东华大学材料结构表征及其应用作业答案.docx

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东华大学材料结构表征及其应用作业答案

“材料研究方法与测试技术”课程练习题

第二章红外光谱法

1.为什么说红外光谱是分子振动光谱？

分子吸收红外光的条件是什么？

双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与哪些因素有关？

答案：

这是由于红外光谱是由样品分子振动吸收特定频率红外光发生能级跃迁而形成的。

分子吸收红外光的条件是：

（1）分子或分子中基团振动引起分子偶极矩发生变化；

（2）红外光的频率与分子或分子中基团的振动频率相等或成整数倍关系。

双原子基团伸缩振动产生的红外光谱吸收峰的位置主要与双原子的折合质量（或质量）和双原子之间化学键的力常数（或键的强度；或键的离解能）有关。

2.用诱导效应、共轭效应和键应力解释以下酯类有机化合物的酯羰基吸收峰所处位置的范围与饱和脂肪酸酯的酯羰基吸收峰所处位置范围（1735～1750cm-1）之间存在的差异。

芳香酸酯：

1715～1730cm-1

α酮酯：

1740～1755cm-1

丁内酯：

～1820cm-1

答案：

芳香酸酯：

苯环与酯羰基的共轭效应使其吸收峰波数降低；α酮酯：

酯羰基与其相连的酮羰基之间既存在共轭效应，也存在吸电子的诱导效应，由于诱导效应更强一些，导致酯羰基吸收峰的波数上升；丁内酯：

四元环的环张力使酯羰基吸收峰的波数增大。

3.从以下FTIR谱图中的主要吸收峰分析被测样品的化学结构中可能存在哪些基团？

分别对应哪些吸收峰？

答案：

3486cm-1吸收峰：

羟基（-OH）；3335cm-1吸收峰：

胺基（-NH2或-NH-）；2971cm-1吸收峰和2870cm-1吸收峰：

甲基（-CH3）或亚甲基（-CH2-）；2115cm-1吸收峰：

炔基或累积双键基团（-N=C=N-）；1728cm-1吸收峰：

羰基；1604cm-1吸收峰、1526cm-1吸收峰和1458cm-1吸收峰：

苯环；1108cm-1吸收峰和1148cm-1吸收峰：

醚基（C-O-C）。

1232cm-1吸收峰和1247cm-1吸收峰：

C-N。

第三章拉曼光谱法

1.影响拉曼谱峰位置（拉曼位移）和强度的因素有哪些？

如果分子的同一种振动既有红外活性又有拉曼活性，为什么该振动产生的红外光谱吸收峰的波数和它产生的拉曼光谱峰的拉曼位移相等？

答案：

影响拉曼谱峰位置的因素主要有：

样品分子的化学结构和样品的聚集态结构。

影响拉曼谱峰强度的因素有：

入射光的强度，入射光的频率，分子结构，分子数量或浓度，温度。

由于分子振动发生能级跃迁吸收红外光的频率与分子振动频率相等，而该分子振动形成的拉曼散射光的频率与入射光的频率之差即拉曼位移也与其振动频率相等，因此反映在谱图上就是同一种分子振动的红外光谱吸收峰的波数与其拉曼光谱峰的拉曼位移相等。

2.从全方位角度（包括原理、谱图、仪器构造、谱图、制样和应用等）比较红外光谱法和拉曼光谱法的相同点和不同点

答案：

相同点：

（1）红外光谱和拉曼光谱的产生都与分子振动有关；

（2）红外光谱图和拉曼光谱图的横坐标都是以波数为单位；（3）影响红外光谱峰位置和拉曼光谱峰位置的因素相同。

不同点：

（1）红外光谱是吸收光谱，而拉曼光谱是散射光谱；

（2）红外光谱与分子振动引起的偶极矩变化有关，而拉曼光谱与分子振动引起的极化度变化有关；（3）红外光谱图的纵坐标是透光率或吸光度，而拉曼光谱图的纵坐标是光强度；（4）红外光谱图的横坐标是入射的红外光的频率，而拉曼光谱图的横坐标是入射光和拉曼散射光的频率之差，即拉曼位移；（5）红外光谱仪使用的光源是具有连续波长的中红外光，而拉曼光谱仪使用的是具有单一波长的可见光或近红外光；（6）红外光谱仪检测的是入射光方向透过样品的光，而拉曼光谱检测的是与入射光方向垂直的散射光；（7）红外光谱分析要求样品是厚度小于50μm的透明或半透明薄片，不含水，不能是黑色，不能装在玻璃容器中，而拉曼光谱分析对样品的尺寸、形状、颜色和透明度没有任何要求，可分析含水或黑色样品，样品可装在玻璃容器内；（8）红外光谱主要分析分子中的极性基团，而拉曼光谱主要分析分子中的非极性基团；（9）红外光谱主要分析高分子链中的特征基团，而拉曼光谱主要分析高分子的骨架链结构。

3.为什么说与红外光谱法相比，拉曼光谱法研究碳材料结构有明显的优势？

碳材料拉曼光谱图中常见的D峰和G峰对应的拉曼位移大致是多少？

各归属于碳材料化学结构中的何种基团？

G峰变强变窄意味着碳材料的结构发生了什么变化？

答案：

拉曼光谱法研究碳材料结构有以下优势：

（1）由于碳材料多为黑色，对红外光产生强吸收，不适合做红外光谱分析，而拉曼光谱检测的是散射光，与样品颜色无关，因此适合做拉曼光谱分析；

（2）碳材料的化学结构中主要含极性非常弱的C-C、C=C基团，这些基团的红外活性很弱，而拉曼活性较强，因此也适合做拉曼光谱分析。

D峰的拉曼位移大约为1330cm-1，G峰的拉曼位移大约为1580cm-1。

D峰归属于碳材料化学结构中的C-C基团，而G峰归属于碳材料化学结构中的C=C基团。

G峰变强变窄意味着碳材料的结构中C=C基团增多，而且逐渐形成了更多的石墨结构，分子链排列更加规整，由此形成的微晶尺寸更大。

第四章核磁共振波谱法

1.分子结构中处于不同化学环境的氢原子或碳原子产生核磁共振吸收的电磁波频率为何不同？

为什么氢谱（1HNMR）和碳谱（13CNMR）中绝大部分谱峰都出现在参比物四甲基硅烷（TMS）谱峰的左边？

导致1HNMR谱峰发生分裂的原因是什么？

答：

分子结构中处于不同化学环境的氢原子或碳原子的核外电子云密度不一样，导致它们的核外电子云对外加磁场H0产生的屏蔽效应即屏蔽常数σ不同，根据公式ω＝γ（1－σ）H0，因此它们产生核磁共振吸收电磁波的频率ω也不同。

由于硅（Si）的电负性比有机物中常见元素如C、O、N、H等的都要小，因此TMS中Si原子对直接相连的碳原子核外电子云及其碳原子连接的氢原子核外电子云的影响很小，因此TMS中氢原子或碳原子核外电子云的屏蔽常数σ比绝大部分有机物中相应原子的σ都要大，这样有机物中氢原子或碳原子的化学位移一般都比TMS中碳原子或氢原子的化学位移大，结果造成氢谱和碳谱中绝大部分谱峰都出现在TMS谱峰的左边。

导致1HNMR谱峰发生分裂的原因是相邻碳上氢原子之间的自旋偶合作用。

2.用教材中公式（3－21）、（3－22）和（3－23）和表3－4、表3－5和表3－6计算对氯甲基苯乙烯分子中所有H原子的化学位移（以氘代氯仿为溶剂），计算结果标在它的分子式上。

如何用1HNMR来研究该单体产生聚合反应的动力学？

6.63

7.27

7.27

4.71

对氯甲基苯乙烯产生聚合反应过程中，连在双键碳上氢原子的1HNMR谱峰面积逐渐减小，其它氢原子的谱峰面积应该不变，因此可用连在双键碳上3个氢原子的谱峰面积与苯环上四个氢原子的谱峰面积之比，或用连在双键碳上3个氢原子的谱峰面积与氯甲基中两个氢原子的谱峰面积之比来计算聚合反应的转化率，从而研究该单体的聚合反应动力学。

3.以下是某种聚合物以氘代氯仿为溶剂测得的宽带去偶碳谱（13CNMR）、DEPT90碳谱和DEPT135碳谱（注：

同一种碳在三个谱图中的化学位移略有差别），根据这三张谱图首先判断1－9谱峰中哪个是溶剂的碳峰，再判断余下8个谱峰分别代表聚合物结构中的哪种碳原子以及它们分别可能处于哪种化学环境或基团中？

9

7

宽带去偶碳谱

DEPT90碳谱

DEPT135碳谱

答案：

谱峰6：

溶剂碳峰

谱峰1：

季碳，可能处于碳化二亚胺（-N=C=N-）或甲亚胺基团中。

谱峰2：

季碳，可能处于苯环中

谱峰3－5：

叔碳，可能处于苯环中

谱峰7：

仲碳，可能处于-CH2O-化学环境中

谱峰8：

季碳，可能处于－C－N＝化学环境中

谱峰9：

伯碳，可能处于CH3-C化学环境中

第五章裂解气相色谱－质谱联用分析法

1.简述用裂解气相色谱－质谱联用分析法分析高分子链结构的原理。

为什么说选择合适的裂解温度对准确分析高分子链结构很重要？

答案：

高分子材料样品首先在一定温度的裂解器中裂解形成分子量较小的碎片，然后通过气相色谱进行分离，分离后的小分子碎片再进入质谱中分析它的化学结构，最后根据所有小分子碎片的化学结构推断高分子的链结构。

裂解温度太低，形成的裂解产物中有的分子量大，沸点高，难以通过气相色谱进入质谱，由于质谱检测到的裂解产物种类少，不利于推断高分子材料的链结构；若裂解温度太高，形成的大多是分子量很小的裂解产物，种类偏少且不具有特征性，也难以推断高分子材料的链结构。

因此选择合适的裂解温度对准确分析高分子链结构很重要。

2.用学过的高分子化学知识解释为什么聚甲基丙烯酸甲酯在高温下裂解形成的是单体，而聚氯乙烯形成的不是单体而是苯。

答案：

根据高分子热降解机理，影响高分子热降解产物的主要因素是热解过程中自由基的反应能力（即稳定性），及参与链转移反应的氢原子的活泼性。

如高分子链裂解后生成的自由基被取代基所稳定，一般按解聚机理进行裂解，形成的产物就是单体。

如聚甲基丙烯酸甲酯就是按照解聚机理进行裂解，因为它的分子链末端受热断裂后形成的自由基被取代的甲基和酯基所稳定。

而对侧基以杂原子与主链碳原子相连的高分子，由于碳原子与杂原子之间的键能较弱，因此在受热的情况下易发生侧基脱除的消除反应，在主链上形成碳碳不饱和键。

如聚氯乙烯，受热发生脱除HCl的消除反应，形成碳碳双键。

当相邻的三个碳碳双键形成共轭结构后，主链发生断裂形成稳定性较高的产物苯。

4.用红外光谱法、拉曼光谱法、核磁共振波谱法和裂解气相色谱－质谱联用分析法分析高分子链结构各得到哪些信息？

答案：

红外光谱法主要获得高分子链中含有哪些极性基团的信息；拉曼光谱法主要获得高分子链的骨架结构信息；核磁共振波谱法主要获得高分子链中碳原子和氢原子的化学环境信息，进而可推断高分子链的重复单元结构和序列结构；裂解气相色谱－质谱法可获得高分子链的重复单元结构信息以及序列结构信息。

第六章扫描电子显微镜－X射线能谱法

1.二次电子和背散射电子是如何产生的？

它们的产率主要与什么因素有关？

二次电子像和背散射电子像分别反映样品什么信息？

答案：

二次电子是被入射电子轰击出来的样品核外电子，背散射电子是被样品中原子反射出来的一部分入射电子；二次电子产率主要与入射电子束和样品表面法线方向所形成的夹角有关，背散射电子产率主要与样品中原子的原子序数有关。

二次电子像反映样品的表面形貌信息，而背散射电子像反映样品表面化学组成分布的信息。

2.特征X射线是如何产生的？

利用特征X射线能得到样品哪些信息？

答案：

样品中原子的内层电子被入射电子轰击出来后，相邻外层能量较高的电子会迅速发生跃迁，填补内层电子空位。

由于原子内外层电子存在能量差，因此外层电子跃迁到内层的过程中会释放具有特定能量或波长的X射线。

利用特征X射线可判断样品表面含何种元素及其相对含量。

3.为何用SEM分析非导电样品前要对它进行喷金或喷碳处理？

如何利用SEM分析材料内部结构？

答案：

由于进入和离开样品的电子数量不平衡，电子在样品表面积聚产生放电现象，影响二次电子成像和背散射电子成像的效果，因此在SEM分析样品前需要对它的表面喷涂导电的涂层，如喷涂金或碳等。

采用刀切、脆断或拉断等方法形成样品的断面，然后用SEM分析样品断面的形貌或组成分布，从而可达到分析样品内部结构的目的。

第七章透射电子显微镜法

1.TEM图像的质厚衬度和衍射衬度是如何形成的，分别适合分析哪类材料？

答案：

质厚衬度是由于样品不同区域的厚度或/和原子序数差异产生的衬度，适用于对非晶材料的分析。

衍射衬度是当电子束入射到样品中结晶部分时，在特定角度产生衍射电子束。

如果用物镜光阑挡住衍射电子束，就会形成有衬度的TEM图像，适用于分析结晶性材料。

2.如何制备满足TEM分析要求的聚合物样品，正染色和负染色的区别何在？

负染色通常适合分析哪类聚合物材料？

答案：

对聚合物胶乳样品通常加入负染色剂，滴在铜