化学计算与测量实验之实验4分子振动
大学化学方法：红外光谱分析实验设计
大学化学方法：红外光谱分析实验设计1. 引言1.1 概述在现代化学研究中，分析实验是不可或缺的一环，它为我们提供了评估物质性质和组成的重要手段。
红外光谱分析作为一种非常强大的技术，在化学领域中得到了广泛应用。
通过测量样品在红外光区的吸收和散射情况，我们可以获取关于样品中化学键类型、结构和功能团的有价值信息。
1.2 文章结构本文旨在介绍大学化学方法中红外光谱分析实验的设计与操作流程。
文章包含以下几个部分：引言、正文、方法、实验设计、结果与讨论以及结论。
首先，引言部分将对这个实验进行概述并解释其目的。
接下来，正文将提供更详细的背景知识和相关理论。
然后，方法部分将描述实验所需材料和仪器设备的详细信息。
实验设计部分将给出具体步骤，并介绍数据处理与分析方法。
最后，结果与讨论部分将展示实验结果，并对其进行解读和错误讨论及改进措施。
最后一节是结论，总结主要发现并提出未来研究方向的建议。
1.3 目的本文的目的是为了帮助读者理解和掌握大学化学方法中红外光谱分析实验的基本原理、步骤和数据处理方法。
通过本文的阅读，读者将能够了解红外光谱分析在化学研究中的重要性，并具备进行该实验所需的基本知识和技能。
此外，通过展示实验结果并对其进行讨论与分析，读者还可以提高对红外光谱分析实验数据的正确解释与准确评估能力。
最终，我们希望读者能够在大学化学实验中正确应用红外光谱分析方法，并将其运用到自己未来的科研工作或专业发展中。
2. 正文大学化学方法中的红外光谱分析是一种常用的实验技术，通过分析物质在红外辐射下吸收、散射和透射的特征，可以获得有关分子结构和化学键信息的数据。
本实验旨在介绍红外光谱分析的原理与应用，并通过一个实验设计来展示该技术在化学研究中的重要性。
在红外光谱分析实验中，我们将使用一台红外光谱仪以及合适的样品制备与处理方法。
首先，我们需要准备待测样品以及参考样品。
待测样品应符合我们研究对象的特定需求，而参考样品则是已知结构和功能的标准物质，用于校准仪器并进行定性或定量分析。
化学仪器的实验报告
化学仪器的实验报告实验目的掌握常见化学仪器的使用方法，了解其原理和注意事项。
实验器材1. 分析天平2. 毛细管3. 显微镜4. 恒温水槽5. 酸碱度计6. 色谱仪实验原理1. 分析天平分析天平是用来测量物质质量的仪器。
其原理是通过电磁感应平衡重物的重力。
通过将被测物置于称盘上并调整电流，使称盘平衡时电磁铁产生的力与重力相等，从而测得物质的质量。
2. 毛细管毛细管是用来测量液体粘度、表面张力和液体浓度的仪器。
其原理是通过放置细型管道，使液体在毛细管中上升的高度与液滴头部观察到的张力相等，进而测得液体相关的参数。
3. 显微镜显微镜是用来放大物体的仪器。
其原理是通过透镜将物体的像放大，达到观察微小物体的目的。
显微镜通常带有多倍放大的物镜和目镜，通过调节物镜和目镜的距离，可以得到不同倍数的放大倍数。
4. 恒温水槽恒温水槽是用来控制液体温度的仪器。
通过水槽底部的加热装置和温控系统，使水槽内的液体始终保持设定的温度。
恒温水槽通常用于需要精确控制温度的实验，如催化反应、生物学实验等。
5. 酸碱度计酸碱度计是用来测量溶液酸碱性的仪器。
其原理是根据酸碱溶液在不同pH值下的电解电导率，通过电流检测和测量得出溶液的酸碱度。
6. 色谱仪色谱仪是用来分析样品中的化学成分的仪器。
其原理是通过样品在固定相和液相的相互作用下，根据不同成分的相对吸附性和分离速度来分离和测量化学物质。
实验步骤和结果1. 使用分析天平测量一块铁块的质量为20g。
2. 使用毛细管测量一滴水的表面张力为0.076 N/m。
3. 使用显微镜观察一块植物叶片，放大倍数为100倍。
4. 使用恒温水槽将一杯水温度控制在25C。
5. 使用酸碱度计测量一杯碱性溶液的pH值为9。
6. 使用色谱仪分析果汁中的某种成分，得到峰值的保留时间为10.2分钟。
注意事项1. 使用天平时，应将被测物放置在称盘中央，并避免震动、风力等外界干扰。
2. 使用毛细管时，应注意保持环境的安静和稳定，并避免触摸和遮挡液滴。
分子振动频率
分子振动频率摘要本文将深入探讨分子振动频率的相关概念、计算方法、影响因素以及应用领域。
我们将首先介绍分子振动的基本原理，然后探讨不同振动模式的分类和计算方法。
接下来，我们将讨论影响分子振动频率的因素，包括分子结构、键的类型和键的强度等。
最后，我们将介绍分子振动频率在化学、物理和生物学等领域的重要应用，并展望未来的研究方向。
介绍分子振动是指分子中原子的相对位置随时间的变化。
分子中的原子通过化学键相互连接，在平衡位置附近发生振动运动。
这些振动可以看作是分子内部的微小弹性运动，其频率与振动模式有关。
分子振动频率对于了解分子结构、物质性质以及化学反应的机理具有重要作用。
分子振动模式的分类和计算方法分子振动模式可以分为基本振动和非基本振动两类。
基本振动是在分子最稳定构型附近发生的振动，而非基本振动则是相对于基本振动而言的高能态振动。
基本振动可以进一步分为伸缩振动、弯曲振动和扭曲振动等几种不同的模式。
计算分子振动频率的方法主要有理论计算和实验测定两种。
理论计算方法包括量子力学方法和分子力学方法。
量子力学方法基于薛定谔方程对分子进行数值求解，可以给出分子振动频率的精确值。
分子力学方法则是基于经验势能函数对分子进行近似计算，计算速度快但精度较低。
实验测定分子振动频率的方法主要有红外光谱和拉曼光谱等。
影响分子振动频率的因素分子振动频率受多种因素的影响，包括分子结构、键的类型和键的强度等。
1.分子结构：分子的大小和形状对其振动频率有明显影响。
较大的分子在相同的振动模式下具有较低的频率，而不同形状的分子在相同的振动模式下可能有不同的频率。
2.键的类型：分子内的化学键类型也是影响振动频率的重要因素。
不同类型的化学键具有不同的弹性常数，从而影响振动频率的大小。
例如，氢键的振动频率通常比共价键更低。
3.键的强度：分子中的化学键强度也会影响振动频率。
强键通常具有高的振动频率，而弱键则具有低的振动频率。
分子振动频率在不同领域的应用分子振动频率在化学、物理和生物学等领域有着广泛的应用。
四氯化碳的拉曼光谱及其退偏度 相关实验
和 来表示。 表示的是平均极化率，是
“平均”极化的度量，相应的 是各向异性 率，表示的是各向异化的度量。如果振动是 完全对称的，那么 为零，如果振动是完全 不对称的，那么 为零。 从参考文献 1 中可以知道对于 CCl4 的不 同振动的退偏度为：
波数绝对值/cm-1 458 218 776 314
表 3 CCl4 斯托克斯线的退偏度计算 振动 模式 E1 T2 A1 T1*
I I //
1239
1340
236
260
1558
170
0.79
0.78
0.05
0.79
0.75
0.75
0
0.75
*取波数为 766cm-1 的峰计算 结语 本文根据拉曼光谱的相关理论，应用 LRS-III 型拉曼光谱仪，测量了 CCl4 的拉曼光 谱及其退偏度性质。 本实验获得的拉曼光谱 图以及退偏度和理论以及前人实验相符。 使 用简单的仪器和测量条件得到这样的结果， 说明拉曼光谱是一种简单有效的确定分子 结构和振动特性的方法， 还有更多的内容可 以在以后的实验中继续进行。
四氯化碳的拉曼光谱及其退偏度 相关实验
安克难1 白翠琴2 （上海市复旦大学物理系 上海 200433）
摘要：使用 LRS-III 型激光拉曼光谱仪得到了四氯化碳（CCl4）的激光拉曼光谱图。并 设计实验通过计算机处理数据得到退偏度，结果和理论值相比符合。从实验中了解 简单的通过拉曼光谱得到分子结构的方法，加深了对拉曼光谱技术的理解。 关键字：激光拉曼光谱，四氯化碳，退偏度，近代物理实验
1
在拉曼光谱中共能找到对称的四对峰。 分别 对应着四种振动模式的斯托克斯线和反斯 托克斯线。 2.3. 拉曼散射的退偏度 在拉曼散射中， 当电磁波与分子与系统 作用时，电磁波的偏振状态常常改变，这种 现象叫做退偏。 退偏度衡量了分子振动的对 称程度。在本实验中定义为 1：
化学计算与测量实验之实验4_分子振动
实验4 分子振动实验目的（1）完成H2O分子、CO2分子、氯代环丙烷分子、正丁酸分子的计算，掌握红外光谱的吸收图的绘制和每个振动的模式的分子图；找出实验的数据进展比照（2）从理论上剖析振动光谱、简振模式，以与简振模式与振动光谱的对应关系。
（3）掌握红外光谱与Raman光谱的识别，掌握谱图中峰的识别计算方法用密度泛函的B3LYP方法，在含有弥散函数的AUG-cc-pVDZ基组水平上，对分子做对称性限制的优化。
在优化构型的根底上，进展简振频率、IR强度、Raman活性和简振模式的计算。
计算使用Gaussian98程序包。
这是一个关于有机分子振动光谱的实验，涉与简振频率、红外光谱、拉曼光谱以与简振模式的计算。
主要分析讨论简振模式的振动方式与分类、简振模与振动光谱的对应关系等。
振动分析的结果会给出分子的全部振动模式。
分子中的各个原子被放在一个称为标准取向的笛卡尔直角坐标系中。
各个原子的振动那么在该点的一个平行子坐标系中给出其在各轴上的分量。
Chemcraft程序那么可以直接转换成矢量形式，并动态模拟各个模式的振动。
其频率值和振动的红外和拉曼强度也同时给出。
注意要分析两种不同振动光谱产生的原因以与强度与振动的关系。
本实验依旧使用SchrÖdinger equation与The Born-Oppenheimer Approximation，公式如下：双原子分子振动能量：当v=0时，能量最低，即在绝对零度时，振动能量为1/2。
该能量也被称为零点能。
红外光谱红外光谱法是一种根据分子对特定频率的波的吸收来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
物质产生红外吸收光谱必须满足两个条件：①电磁波能量与分子两能级差相等，这决定了吸收峰出现的位置。
②分子振动时其偶极矩必须发生变化。
拉曼光谱是一种散射光谱。
拉曼光谱分析法是与入射光频率不同的散射光谱进展分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
化学位移偏移(offset)的演化_概述说明
化学位移偏移(offset)的演化概述说明1. 引言1.1 概述本文主要探讨化学位移偏移的演化过程。
化学位移偏移是指分子中化学键处的原子核磁共振谱峰在不同环境条件下发生的位置变化。
它广泛应用于材料科学、生物医药领域和环境监测等领域。
1.2 文章结构本文共分为五个部分进行论述。
首先，在引言部分将对文章涉及的内容进行概述和说明，明确研究目的。
接着，在第二部分将介绍化学位移偏移的定义和解释以及历史背景，并探讨影响因素。
然后，在第三部分将详细介绍演化过程的理论模型，包括分子动力学模拟方法、量子化学计算方法以及实验研究方法。
在第四部分，将重点介绍化学位移偏移在材料科学、生物医药领域和环境监测中的应用与进展。
最后，在结论与展望部分对主要观点和发现进行总结，并对未来研究方向提出展望和建议。
1.3 目的本文旨在系统地概述化学位移偏移的演化过程，并探讨其理论模型和应用领域。
通过对化学位移偏移的深入研究，可以更好地理解分子在不同环境中的行为规律，为材料科学、生物医药和环境监测等领域提供理论基础和实验指导。
同时，通过展望未来的研究方向，希望能够推动该领域的发展和进步。
2. 化学位移偏移的演化2.1 定义和解释化学位移偏移是指在核磁共振（NMR）技术中，原子或分子的核在磁场中所受到的影响。
它是一种测量物质结构和性质的重要方法。
化学位移偏移通过衡量特定核素的信号频率与参考标准之间的差异来表征分子内部原子或分子团的环境。
2.2 历史背景化学位移偏移最早由瑞士物理学家Felix Bloch和美国物理学家Edward Mills Purcell于1946年在核磁共振实验中观察到。
随后，化学位移偏移成为核磁共振技术中不可或缺的一部分，并在化学、生物医药、材料科学等领域得到广泛应用。
2.3 影响因素化学位移偏移受多种因素影响，包括但不限于以下几个方面。
首先，局部电子环境对化学位移具有显著影响。
电子云密度、电荷分布以及电子环境中存在的各种相互作用会对化学位移产生调控作用。
第四章 比热和相变潜热
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24
第四章 比热与相变潜热
比热测量——冷却法（下落法）
➢下落法等温水卡计
结构与冰卡计类似。但误差较大。 测试时试样加热后落入水卡计，用 读数精度±0.0005℃的贝克曼温度 计或热电堆测定水卡计温升，再根 据已知的水卡计热容量求出试样释 放热量。与冰卡计一样同一温度需 要两次实验。
当温度很低时， hv>>kT，上式可化为：
cv
3Nk
h
kT
2 eh
kT
T趋于零时，cv也趋于零。
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第四章 比热与相变潜热
比热理论
➢固体比热
德拜比热理论：
爱因斯坦理论只是定性符合比热变化规律，但定量上还有很大差别。 主要原因是只考虑了一种频率，忽略了其他可能存在德振动频率。
1912年德拜(Debye)把固体当作一个连续弹性媒质，并应用求电磁波
热比较连续加热法(DTA) 热相似连续加热法(DSC) 定常流量加热法 热损相消加热法 其它
20
第四章 比热与相变潜热
比热测量——冷却法（下落法）
冷却法大量用于测定固体在高于室温下的比热，在不发生相变的温 度范围内，有很高的精度。测定时，通常将试样从炉温下落入量热 计中(处于室温或冰点温度)直接测量试样焓的变化，一般用来直接测 量平均定压比热，多个温度点测量得到焓值光滑曲线后进行微分也 可求得试样的定压比热：
translation rotation
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vibration 7
第四章 比热与相变潜热
比热理论
➢气体比热
单原子分子气体
E
3 2
N0kT
3 2
RT
统计热力学
第七章统计热力学基础热力学：基础：三大定律研究对象：（大量粒子构成的）宏观平衡体系研究方法：状态函数法手段：利用可测量量p-T-V+C p,m和状态方程结果：求状态函数（U,H,S,G,等）的改变值，以确定变化过程所涉及的能量和方向。
但是，热力学本身无法确定体系的状态方程，需借助实验。
很显然，体系的宏观热力学性质取决于其微观运动状态，是大量粒子微观运动的统计平均结果。
热力学宏观性质体系的微观运动状态统计热力学统计热力学：基础：微观粒子普遍遵循的（量子）力学定律对象：大量粒子所构成的体系的微观运动状态工具：统计力学原理目的：大量粒子某一性质的微观统计平均的结果（值）与系统的热力学宏观性质相关联。
7.1概述统计热力学是宏观热力学与量子化学相关联的桥梁。
通过系统粒子的微观性质（分子质量、分子几何构型、分子内及分子间作用力等），利用分子的配分函数计算系统的宏观性质。
微观运动状态有多种描述方法：经典力学方法是用粒子的空间位置（三维坐标）和表示能量的动量（三维动量）描述；量子力学用代表能量的能级和波函数描述。
由于统计热力学研究的是热力学平衡系统，不考虑粒子在空间的速率分布，只考虑粒子的能量分布。
这样，宏观状态和微观状态的关联就转化为一种能级分布（宏观状态）与多少微观状态相对应的问题，即几率问题。
Boltzmann给出了宏观性质—熵(S)与微观性质—热力学几率(Ω)之间的定量关系：S k=Ω。
ln热力学平衡系统熵值最大，但是通过概率理论计算一个平衡系统的Ω无法做到，也没有必要。
因为在一个热力学平衡系统中，存在一个微观状态数最大的分布（最概然分布），摘取最大项法及其原理可以证明，最概然分布即是平衡分布，可以用最概然分布代替一切分布。
因此，有了数学上完全容许的ln ln W D,max。
所以，S=k ln W D,max这样，求所有分布的微观状态数—热力学几率的问题转化为求一种分布—最概然分布的微观状态数的问题。
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实验4 分子振动
实验目的
（1）完成H2O分子、CO2分子、氯代环丙烷分子、正丁酸分子的计算，掌握红外光谱的吸收图的绘制和每个振动的模式的分子图；找出实验的数据进行对比
（2）从理论上剖析振动光谱、简振模式，以及简振模式与振动光谱的对应关系。
（3）掌握红外光谱与Raman光谱的识别，掌握谱图中峰的辨认
计算方法
用密度泛函的B3LYP方法，在含有弥散函数的AUG-cc-pVDZ基组水平上，对分子做对称性限制的优化。
在优化构型的基础上，进行简振频率、IR强度、Raman活性和简振模式的计算。
计算使用Gaussian98程序包。
这是一个关于有机分子振动光谱的实验，涉及简振频率、红外光谱、拉曼光谱以及简振模式的计算。
主要分析讨论简振模式的振动方式与分类、简振模与振动光谱的对应关系等。
振动分析的结果会给出分子的全部振动模式。
分子中的各个原子被放在一个称为标准取向的笛卡尔直角坐标系中。
各个原子的振动则在该点的一个平行子坐标系中给出其在各轴上的分量。
Chemcraft程序则可以直接转换成矢量形式，并动态模拟各个模式的振动。
其频率值和振动的红外和拉曼强度也同时给出。
注意要分析两种不同振动光谱产生的原因以及强度与振动的关系。
本实验依旧使用SchrÖdinger equation与The Born-Oppenheimer Approximation，公式如下：
双原子分子振动能量：
当v=0时，能量最低，即在绝对零度时，振动能量为1/2。
该能量也被称为零点能。
红外光谱红外光谱法是一种根据分子对特定频率的波的吸收来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
物质产生红外吸收光谱必须满足两个条件：
①电磁波能量与分子两能级差相等，这决定了吸收峰出现的位置。
②分子振动时其偶极矩必须发生变化。
拉曼光谱是一种散射光谱。
拉曼光谱分析法是与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
分子振动的过程中，极化率的变化导致拉曼光谱的产生，化学键的伸缩对极化率影响较大，而键角的变化影响则较小。
计算结果
（1）H2O
偶极矩Tot=2.1261
振动模式
化学计算与测量实验之实验4--分子振动
图表 2实验测量所得水分子的红外谱图
分析：水分子是非线独分子，因此有3v-6=3种简正振动方式。
这三种振动方式
3818
1603
3923
Vibrational spectrum
Frequency, cm**-1
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
I R i n t e n s i t y
80 75
70 65 60 55
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 01,603.6933,816.7
3,921.605
图表 1红外光谱的吸收图
化学计算与测量实验之实验4--分子振动
分析实验与理论所得谱图可知二者的特征吸收基本一致。
另外，水分子的拉曼及红外光谱都有三个峰，且位置相同，因为水分子的三种振动模式都能引起偶极距和磁化率的变化，因此既有红外活性，又有拉曼活性。
（2）CO2分子
I R i n t e n s i t y
图表 4 CO2的Raman 光谱图
图表5实验测量所得CO2的IR光谱
比较分析：测量实验得到CO2的IR光谱有2349 和667 /cm 二个吸收峰，与理论值数据基本一致。
在669cm-1 处有面内和面外两种弯曲振动，但二者是简并振动，具有相同的频率，红外光谱无法区分。
CO2分子的红外光谱中频率为1373cm-1的对称伸缩振动不能引起偶极距的变化，因此不具红外活性。
但这种对称伸缩振动使极化率有较大变化，因此拉曼光谱中可以检测出这种振动。
但拉曼光谱中没有669cm-1和2420cm-1的振动，因为这两种振动过程中，669cm-1处极化率没有变化，2420cm-1处的极化率变化相互抵消了，因此没有拉曼活性。
两种光谱相互结合，可以更好的分析分子的振动。
（3）氯代环丙烷
MODE FREQ IR SYM MODE FREQ IR SYM
V2334 0.0243 A’’V151460 5.0882 A’’V3622 25.2575 A’V161495 7.4687 A’
V4769 2.8785 A’V173127 12.2956 A’’V5816 10.0437 A’’V183130 3.6659 A’
V6886 6.6268 A’V193188 3.2558 A’
V7952 8.3638 A’’V203209 0.43 A’’V81053 21.4337 A’V213223 8.091 A’
V91075 2.2915 A’’
V101092 5.7833 A’
V111114 0.6143 A’’
320.16
Cl与C1，C3间的对称弯曲（对称面内的纵向弯曲）
334.16
Cl与C1，C3间的不对称弯曲（对称面内的横向弯曲）
621.74
曲
769.36
816.30
两个CH2的不对称扭转及C—H的平面垂向摆动
885.76
环的对称呼吸振动
951.671052.83
1075.31
两个CH2沿对称面的不对称摇摆
1092.38
两个CH2的对称扭转兼有C——H的摆动
1114.32
两个CH2的不对称扭转及C—H的平面垂向摆动
1187.41
两个CH2的不对称扭转及C—H的平面垂向摆动
1229.17
环的对称呼吸振动
1314.71
环的对称呼吸振动
1459.791494.70
3126.793129.53 3187．81
3209.38 CH2的对称伸缩振动
3222.84
图表1氯代环丙烷分子显示红外光谱的吸收图化学计算与测量实验之实验4--分子振动
化学计算与测量实验之实验4--分子振动
分析：氯代环丙烷为C S对称性，其21个简振模按不可约表示分为12个A’振动模，9个A’’振动模。
与文献值对比，基本符合。
按振动频率高低划分，高频区有5个振动模，它们位于3300~3100cm-1范围，均属C-H的伸缩振动，称为第一类振动。
如上图表中的V17~V21。
剩下的16个振动模分别在300~1500cm-1的低频范围。
其中频率最低的3个振动模，以C-Cl 的振动为特点，称为第二类简振模，如上表中的V1~V3。
其它的13个为以环丙基为特征的振动模，又可细分为3元碳环特征的振动模4个，如上表中的V6,V7，V13，V14，,称为第三类振动模；CH2与C-H相关的振动模9个，称为第四类振动模，如上表中V4,V5，V8~12，V15，V16。
较强的IR吸收发生在低频区，主要有键弯曲引起的偶极变化产生。
例如V14，V3，V8等。
3759
1811
11 / 11。