东华大学材料结构表征及其应用作业答案讲课稿

“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（1H NMR）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1H NMR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1H NMR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1H NMR来研究该单体产生聚合反应的动力学？