘制出扣除背景吸收的试样红外吸收光谱图。④谱图处理：根据绘制出的试样红外吸收峰的频率鉴定试样的官能团及化合物结构。SichuanUniversity6.结束工作①实验完毕，先关闭红外工作站软件，再关闭仪器的电源。②用无水乙醇及时清洗玛瑙研钵、模具、不锈钢药匙，并且，将它们要彻底烘干后密封保存，防止生锈。SichuanUniversity4.1实验记录试样红外吸收光谱图SichuanUniversity四、数据处理及计算结果试样官能团的鉴定计算不饱和度又称缺氢指数，是指分子结构中距离达到饱和时所缺一价元素的“对数”。它反映了分子中含环和不饱和键的总数，其计算公式如下：Ω=(2n4＋2＋n3－n1)/2n4：四价元素（C）的原子个数，n3：三价元素（N）的原子个数，n1：一价元素（H、X）的原子个数。当Ω=0时分子结构为链状饱和化合物，当Ω=1时分子结构可能含有一个双键或一个脂肪环，当Ω≥2时分子结构中含有三键，当Ω≥4时分子结构中含有六元芳环时。SichuanUniversity特征吸收峰•νO-H伸缩振动:自由羟基O-H伸缩振动：3650-3600cm-1,尖锐的吸收峰，分子间氢键O-H伸缩振动：3500-3200cm-1,宽的吸收峰；•νC=O伸缩振动:1750-1700cm-1•νC=C苯环的骨架振动：1600、1570、1500、及1450㎝-1•γC-Η:780㎝-1及690㎝-1（双峰）苯环单取代峰形