高分子材料分析测试与研究方法资料

第二章《红外光谱》习题答案
1. 什么是红外光谱图
答：当一束连续变化的各种波长的红外光照射样品时，其中一部分被吸收，吸收的这部分光 能就转变为分子的振动能量和转动能量；另一部分光透过，若将其透过的光用单色器进行色 散，就可以得到一谱带。若以波长或波数为横坐标，以百分吸收率或透光度为纵坐标，把这 谱带记录下来，就得到了该样品的红外吸收光谱图，也有称红外振-转光谱图。
11. 多原子分子振动的形式如何计算？并举例说明。
答：（1）对于非线性分子，其分子振动的形式计算式为：3n-6,其中 n 为分子中所含原子数； （2）对于线性分子，其分子振动的形式计算式为：3n-5。例如：非线性分子水分子的分子 振动形式有 3 个，分别为：2 个 O-H 的伸缩振动和 1 个 HOH 的键角弯曲振动；线性分子二 氧化碳分子的分子振动形式有 4 个，分别为：对称伸缩振动、反对称伸缩振动、面内弯曲振 动和面外弯曲振动。
13. 什么叫基频带、倍频带？
答：基频带：分子吸收光子后，从一个能级跃迁到相邻高一级能级产生的吸收。倍频带：分 子吸收比原有能量大一倍的光子后，跃迁两个以上能级产生的吸收峰。
14. 色散型红外光谱仪由哪几部分组成，各有何作用？
答：色散型红外光谱仪主要由光源，吸收池，单色器，检测器，电子放大器和记录系统六部 分组成。光源：能够发射高强度连续波长红外光的物体；吸收池：吸收红外光；单色器：把 通过样品槽和参比槽进入入射狭缝的复色光分解为单色光射到检测器上加以测量；检测器： 把红外光信号变成电信号；电子放大器：由于检测器产生的信号很微小，因此，必须将信号 放大，才能用机械系统记录成红外光谱；记录系统：记录信号，打印谱图。
12. 分子振动吸收的条件？
答：（1）振动的频率与红外光光谱段的某频率相等，吸收了红外光谱中这一波长的光，可以 把分子的能级从基态跃迁到激发态，这是产生红外吸收光谱的必要条件。 （2）偶极矩的变化： 已知分子在振动过程中，原子间的距离（键长）或夹角（键角）会发生变化，这时可能引起 分子偶极矩的变化，结果产生了一个稳定的交变电场，这个稳定的交变电场将和运动的具有 相同频率的电磁辐射电场相互作用，从而吸收辐射能量，产生红外光谱的吸收。
第一章《绪论》习题答案
1. 材料的定义?
答：用以制造有用的构件、器件或其它物品的物质。也可以说是将原料通过物理或化学方法 加工制成的金属、无机非金属、有机高分子和复合材料的固体物质。它们一方面作为构件、 器件或物品的原材料或半成品，如金属、有机高分子、木材、人造纤维、天然石材和某些玻 璃等；另一方面可以在某些工艺中作为最终产品，如陶瓷和玻璃制品。
16. 红外光谱样品的制备方法
答：1)固体样品的制备 a.压片法 b.糊状法:c.溶液法 2)液体样品的制备 a.液膜法 b.液体吸收池法 3)气态样品的制备:气态样品一般都灌注于气体池内进行测试 4)特殊样品的制备—薄膜法 a.熔融法 b.热压成膜法 c.溶液制膜法
17. 简述：固体样品的制备—卤化物压片法.
4. TG 曲线上的斜率代表什么?
答：曲线斜率发生变化的部分表示质量的变化。
5. DTG 曲线的含义是什么?
答：它表示质量随时间的变化率（失重速率）与温度（或时间）的关系。
6. 影响 TG 曲线分析的因素有哪些?
答：仪器因素：（1）炉内气氛，（2）升温速率，（3）坩埚材料，（4）支持器和炉子的几何形 状，（5）走纸速度，记录仪量程，（6）天平和记录机构的灵敏度；样品因素：（1）样品量， （2）样品的几何形状，（3）样品的装填方式，（4）样品的属性。
2. 红外光谱仪基本工作原理
答：用一定频率的红外线聚焦照射被分析的试样，如果分子中某个基团的振动频率与照射红 外线相同就会产生共振，这个基团就吸收一定频率的红外线，把分子吸收的红外线的情况用 仪器记录下来，便能得到全面反映试样成份特征的光谱，从而推测化合物的类型和结构。
3. 红外光谱可分为哪几个区域，各区域的分子跃迁类型和适用范围?
动
动
扭转振动
10. 影响吸收带位置的因素？
答：影响吸收带位置的因素很多，有外在的、人为的因素，也有内在的、本质的因素。（1） 外在因素：制备样品的方法、样品所处的物态、结晶条件、仪器系统的调节等，均能影响吸 收带的位置、强度及形状。（2）内在因素：l）质量效应：对于同族元素，由于彼此质量差别 较大，随着原子的质量增大，它与同一元素形成的化学键的吸收带波数明显地减小。2）电 负性的影响：同一周期元素因质量差别很小，电负性差别起主导作用，电负性越大，化学键 强度越大，因而，随着电负性增大，它们与同一元素形成的化学键的吸收波数增大。3）物 质状态的影响：物质的红外光谱因物质的状态不同而不同。在气态时，分子的距离较远，分 子间的相互作用很小。但液态或固态时，因分子间的作用增强而使基团的振动频率降低。在 固相晶格中，相互作用最大，因而形成的吸收带比在非晶态或液态中更加尖锐，而且振动频 率降低。
第三章《热分析》习题答案
1. 什么叫热分析?
答：答：热分析是在程序控制温度下，测量物质的物理或化学性质与温度的关系的一类技术。
2. 热分析的三大支柱?
答：热重（TG）和差热分析（DTA），其次是差示扫描量热法（DSC），这三者构成了热分析 的三大支柱。
3. 热重分析仪有哪几种?各有何区别?
答：有两种,分别是热天平式和弹簧秤式。其区别在于:热天平式中采用的精确天平作为称重 仪器,而弹簧秤式中采用高精度弹簧秤作为称重仪器.另外，热天平式中通过平衡复位器中的 线圈电流与试样质量变化成正比，因此，记录电流的变化即能得到加热过程中试样质量连续 变化的信息;而弹簧秤式中利用弹簧的伸张与质量成比例的关系，所以可利用差动变压器将 弹簧的伸张量转换成电信号进行自动记录。
19. 什么叫基团频率？
答：与有机化合物中的一定结构相联系的振动频率。
20. 官能团区和指纹区的波数范围？
答：官能团区：4000~1300cm-1 区域,是鉴定基团存在的主要区域，是由伸缩振动产生的吸 收带，为化学键和基团的特征吸收峰，吸收峰较稀疏。指纹区：1300~650cm-1 区域，能反 映分子结构的细微变化，吸收光谱较复杂，除单键的伸缩振动外，还有变形振动。
18. 红外光谱波数范围有哪几个区，各区具有代表性的振动有哪些？
答：常见的有四个区：（1）4000-2500cm-1：X-H 伸缩振动区，X 可以是 O、H、C 和 S 原 子；代表性振动：O-H，N-H，C-H 和 S-H 键的伸缩振动。（2）2500-1900cm-1：叁键和累 积双键区，主要包括炔键-CΞC-,腈基-CΞN,丙二烯基-C=C=C来自百度文库,烯酮基-C=C=O,异氰酸酯基N=C=O 等的反对称伸缩振动。（3）1900-1200cm-1：双键伸缩振动区，主要包括： C=C,C=O,C=N,-NO2 等的伸缩振动，芳环的骨架振动等。（4）<1650cm-1：X-Y 伸缩振动 及 X-H 变形振动区，这个区域的光光谱比较复杂，主要包括 C-H、N-H 变形振动，C-O、 C-X（卤素）等伸缩振动，以及 C-C 单键骨架振动等。
5. 分子运动的形式有哪些?
答：分子的运动可分为平动、转动、振动和分子内电子的运动。
6. 什么叫伸缩振动，弯曲振动，变形振动，摇摆振动和卷曲振动？
答：伸缩振动：指原子沿价键方向来回运动。弯曲振动：是指原子沿垂直于价键的方向运动。 变形振动：是使分子基团键角发生变化的振动。摇摆振动：在这种弯曲振动中，基团的键角 不变，只是作为一个整体相对于分子平面摇摆。卷曲振动：分子基团围绕与基团相连分子的 价键扭动。
4. 高分子材料研究方法的内容有哪些？
答：材料结构研究的基本方法：任务有三个：成分分析、结构测定和形貌分析。成分分析： 光谱：红外：分析材料的主要基团；色谱：分析材料的组成特征；热谱：分析材料的热性能； 质谱：分析化合物的分子量和元素组成。结构测定：X-衍射：晶体结构。举例：蒙脱土。电 子衍射：测定细微晶体的亚微米结构，来分析表面或涂层的结构。中子衍射：测定材料的缺 陷、空穴等，还可研究生物大分子在空间的构型。俄歇电子能谱：是用一束汇聚电子束，照 射固体后在表面附近产生了二次电子。由于俄歇电子在样品浅层表面逸出过程中没有能量的 损耗，因此从特征能量可以确定样品的元素成分。图像分析：扫描电镜：分析材料的表面形 貌；透射电镜：分析材料的颗粒大小，晶体材料的缺陷等。
答：如下表格所示：
分子跃迁类型 适用范围
近红外 泛频，倍频 有机官能团 定量分析
中红外
远红外
分子振动和转动
晶格振动和纯转动
分 子 结 构 分 析 和 样 无机矿物和金属
品成分分析
有机物
4. 红外光谱吸收谱的位置和强度与相应化合物的结构有何关系?
答：位置与化合物中的官能团的种类有关；强度与该官能团的数量有关。
7. 什么叫差热分析?
答：是在程序控制温度下测量物质和参比物之间的温度差和温度关系的一种技术。
8. 差热分析仪的主要组成?
答：差热分析仪由加热炉、支持器、程序温度控制单元、差热放大单元和记录仪组成。
9. 差热分析仪的工作原理?
答：(1)处在加热炉中的试样和参比物在相同条件下加热或冷却,炉温的程序由两支热电偶进 行测定；(2)由于热电偶的电动势与试样和参比物之间的温差成正比,该电动势经放大后,由记 录仪即可得到试样的 ΔT-T 的关系曲线；(3)温度相等,则 ΔT=0,表示热电偶无信号输出,记录 仪上记录温差的笔划一条直线,称为基线;当试样温度上升到某一温度发生热效应时,ΔT≠0,表 示热电偶有信号输出,这时就偏离基线而划出曲线。
8. 什么叫偶极矩？
答;两个等量而异号的电荷所组成的系统,一个电荷的电量和两电荷间距离的乘积称电偶极子 的偶极距.它是矢量,方向沿两电荷的连线,
9. 详述分子振动的类型. 分子振动
伸缩振动
弯曲振动
对称伸缩振 动
变形振动
摇摆振动
卷曲振动
不对称伸缩 振动
面内变形振 面内摇摆振
动
动
扭曲振动
面外变形振 面外摇摆振
7. 红外光谱特点
1. 红外吸收只有振-转跃迁，能量低； 2. 应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收； 3. 分子结构更为精细的表征：通过红外光谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、
分子结构； 4. 分析速度快； 5. 固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 6. 与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能； 7. 可以进行定量分析；
21. 通过红外光谱法鉴定化合物的方法有哪些？
答：（1）否定法：如果某个基团的特征频率吸收区，找不到吸收峰，可判断样品中不存在该 基团。（2）肯定法：如果能找到某个基团的特征频率吸收区，可判断样品中存在该基团。
22. 说出乙酸乙酯红外光谱图中各波数所对应的基团。
答：3000cm-1：νC-H；1750cm-1：νC=O；1400-1600cm-1：δC-H；1250cm-1:νO=C-O， 1050cm-1:ν–O-CH-。
15. 红外光谱测试中的制样要求？
答：（1）不含水。试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会 侵蚀吸收池的盐窗。（2）纯度高。试样应该是单一组份的纯物质，纯度应>98%或符合商业规 格，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、 重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。（3）浓度和厚度适当。 试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于 10%~80% 范围内。
答：也叫碱金属卤化物锭剂法。由于碱金属卤化物（如 KCl、KBr、KI 以及 CsI 等）加压后变 成可塑物，并在中红外区完全透明，因而被广泛用于固体样品的制备。一般将固体样品 l～ 2mg 放在玛瑙研钵中，加 100～200mg 的 KBr 或 KCl，混合研磨均匀，使其粒度达到 2.5µm 以下。将磨好的混合物小心倒入压模中，加压成型，就可得到厚约 0.8mm 的透明薄片。
2. 材料与人类的关系?
答：关系密切，人类进步的里程碑。（1）当代文明的三大支柱：材料、信息与能源；（2）新 技术革命的主要标志：新材料、信息技术和生物技术。（3）人类文明进步的标志：石器、青 铜器、铁器和蒸汽机时代。
3. 材料的使用性能、固有性质、结构组成和合成方法之间的关系？
答：材料结构与性能的关系：材料的性能是材料内部因素在一定的外部因素下的综合反映： 材料的固有性质大都取决于物质的电子结构、原子结构和化学键结构。物质的组成与结构取 决于材料的制备和使用条件。