材料结构分析复习总结.docx

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材料结构分析复习总结

1．红外光谱（IR）

红外光谱（infraredspectroscopy），鉴别主要的官能团。

红外光谱制样通常使用的方法有溶液流延薄膜法，热压薄膜法，溴化钾压片法，切片法，溶液法和石蜡糊法。

原理：

将复合频率的入射光分成单色光后，通过狭缝进入到检测器，这样就使达到检测器的光的强度有很大幅度的衰减，响应时间也比较长。

而且由于分辨率和灵敏度在整个波段范围内是变化的，所以限制了红外光谱仪在即时跟踪反应过程研究及色谱---红外光谱联用方面的发展。

红外光谱分析时要求被分析的成分尽可能单一。

所以对于混合物，采用适当的分离手段将样品中的多种组分有效分离成单独组分才是分离的关键问题。

在这个过程中可能会使用到如加热，萃取，色谱分离等多种分离方法。

在分离工作完成后，对各个组分做FTIR谱图，从特征峰入手，判断存在哪些基团，以确定所属化合物的类型；再重点进行指纹区观察，进一步确定基团的结合方式，这对于结构相近的聚合物分析是很重要的；最后对照标准谱图验证时必不可少的一步。

横坐标：

波数（）400～4000cm-1；表示吸收峰的位置。

纵坐标：

透过率（T%），表示吸收强度。

T↓，表明吸收的越好，故曲线低谷表示是一个好的吸收带。

（1）辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；（红外辐射光的频率与分子振动的频率相当，才能满足分子振动能级跃迁所需的能量，而产生吸收光谱。

）

（2）辐射与物质间有相互偶合作用。

（必须是能引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收光谱）

倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。

红外光谱谱带的强度主要由两个因素决定：

一是跃迁的几率，跃迁的几率大，吸收峰也就强。

二是振动中偶极矩变化的程度。

瞬间偶极矩变化越大，吸收峰越强。

按分光器将红外分光光度计分，以干涉仪为分光器的第3代是傅里叶变换红外光度计Fourier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）、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。

傅里叶变换红外光度计的核心部分为Michelson干涉仪。

只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。

傅里叶变换红外分光光度计还具有以下特点:

（1）分辨率高，可达0.lcm-1，波数准确度高达0.0lcm-1

（2）扫描时间短，在几十分之一秒内可扫描一次。

可用于快速化学反应的追踪、研究瞬间的变化、解决气相色谱和红外的联用问题。

（3）极高的灵敏度。

可在短时间内进行多次扫描，使样品信号累加、贮存。

噪音

可以平滑掉，提高了灵敏度。

傅里叶变换红外分光光度计具有分辨率高、扫描时间短的优点，只是灵敏度较低。

具有同一类型化学键或官能团的不同化合物，其红外吸收频率总是出现在一定的波数范围内，这种能代表某基团，并有较高强度的吸收峰，称为该基团的特征吸收峰（又称官能团吸收峰）。

红外光谱可以鉴定聚合物的主链结构，取代基的种类及位置，双键位置及分子侧链结构，另外在聚合反应机理，材料老化和降解机理方面的应用越广泛。

红外光谱

1）含氧官能团的判断（特别是没有N原子时确定OH，C=O，C-O中的任何一个都是容易的）。

2）含N官能团的判断（特别是易于确定NH，CN，NO2等）。

3）有关芳环的信息（有无芳环以及取代基电负性不强的先看1600，1500~1430cm-1等的吸收带，然后用900~700cm-1推断出取代类型）。

4）是否为炔烃、烯烃，特别是双健类型的判断。

同一类型化学键，由于环境不同，力常数并不相同，因此，吸收峰的位置不同。

引起分子偶极矩发生变化的振动才会出现红外吸收峰。

红外光谱的区域划分：

1.4000~1500cm-1伸缩振动吸收官能团区（特征频率区）

2.1500~400cm-1伸缩振动与弯曲振动吸收指纹

芳烃的C－H：

900~690cm-1

红外波谱分析：

未知物分子式为C12H24O2，其红外图如下图所示，试推其结构。

1.Ω＝1

2.1703cm-1处的强吸收知该化合物含羰基，与一个不饱和度相符。

3.2920、2851cm-1处的吸收很强而2956、2866cm-1处的吸收很弱，这说明CH2的数目远多于CH3的数目，723cm-1的显著吸收所证实，说明未知物很可能具有一个正构的长碳链。

4.2956、2851cm-1的吸收是叠加在另一个宽峰之上的，从其底部加宽可明显地看到这点。

从分子式含两个氧知此宽峰来自－OH,很强的波数位移说明有很强的氢键缔合作用。

结合1703cm-1的羰基吸收，可推测未知物含羧酸官能团。

940、1305、1412cm-1等处的吸收进一步说明羧酸官能团的存在。

综上所述，未知物结构为：

CH3－（CH2）10－COOH

2．紫外光谱（UV）

紫外光谱（ultraviolet-visiblespectroscopy），检测分子中π电子体系。

紫外光谱是由样品分子吸收一定波长的光，使其电子从基态跃迁到激发态引起。

用于定量分析最多的波谱方法是紫外-可见光谱，其局限是只能用于有紫外-可见光吸收的样品。

紫外-可见光谱可用比较参比光谱与被测物光谱的方法来确定某种物质或某种共轭体系存在的可能性。

调正样品溶液的浓度使吸收峰的顶端落在记录纸内。

定性测定时控制吸光度在0.7~1.2范围内，定量测定时控制吸光度在0.2~0.8最为合适。

具有不同生色团即不同的化合物所需浓度不同，有共轭体系的样品，浓度应在10-4~10-5mol/L左右。

具有双键结构的基团对紫外或可见光有吸收作用，具有这种吸收作用的基团统称为生色基。

另外一些基团虽然本身不具有生色基作用，但与生色基相连时，通过非键电子的分配，扩展了生色基的共轭效应，会影响生色基的吸收波长，增大吸收系数，这些基团统称为助色基。

1.生色团——共价键不饱和原子基团，能引起电子光谱特征吸收，一般为带π电子的基团。

如：

C=C、C=O、C=N、NO、NO2等。

2.助色团——饱和原子基团，本身在200nm以上没有吸收，但当它与发色基团连接时，可使发色团的最大吸收峰向长波方向移动，并且使强度增加，这样的基团叫助色团，如：

-OH、-NH2、-Cl、-SH等。

一般为带p电子的原子或原子团。

紫外光谱根据λmax和εmax判断化合物中有无共轭体系和生色团，是芳香族还是脂肪族。

必要时将计算的λmax与实测的λmax进行比较，从而推断结构的正确与否。

紫外光谱仪有单光束和双光束两种，电子跃迁的类型不同，实现跃迁所需的能量不同，跃迁能量越大，则吸收光的波长越短。

各种跃迁所需的能量跃迁顺序为：

σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*

1.σ→σ*

饱和烃类化合物

CH4λmax125nm

C2H6λmax135nm

（≈150nm）

在远紫外区吸收

2.n→σ*

含杂原子的饱和烃

CH3OHλmax183nm

CH3NH2λmax213nm

CH3Clλmax173nm

（≈200nm）

在远、近紫外交界处吸收

3.π→π*4.n→π*

C=Cλmax162nmC=C-C=O

C=C-C=Cλmax217nmC=C-NO2

苯

（≈200nm）（≈200～400nm）

在近紫外区吸收

紫外光谱的表示：

A为吸光度

I0为入射光强度

Il为透过光的光强度

ε为摩尔吸光系数

c为溶液浓度（mol/L）

l为样品槽厚度

紫外光谱以波长λ（nm）为横坐标，以吸光系数ε或logε为纵坐标来表示。

蓝移（blueshift）吸收峰向短波长方向移动。

红移（redshift）吸收峰向长波长方向移动

注意：

1.饱和的碳氢化合物：

唯一可发生的跃迁为σ→σ*，能级差很大，紫外吸收的波长很短，属远紫外范围，不能用一般的紫外分光光度计进行测定。

2.含饱和杂原子的化合物：

含饱和杂原子的基团一般为助色团。

这样的化合物有n→σ*跃迁，但一般在近紫外区仍无明显吸收。

苯环的吸收带：

吸收带编号

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

吸收带位置

184

204

256

ε

60000

7900

250

吸收带名称

E1带

E2带

B带

3．核磁共振谱（NMR）

核磁共振谱（nuclearmagneticresonancespectroscopy，NMR）是指自旋磁矩不为零的原子核，在外磁场中，其核能级将发生分裂。

若再有一定频率的电磁波作用于它，分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。

提供的信息有：

（1）.碳骨架。

（2.）与碳原子相连的氢原子的化学环境。

1.核磁共振谱的功能：

提供分子中原子数目、类型以及键合次序的信息。

2.核磁共振的基本条件：

（1）核有自旋（磁性核）

（2）外磁场,能级裂分;

（3）照射频率与外磁场的比值0/H0=/

（2）

将磁性原子核放入强磁场后，用适宜频率的电磁波照射，它们会吸收能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，得到核磁共振。

自旋时能够产生磁矩的原子核：

质量数或原子序数为奇数，自旋量子数I=1/2。

1H、13C、15N、19F、29Si、31P

3.弛豫过程——核自旋系统受到如射频场的外界作用时，磁化强度会偏离平衡位置，外界停止作用后自旋系统从不平衡状态恢复到平衡状态，这个过程称为弛豫过程。

4.化学位移：

当共振频率发生了变化，在核磁共振谱图上反应出了同种核因在分子中的化学环境不同而显示吸收峰谱峰位置的移动，这称为化学位移。

化学位移是由于屏蔽与去屏蔽效应引起的质子的吸收信号的位移。

本质是不同化学环境的核，受到不同程度的屏蔽效应，其共振吸收的位置出现在不同的磁感应强度，这种位置的差异为化学位移。

化学位移的表示：

化学位移的影响因素：

A.电负性，B.磁各向异性

5.核磁共振谱按测定的核分类，测定氢核的成为氢谱（1HNMR）；测定碳-13的称为碳谱（13CNMR）。

6.由邻近基团电子环流所引起的屏蔽效应来解释，其强度比电负性原子和质子相连所产生的诱导效应弱，但有与对质子是附加了各向异性的磁场，因此可提供空间立构的信息。

氢键能使质子在较低场发生共振。

7.任何原子核都被电子云所包围,当1H核自旋时,核周围的电子云也随之转动，在外磁场作用下，会感应产生一个与外加磁场方向相反的次级磁场，实际上会使外磁场减弱，这种对抗外磁场的作用称为屏蔽效应。

质子周围的电子云密度越高，屏蔽效应就越大，核磁共振就发生在较高场，化学位移值减少，反之同理。

8.氢核吸收峰的裂分是因为分子中相邻氢核之间发生了自旋相互作用，自旋核之间的相互作用称为自旋—自旋偶合。

自旋偶合的条件：

（1）质子必须是不等性的。

（2）两个质子间少于或等于三个单键（中间插入双键或叁键可以发生远程偶合）。

nJab－偶合常数（Hz）（couplingconstant）自旋裂分所产生谱线的间距。

谱线分裂的裂距反映偶合常数J的大小。

9.自旋裂分的峰高度比与二项展开式的各项系数比一致。

核磁共振仪可设计为两种方法，通常用固定射频频率，改变磁场B0——扫场法。

核磁共振谱的参数与有机化合物的结构有着密切的关系，因此核磁共振谱是鉴定有机化合物结构和构象主要工具之一。

m/e（实际上就是磁场强度），由于分子离子或碎片离子在大多数情况下只带一个正电荷，所以通常m/e成为质量数。

10.核磁共振碳谱分析：

1）由质子噪声去偶谱确定碳原子数。

（注意分子有无对称性）。

2）从偏共振去偶谱中确定各类碳原子所连的质子数。

也可从DEPT等谱确定碳原子级数及其化学位移值。

3）由化学位移值。

判断sp3-C、sp-C，sp2-C以及羰基碳原子的类型，也可获得各类碳原子相邻基团的信息