无机材料科学基础
&&&&―&&&―&&实验二十二 红外光谱定性分析
实验二十二 红外光谱定性分析
一、实验目的与任务
&&&&1.了解红外光谱定性分析的基本原理，熟悉红外光谱图的基本特征。
&&&&2.掌握利用红外光谱进行定性分析的基本方法和鉴定程序。
&&&&3.测绘一种未知物的红外光谱，查阅标准图谱鉴定其物相。
二、红外光谱定性分析的基本原理
&&&&每一种物质的红外光谱都反映了该物质的结构特征，通常用四个基本参数来表征。
&&&&1．谱带数目
&&&&由于分子振动过程偶极矩变化时才产生红外共振吸收，而相同或相近频率的振动可能发生简并，倍频、组合频等效应将导致红外光谱谱带数目与理论数目3N-6(或3N-5)不符。但是，每种物质的实测红外光谱谱带数目都是一定的，它是定性分析的重要指标。
&&&&2．谱带位置
&&&&红外光谱带的位置即谱带所对应的频率，对应着化合物中分子或基团的振动形式,如3756 cm-1,3657 cm-1对应着OH-键的伸缩振动，1430cm-1 对应着C032-的伸缩振动，1120cm-1对应着S042-的伸缩振动。因此，谱带位置是指示某一分子或某一基团存在的标志。对于同一基团来说，伸缩振动频率较高，弯曲振动频率较低。对不同基团来说，价键越强，振动频率越高；同一键连接的原子越轻，振动频率越高。
&&&&3．谱带形状
&&&&红外光谱带的形状也是由物质分子内或基团内价键的振动形式决定的。每一物态、每一基团、每一振动形式对应着一定的谱带形状。因此，红外光谱带的形状也能揭示物质结构的信息。如结晶好的物质吸收谱带较尖较窄，结晶不好的物质吸收谱带宽而漫散；无机物基团的吸收谱带大而宽，有机物基团的吸收谱带尖而窄；对称性高的分子或基团谱带连续完整，对称性较低者出现分裂谱带。因此，物质的红外吸收谱带位置能指示基团的存在，而谱带的形状能反映物质的状态和结构细节。
&&&&4．相对强度
&&&&红外光谱带的相对强度是指某物质的所有红外吸收谱带相对于某一吸收谱带的比值。每一种物质，每一吸收谱带的相对强度都是一定的，它同样是由该吸收谱带所对应的价键的振动决定的。当价键振动时，引起偶极矩的变化大，红外吸收谱带的强度大；对同一基团来说，伸缩振动吸收谱带强度大，弯曲振动吸收谱带强度小，反对称伸缩振动吸收谱带强度大，对称伸缩振动吸收谱带强度小；对不同基团来说，强极性基团吸收谱带强度大，弱极性基团吸收谱带强度小。因此，每一种物质的各个红外吸收谱带的相对强度变化是有一定的规律的，可作为检验结构基团或化合物存在的佐证。
&&&&应该指出，一种物质的红外光谱的谱带数目、谱带位置、谱带形状及相对强度随物质分子间键力的变化、基团内甚至基团外环境的改变而变化。如固体物质分子之间产生相互作用会使一个谱带发生分裂，晶体内分子对称性降低会使简并的谱带解并成多重谱带；分子间氢键的形成会使谱带形状变宽，伸缩振动频率向低波数位移，而弯曲振动频率向高波数位移。
&&&&总之，一种物质的红外光谱记录了其组成分子的振动（包括转动），而振动的频率取决于组成原子的质量、化学键的强弱和物质内部的结构基团。原子的种类。键力的变化及基团的组合都可以在红外光谱图上表现出来。因此，每一种具有确定化学组成和结构特征的相同物质，都应具有相同的吸收谱带数目、谱带位置、谱带形状和谱带强度的红外光谱。当化合物的化学组成或结构特征不同时，其红外特征谱带就发生变化。这样，就可以根据红外光谱的特征吸收谱带鉴定物质，比如确定阴离子结构基团和水的形式，鉴别类质同相和同质多相，研究配位体和聚合体以及鉴定各种化合物。
三、红外定性分析的基本方法
&&&&红外光谱定性分析的基本方法通常分为两大类：一类是对已知物质的确认。另一类是对未知物质的指认。
&&&&1．已知物质的确认
&&&&大多数的红外光谱分析工作都是验证某‘结构基团或某一化合物是否存在于被测试样中，或评价某一化合物是否含有杂质，或者研究制备工艺对物质结构的影响等，所有这些分析工作都属于用红外光谱对已知物质的确认范畴。
&&&&对于已知物质的确认，通常采用标准试样法或标准图谱法。
&&&&（1)标准试样法
&&&&标准试样法通常是指化学试剂或根据已知物质的化学式采用人工合成的方法制备的物质。制备的物质是否符合标准，要用其他方法，如X射线衍射法等进行验证。
&&&&在相同的制样方法和实验条件下测绘标准试样和待测试样的红外光谱，并将二者进行对比，若二者的吸收谱带数目、位置、形状及相对强度完全吻合，待测物质即与标准物质相同。
&&&&(2)标准图谱法
&&&&标准图谱法是将待测物质的红外光谱与标准图谱相
&&&&对比，从而进行物相鉴定。标准图谱可以在日常工作中收集一些纯物质的红外光谱，也可以查阅标准图谱集。常用的标准图谱集有《Infiared
Spectra of Inorganic Compound》，《矿物的红外光谱图集》，《Sadder标准红外光谱》。
&&&&在查阅标准图谱时，要注意标准图的试样状态、制样方法及光谱测绘条件，只有相同条件下的对比才是有意义的。与标准试样法一样，只有在全部谱带数目、位置、形状和相对强度完全吻合时才能确认。&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
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&&&&必须说明，在比较待确认物质与标准试样的红外光谱时，若二者吸收谱带的数目、相对强度没有变化，吸收谱带的形状没有变化或变化较小，吸收谱带的频率发生位移或位移较小，说明二者结构基本相同，但结构的某些畸变引起了谱带频率或形状的微小变化。如图3-12列出了掺杂与未掺杂β-C2S的红外光谱，比较各图可知掺杂β-C2S保持了β-C2S中S042-的基本振动，说明掺杂后β-C2S晶体的基本结构不变。但观察每条谱线的细微变化，与未掺杂β-C2S比较发现，掺入Mg0，995cm-1峰变宽，峰值下降，930cm-1、910 cm-1位移达16-20cm-1,846cm-1强度减弱，可见掺人Mg0使SiO44发生畸变，晶体无序度增加。掺人K20后Si-0伸缩振动与0-Si-0弯曲振动谱带位置基本不变，但峰形宽化，分辨率降低，说明K+取代Ca2+后的β-C2S晶体的无序度增加。掺入BaSO4后SiO44振动吸收峰宽化严重，995cm-1、846cm-1强度减弱，930cm-1消失，说明Ba2+取代Ca2+,SO44-取代SiO44使β-C2S晶体混乱度增加，蜕晶质严重。
&&&&2.未知物的指认
&&&&利用红外光谱来对未知物进行指认，如果是单相矿物，根据其特征谱带查阅标准图谱，通常不难鉴定。但若未知物为多相混合物质，各种物质的红外吸收带都将在未知物的红外光谱图上出现，谱带可能重叠，频率可能位移，给未知物的分析鉴定工作造成困难。通常按下面的鉴定程序进行分析。
&&&&（1）采用合适的制样方法和测试条件，测绘一张高质量的红外光谱。
&&&&（2）根据样品来源、制备工艺、化学成分及其他测试资料，估计可能物相。
&&&&（3）排除可能的干扰带（KBr或试样的吸湿引起水的吸收带，大气中CO2的吸收带或仪器部件污染引起的吸收带），鉴定未知物中可能存在的结构基团。
&&&&对结构基团的确定，应先从高频区入手，找出表征结构基团的特征频率，再查对该基团的低频区的相关吸收带的频率，只有当基团特征频率与相关频率同时出现时才能作出基团的鉴定。这种鉴定方法只适宜于未知物中各相吸收带不重叠或重叠很少时。若各相吸收带重叠较多，通常不能对未知物中的结构基团作出准确的鉴定。
&&&&(4)化合物的鉴定
&&&&尽管确定了结构基团或估计了可能的结构基团，但进一步利用红外光谱鉴定未知物中有哪几种化合物却是一件困难的工作。通常根据可能的结构基团选用合适的化学方法对未知物各组分进行分离提纯，分别测定提纯物的红外光谱，按已知物确认的鉴定方法来鉴别化合物。
&&&&(5)含有相同结构基团的化合物的鉴定
&&&&对于含有相同结构基团的未知化合物，它们的红外光谱谱带重叠严重，采用组分分离提纯的方法往往又较困难，这时必须根据特征结构基团中的特征峰来予以识别。比如硅酸钙类矿物都含Si碳－团，如图3-13所示。在400～1100cm-1范围内的谱带均由SiO44阴离子团引起（钙离子影响很小）。其中850～1000cm－1的谱带由Si－0伸缩振动引起；400～600cm-1的谱带由0一Si一0的弯曲振动引起；cm-1和630～720cm-1，由Si一O一Si硅桥氧振动引起。但是这些硅酸钙都有区别于其他硅酸钙的特征峰。β－Ca2SiO4的强吸收峰994cm-1可明显区别于γ－Ca2SiO4和Ca3SiO5,γ－Ca2SiO4的强吸收峰852cm-1及562cm-1吸收峰可明显区别于β－Ca2SiO4和Ca3SiO5,α一Ca2SiO4和Ca3SiO5,a一Ca3Si309中的强吸收峰718cm-1可明显区别于α一Ca2SiO4、Ca3SiO5中的684,647,
093cm-1和a一Ca3Si309中的718、cm-1的出现足以证明它们的结构中含有硅氧桥Si一0一Si键，这也是焦硅酸钙类与正硅酸钙类区分的标志。
&&&&硅酸盐材料中含相同结构基团的矿物很多，当无法分离提纯时，根据所测红外光谱，查阅有关标准图谱并注重特征基团中的特征峰，往往可以作出正确的鉴定石
四、实验和数据处理
&&&&1．实验室配有各种矿物，选择一种测绘一张红外光谱，记录各种测试条件。
&&&&2.标注所测红外光谱图各吸收峰的波数（若仪器已打印出波数，不必另行标注）。
&&&&3．根据所测矿物的红外光谱查阅有关特征频率表或标准图谱集，鉴定所测矿物。
五、思考题
&&&&1．红外光谱定性分析有何特点？
&&&&2．红外光谱分析的基本原理是什么？如何分析？
&&&&3．只根据特征频率为什么不能确定化合物的种类？红外光谱分析法习题(含答案)_百度文库
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求助：红外光谱分析
求助：请各位虫友帮忙看一下，这个红外光谱图里表征的是什么物质？大概知道是硅橡胶，但是不确定，并且不知道这种硅橡胶含有什么基团？
红外光谱图
我们是了一种未知的硅橡胶去做的检查的，想通过红外光谱分析查看是那种硅橡胶和物质，其他的信息都没有。不过，还是谢谢你的解答
那可以分析出什么基团吗？
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