实验七 红外光谱测定苯等化合物.doc

深 圳 大 学 实 验 报 告 课程名称： 仪器分析实验 实验项目名称： 实验七 红外吸收光谱法的应用 学院： 化学与化工学院 专业： 应用化学 指导教师： 米宏伟 报告人：习雯影 学号：2006141075 班级： 06应化 同组人员：习雯影 赵倩 冯倩 张秋吉 郑艳萍 陈丰音 杨菲 实验时间： 2009-5-27 实验报告提交时间： 2009-6-3 教务处制一、实验目的1、学习并掌握色散型红外光谱仪的使用方法和原理；2、了解红外光谱的应用，以及掌握红外光区分析时试样的制备方法；3、观察不同基团的特征吸收，并从红外光谱图中识别基团以及从这些基团确定未知化合物的主要结构。二、实验原理1、色散型红外光谱仪基本工作原理红外分光光度计，是一种用棱镜或光栅进行分光的红外光谱仪。由光源发出的红外线分成完全对称的两束光：参考光束与样品光束。它们经半圆型调制镜调制，交替地进入单色仪的狭缝，通过棱镜或光栅分光后由热电偶检测两束光的强度差。当样品光束的光路中没有样品吸收时，热电偶不输出信号。一旦放入测试样品，样品吸收红外光，两束光有强度差产生，热电偶便有约10Hz的信号输出，经过放大后输至电机，调节参考光束光路上的光楔，使两束光的强度重新达到平衡，由笔的记录位置直接指出了某一波长的样品透射率，波数的连续变化就自动记录了样品的红外吸收光谱或透射光谱。 红外光谱的测绘原理是，用一定频率的红外线聚焦照射被分析的试样，如果分子中某个基团的振动频率与照射红外线相同就会产生共振，这个基团就吸收一定频率的红外线，把分子吸收的红外线的情况用仪器记录下来，便能得到全面反映试样成份特征的光谱，从而推测化合物的类型和结构。IR光谱主要是定性技术，但是随着比例记录电子装置的出现，也能迅速而准确地进行定量分析。光源：红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度连续红外辐射。常用的有能斯特灯和硅碳棒两种。能斯特灯是由氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成，是一直径为13mm，长约2050mm的中空棒或实心棒，两端绕有铂丝作为导线。在室温下，它是非导体，但加热至800时就成为导体并具有负的电阻特性，因此，在工作之前，要由一辅助加热器进行预热。这种光源的优点是发出的光强度高，使用寿命可达6个月至一年，但机械强度差，稍受压或受阻就会发生损坏，经常开关也会缩短使用寿命。硅碳棒一般为两端粗中间细的实心棒，中间为发光部分，其直径约5mm，长约50mm。碳硅棒在室温下是导体，并有正的电阻温度系数，工作前不需预热。和能斯特灯比较，它的优点是坚固，寿命长，发光面积大；缺点是工作时电极接触部分需用水冷却。单色器：与其他波长范围内工作的单色器类似，红外单色器也是由一个或几个色散原件（棱镜或光栅，目前已主要使用光栅），可变的入射和出射狭缝，以及用于聚焦和反射光束的反射镜组成。在红外仪器中一般不使用透镜，以免产生色差。另外，应根据不同的工作波长区域选用不同的透光材料来制作棱镜。检测器：常用的红外检测器有真空热电偶、热释电检测器和汞镉碲检测器。真空热电偶是色散性红外光谱仪中最常见的一种检测器。它利用不同导体构成回路时的温差电现象，将温差转变为电位差。它以一片涂黑的金箔作为红外辐射的接受面。在金箔的一面焊有两种不同的金属、合金或半导体作为热接点，而在冷接点端（通常为室温）连有金属导线。此热电偶封于真空度约为710-7Pa的腔内。为了接受各种波长的红外辐射，在此腔体上对着涂黑的金箔开一小窗，粘以红外透光材料，如KBr(至25m)，CsI(至50m) ，KRS-5(至45m)等。当红外辐射通过此窗口射到涂黑的金箔上时，热接点温度升高，产生温差电势，在闭路的情况下，回路即有电流产生。由于它的阻抗很低（一般10左右），在和前置放大器耦合时需要用升压变压器。2、制样方法在制备试样时应注意下述各点：（1）试样的浓度和测试厚度应选择适当，浓度太小，厚度太薄，会使一些弱的吸收峰和光谱的细微部分不能显示出来；过大，过厚，又会使强的吸收峰超越标尺刻度而无法确定它的真实位置。（2）试样中不应含有游离水。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，将使测得的光谱图变形。溶剂分子简单，极性小。（3）试样应该是单一组分的纯物质。多组分试样在测定前应尽量预先进行组分分离（如采用色谱法、精密蒸馏、重结晶、区域熔融法等），否则各组分光谱相互重叠，以致对谱图无法进行正确的解释。固体试样（1）压片法 在红外光谱的测定上被广泛用于固体试样调制剂的有KBr、KCl，它们的共同特点是在中红外区（4000400cm-1）完全透明，没有吸收峰。被测样品与它们的配比通常是1：100，即取固体试样13mg，在玛瑙研钵中研细，再加入100300mg磨细干燥的KBr或KCl粉末，混合研磨均匀，使其粒度在2.5m（通过250目筛孔）以下，放入锭剂成型器中。加压（510t/cm2）3分钟左右即可得到一定直径及厚度的透明片，然后将此薄片放在仪器的样品窗口上进行测定。（2）熔融法 将熔点低且对热又稳定的试样，直接放在可拆池的窗片上，用红外灯烘烤，使之受热变成流动性的液体，盖上另一个窗片，按压使其展成一均匀薄膜，逐渐冷却固化后测定。（3）薄膜法 将试样溶于适当的低沸点溶剂中，而后取其溶液滴洒在成膜介质（水银、平板玻璃、平面塑料板或金属板等）上，使其溶剂自然的蒸发，揭下薄膜进行测定。薄膜厚度一般约为0.050.1mm。（4）附着法 有些高分子物质，结晶性物质或象细菌膜那样的生物体试样，不能用溶液成膜法得到所需的薄膜，可将其试样溶液直接滴在盐片上展开，当溶剂蒸发后，在盐片的表面上形成薄的附着层即可直接测试。（5）涂膜法 对于那些熔点低、在熔融时又不分解、升华或发生其它化学反应的物质，可将它们直接加热熔融后涂在盐片上，上机测试；另外对于不易挥发的粘、稠状样品，也可直接涂在盐片上（厚度一般约为0.02mm），上机测试。液体试样（1）沸点较高试样，直接滴在两块盐片之间，形成液膜（液膜法），上机测试。（2）沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中， 液层厚度一般约为0.011mm。气态试样 使用气体吸收池，先将吸收池内空气抽去，然后注入被测试样。3、红外光谱应用红外光谱广泛应用于有机化合物的定性鉴定和结构分析：定性分析 已知物的鉴定将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样，或峰位不一致，则说明两者不为同一化合物，或样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。 未知物结构的测定未知物不是新化合物，可以通过两种方式利用标准谱图进行查对：查阅标准谱图的谱带索引，与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图；进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关资料和数据。了解试样的来源、以估计其可能是哪类化合物；测定试样的物理常数，如熔点、沸点、溶解度、折光率等，作为定性分析的旁证；根据元素分析及相对摩尔质量的测定，求出化学式并计算化合物的不饱和度。不饱和度=1+n4+(n3-n1)/2式中n4、n3、n1、分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。当计算得不饱和度=0时，表示分子是饱和的，应在链状烃及其不含双键的衍生物。当不饱和度=1时，可能有一个双键或脂环；当不饱和度=2时，可能有两个双键和脂环，也可能有一个叁键；当不饱和度=4时，可能有一个苯环等。但是，二价原子如S、O等不参加计算。谱图解析一般先从基团频率区的最强谱带开始，推测未知物可能含有的基团，判断不可能含有的基团。再从指纹区的谱带进一步验证，找出可能含有基团的相关峰，用一组相关峰确认一个基团的存在。对于简单化合物，确认几个基团之后，便可初步确定分子结构，然后查对标准谱图核实。定量分析红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进行定量分析。此外，该法不受样品状态的限制，能定量测定气体、液体和固体样品。因此，红外光谱定量分析应用广泛。但红外定量灵敏度较低，尚不适用于微量组份的测定。 基本原理：选择吸收带的原则：首先，必须是被测物质的特征吸收带。例如分析酸、酯、醛、酮时，必须选择C=O基团的振动有关的特征吸收带。其次，所选择的吸收带的吸收强度应与被测物质的浓度有线性关系。最后，所选择的吸收带应有较大的吸收系数且周围尽可能没有其它吸收带存在，以免干扰。 吸光度的测定： 一点法：该法不考虑背景吸收，直接从谱图中分析波数处读取谱图纵坐标的透过率，再由公式lg1/T=A计算吸光度。实际上这种背景可以忽略的情况较少，因此多用基线法。基线法：通过谱带两翼透过率最大点作光谱吸收的切线，作为该谱线的基线，则分析波数处的垂线与基线的交点，与最高吸收峰顶点的距离为峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。 定量分析方法：可用标准曲线法、求解联立方程法等方法进行定量分析。4、常用不同基团特征吸收:表1 常用不同基团特征吸收基团吸收频率/cm-1吸收强度-OH伸缩振动：36503200（中等）强饱和-CH3伸缩振动：2960，2870强弯曲振动：1460，13701380中强弱饱和-CH2伸缩振动：2930，2850强弯曲振动: 1460中强C=C伸缩振动：16801620中强弱芳环中 C=C伸缩振动：1600，1580，1500，1450可变C=C=C伸缩振动：1950附近可变CC伸缩振动：22602100可变-C=O伸缩振动：18501600中强弱C-O伸缩振动：13001000强C-O-C伸缩振动：9001150强-NH ,-NH2伸缩振动：35003100（中)强,宽-CN伸缩振动：22602220强，针状-NN伸缩振动：23102135中强-NO2伸缩振动：16001500，13001250强C-X (X为卤素）伸缩振动：F:14001000，其余均1000强三、 仪器与试剂1、仪器：色散型红外光谱仪（Perkin Elmer 型号：Spectrum One）压片机（包括压模）、玛瑙研钵、红外灯、镊子、滴管、烧杯。2、试剂：甲醇、苯乙酮、苯、苯甲酸（以上试剂均为分析纯）。3、扫描范围：4000450cm-1四、实验步骤1、开机开机时先后打开主机电源和计算机电源，待进入Windows界面后启动Spectrus程序进入Spectrus2、 确认仪器状态点击Instrument下的wonitor.进入仪器质测界面分别点击能量和单光束图观测能量水平和单光束图是否正常点击Exit退出3、 采集样品光谱点击Instrument 菜单下的Scan.命令出现样品扫描窗口设定谱图文件名Filename酌情填写描述Description及注解Comments在Scan页面根据需要设定扫描范围Range和扫描次数或扫描时间，点击“Apply”执行，再点击“ok”进行扫描出现窗口提示询问是否覆盖overwuite时根据情况选择。4、制样及检测 液体试样的红外光谱测绘 称取适量已烘干的KBr于玛瑙研钵中，在红外灯下将KBr研磨细后，每次取少量装入压模中，在压片机下8N加压，维持1min，使压成一个透明的KBr空白片。用滴管取液体样品滴半滴于KBr空白片上，其上再覆盖一片KBr空白片（本次实验不用覆盖，直接测定）。将制好的样品放到红外光谱仪的样品架上，进行扫描。扫描完毕后，用乙醇清洗窗片池。 固体样品的红外光谱测绘用吸附乙醇的脱脂棉，将模具搽拭干净，自然晾干或放于红外灯下烘干备用。在已研细的KBr粉末中加入质量比1：100（样品：KBr）的固体样品，在红外灯下混合研磨。研磨至颗粒直径小于2 m。将少量研磨好的样品装于干净的模具内，8N加压，维持1min。放弃卸压后，取出模具脱模，得一圆形样品片。将样品片放于样品支架上。用纯KBr薄片做参比，将制作好的样品放到红外光谱仪的样品池中，进行扫描。扫描完毕后，用乙醇洗压模，干燥后放入干燥器内。五、实验数据及结果1、甲醇红外谱图的测绘 图2 甲醇的红外光谱图 图2所示为甲醇的红外图谱。在波数3376cm-1和3137 cm-1处可观察到吸收强度较大的羟基伸缩振动峰，吸收峰变宽，说明所测甲醇样品中甲醇上的羟基以缔合羟基的形式存在。由于羟基之间形成的氢键可使羟基表面电子云平均化，削弱羟基键能的同时减弱了基团的红外光吸收能力，因此使得吸收峰变宽。图中1384 cm-1为CH3对称变形振动吸收，波数1068 cm-1处的强吸收峰为CO键伸缩振动，1261 cm-1为羟基变形振动吸收峰。2、苯乙酮红外谱图的测绘 图3 苯乙酮的红外光谱图苯乙酮的红外光谱图如图3所示。图中波数3383 cm-1和3138cm-1为羟基伸缩振动峰，说明测定的苯乙酮样品中含有一定量的水分。1679 cm-1的强吸收峰为伸缩振动峰，618 cm-1处为的面内弯曲振动吸收峰。518cm-1是的面内弯曲振动峰。在图中1600 cm-11450 cm-1波数范围内没有观察到苯环的4个特征吸收峰，初步分析原因是样品中混入了其他杂质组分，使得相关的吸收峰与杂质的吸收峰相互重叠，在图中难以被观察到。3、苯红外光谱的测绘图4 苯的红外光谱图 图中3446 cm-1和3136 cm-1两个吸收峰为羟基的伸缩振动吸收峰。说明苯液体中含有未除去的水分。苯的的四个特征吸收峰1600 cm-1、1580 cm-1、1500 cm-1、1450 cm-1在图中未能观察到。同时，谱图中出现了较多未知吸收峰，说明测定的苯液体样品中含有大量其他杂质，样品纯度未达到测试要求。其中，波数618 cm-1处的吸收峰很可能是混入的苯乙酮中的面内弯曲振动吸收所引起的。4、苯甲酸红外光谱的测绘图5 苯甲酸的红外谱图 如图5所示为苯甲酸的红外光谱图。在波数3000 cm-1以上出现几个宽而散的峰，是羧酸二聚体上羟基的伸缩振动吸收峰，952 cm-1的中等强度宽吸收峰为酸的二聚体OH-O=基团面外变形振动，以上两处吸收说明了羧酸二聚体的存在。2988 cm-1左右有几个小的吸收峰是由于CO伸缩振动和变形振动的倍频及组合引起的，1263 cm-1是CO键的伸缩振动吸收峰。1596 cm-1、1552 cm-1、1410 cm-1三处是苯环上C=C键的伸缩振动吸收。波数1716 cm-1为C=O键的伸缩振动吸收峰。六、实验结果分析与讨论 本实验使用Perkin Elmer的Spectrum One型色散红外光谱仪测定了4种已知组分样品的红外光谱图，包括：甲醇、苯乙酮、苯和苯甲酸。4种物质的红外光谱图分别见图2、3、4、5。对测定结果的初步解析，得到以下结论：1、甲醇样品的红外谱图在波数3000 cm-1左右的两个吸收峰变宽，说明在样液中部分甲醇分子中的羟基之间形成了氢键，以缔合羟基的形式存在。2、在苯乙酮红外谱图中发现3000 cm-1处也出现了强吸收峰，表明样品中可能有未除去的水分。从谱图中为能观察到苯环上C=C键的4个吸收峰，初步分析是样品中混入了其他杂质，使得吸收峰发生了重叠，影响了对实验结果的判断。3、苯的红外光谱图中没有观察到苯环上C=C键的4个吸收峰，同时，在谱图中存在大量未知基团吸收峰，说明待测样受到了污染，混入了其他化合物杂质。4、苯甲酸主要以二聚体形式存在，由其红外谱图中波数3000 cm-1以上出现几个宽而散的峰可作出判断。各被测样，除苯外，其余均可观察到已知组分分子中的官能团吸收峰。通过本次实验，对红外光谱仪的工作原理和仪器构造有了更直观的认识。同时，由具体的实验操作掌握了红外光谱仪的使用方法和液体与固体样品的制备方法。在实验结果处理过程的过程中，加深了对各种有机化合物官能团特征吸收的认识，提高了对红外谱图的解析能力。七、注意事项1、红外光谱实验室注意事项做实验的过程中申请将门掩上，以保持实验室内干燥!压片时压力不可超过8Tons！压片模具在压片过程中要保持受力均衡！（即：装样均匀：模具放在压片器正中间）压完片后，模具跟压舌一定要用水清洗干净并在红外灯下烘干，烘干后放入干燥缸内！离开实验室时打扫干净，切掉电源，空调不关！2、压舌的注意事项用后必须用水清洗干净，在红外灯下烘干！保存在塑料袋中放在干燥缸内！3、红外注意事项红外光谱仪器最重要的是防潮，实验室应严格控制温度在30度以下，湿度在70%以下，实验室人员不宜太多定期