东华大学材料结构表征及其应用作业答案.docx

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-1α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-1D 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？4.717.275.61 7.387.275.187.386.63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？41 3796 82 5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。