2025年大学《物理学》专业题库- 红外光谱技术在化学分析中的应用

2025年大学《物理学》专业题库——红外光谱技术在化学分析中的应用考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每题3分，共30分。请将正确选项的字母填在括号内。）1.分子中某振动模式能够产生红外吸收光谱，则该振动必须满足的条件是（）。A.振动前后分子偶极矩不变B.振动前后分子电四极矩不变C.振动前后分子偶极矩发生变化D.振动频率等于红外光源频率2.在红外光谱中，伸缩振动频率通常比弯曲振动频率（）。A.更低B.更高C.相同D.无法比较3.下列哪个官能团的特征吸收峰通常位于远红外区（<1500cm⁻¹）？（）A.C=OB.C-H（烷烃）C.O-H（醇）D.N-H（胺）4.与溶液红外法相比，ATR法的主要优点之一是（）。A.光程长，灵敏度更高B.样品制备简单，无需溶剂C.可测固体、液体、气体样品D.适用于对热不稳定的样品5.红外光谱图中，吸收峰的强度通常由（）决定。A.峰高B.峰面积C.峰宽D.波数位置6.比尔-朗伯定律适用于（）。A.所有波长的吸收光谱B.所有类型的分子C.单色光照射下，浓度和光程一定时的吸光度与吸光物质浓度成正比D.稀溶液7.某分子基频振动吸收在4000cm⁻¹，若该振动为非简正振动，其倍频程（第一倍频）吸收可能出现在（）。A.2000cm⁻¹B.4000cm⁻¹C.8000cm⁻¹D.12000cm⁻¹8.在红外光谱定性分析中，若样品谱图中缺少某个特征官能团的吸收峰，则（）。A.可以排除该官能团的存在B.可能该官能团含量太低C.该官能团一定以对称振动形式存在D.需要结合其他谱图或方法判断9.对于含有C=O双键的化合物，其红外吸收峰的位置和强度主要取决于（）。A.C=O键的力常数B.分子对称性C.振动时偶极矩变化的大小D.分子量10.红外光谱能够提供关于分子（）的信息。A.核外电子排布B.分子构型与化学键C.元素组成D.分子扩散系数二、填空题（每空2分，共20分。请将答案填在横线上。）1.红外吸收光谱的产生是由于红外光与分子______-______相互作用，导致分子振动能级发生______跃迁。2.红外光谱仪中，色散元件的作用是______，常用的有______和______。3.样品池用于容纳样品，气体和液体样品通常使用______池，固体样品常用______法或______法制备样品。4.红外光谱图中，吸收峰的位置用______表示，单位通常是______。5.根据分子振动自由度理论，一个非线性分子有______个振动模式，其中______个是红外活性的。三、简答题（每题10分，共30分。）1.简述红外光谱仪的基本组成及其作用。2.解释什么是红外光谱的振动-转动选律，并说明为何并非所有分子振动都能产生红外吸收。3.简述红外光谱进行物质定性分析的基本原理和步骤。四、计算题（共15分。）已知某简并双原子分子的振动频率为ν，求其第一激发态与基态之间的能量差。若该分子的振动惯性矩I为1.0×10⁻³⁶kg·m²，计算其振动频率ν（单位：cm⁻¹）。（提示：E=hν=hν/c，其中h为普朗克常数，c为光速）五、论述题（共15分。）讨论红外光谱法在有机化合物结构解析中的优势和应用局限性。试卷答案一、选择题1.C2.B3.B4.B5.B6.C7.C8.B9.C10.B二、填空题1.振动，转动，选2.分离不同波长的红外光，光栅，棱镜3.玻璃，KBr压片，薄膜4.波数，cm⁻¹5.3N-5，3N-6三、简答题1.红外光谱仪的基本组成及其作用：*光源：提供红外辐射能量，常用的是能斯特灯或硅碳棒。*单色器：将光源发出的连续红外光分解为单色光，常用光栅或棱镜，作用是提高光谱分辨率。*样品池：容纳待测样品，必须对特定波段的红外光透明。*检测器：将红外辐射能转换为电信号，常用检测器有热释电检测器和光电导检测器。*信号处理系统：放大、记录和显示检测器产生的电信号，最终得到红外吸收光谱图。2.红外光谱的振动-转动选律：分子振动-转动跃迁必须满足ΔJ=±1（J为转动量子数），即振动跃迁伴随着转动的改变。红外跃迁选择定则要求分子在振动前后偶极矩必须发生变化。如果振动前后偶极矩不变（对称分子），则该振动是非红外活性的，不能产生红外吸收。因此，并非所有分子振动都能产生红外吸收，只有那些振动前后偶极矩发生变化的振动模式才是红外活性的。3.红外光谱进行物质定性分析的基本原理和步骤：*原理：利用分子振动-转动跃迁产生的红外吸收光谱的特异性，每个化合物都有其独特的红外光谱指纹，如同化学“指纹”一样。*步骤：1.测定待测样品的红外吸收光谱图。2.将测得的谱图与标准红外谱图库进行比对。3.分析谱图中的主要吸收峰位置、强度和形状，识别样品中存在的特征官能团。4.结合官能团峰和指纹区的信息，推断样品的分子结构。5.对于复杂谱图，可能需要结合其他分析手段（如核磁共振、质谱等）进行确认。四、计算题解：分子振动能量E=hν=hν/c。其中h=6.626×10⁻³⁴J·s，c=2.998×10⁸m/s。ν=(hc)/((h)/(ν))=cν。第一激发态与基态之间的能量差ΔE=hν=hc/λ=hc/(c/ν)=hν。题目已给出振动频率ν，能量差即为hν。将I=1.0×10⁻³⁶kg·m²代入简正频率公式ν=√((k)/(μ))，其中μ=I（对于刚性转子模型简化处理），k为力常数。ν=√(k/I)。题目未给k，但计算频率需要ν，可使用ν=cν/λ=cν/(c/ν)=ν²。ΔE=hν=hc/λ=h(c/ν)=h(2.998×10⁸m/s)/ν。题目未直接给ν，但计算要求给出ν的表达式。假设题目意图是已知ν，求hν。hν=(6.626×10⁻³⁴J·s)×ν。若按题目提示求ν，则ν=√(k/I)。若题目隐含ν已知，则hν=6.626×10⁻³⁴J·s×ν。若题目要求计算具体数值，需给定k或ν。此处按公式表达：hν=6.626×10⁻³⁴J·s×ν。ν=√(k/1.0×10⁻³⁶kg·m²)。五、论述题红外光谱法在有机化合物结构解析中的优势：1.仪器相对简单、成本较低、分析速度快，样品用量少，对样品状态要求不高（可分析固体、液体、气体）。2.可提供分子中化学键和官能团的信息，是结构解析的重要工具。3.具有较好的选择性，许多官能团有特征吸收峰，便于识别。4.可进行定性和半定量分析，通过谱图比对进行定性，通过峰高或峰面积进行半定量。5.可与其他光谱方法（如核磁、质谱）相互补充，提供更全面的分子信息。应用局限性：1.对于对称性较高、振动偶极矩变化很小的分子，可能没有红外吸收，即非红外活性。2.某些基团（如苯环的C-H键、饱和C-C键）吸收峰弱或位于光谱基线，不易检测。3.官能团吸收峰可能相互重