物理化学实验─HCl气体的红外光谱测定

荧飒学堂∣物理化学实验─HCl气体的红外光谱测定

近期，高等学校教材物理化学实验（第四版，复旦大学等编）出版，在章节实验三十四详细介绍了采用荧飒光学傅里叶红外光谱仪FOLI10-R进行HCl气体的红外光谱测定，通过所测得的光谱信息，我们可以计算出HCl分子的转动惯量、力常数及平衡键距等基本物理参数。让我们一起学习一下如何进行气体的红外光谱测试吧！

我们需要准备红外光谱仪、气体池、压力计以及连接管道和阀门。HCl可以通过浓盐酸挥发产生，具体操作可参考书中介绍及视频内容(https://abooks.hep.com.cn/h5/resource/detail?resourceId=667be774875ef8c632f7dd52&projectId=gqLWEl-7t)。

实验前需要严格检查气体池及管道的密封性，确认无误后，将气体池抽空(压力低于0.1mbar)，在INSA-IR软件中设置好测量参数（光谱范围4000-500 cm–1, 分辨率2 cm–1），测试背景光谱。将HCl放入10 cm气体池中，压力为4 mbar。然后测试其红外光谱，所获得HCl红外光谱如下图所示。

根据所测得的红外光谱，我们可以观察到HCl的多个吸收峰，属于HCl的基频振动–转动光谱，通过该光谱信息，我们可以计算出HCl分子的转动惯量、力常数及平衡键距等基本物理参数。方法如下(详细理论参考书中介绍)：

1. 利用红外光谱软件在谱图中测定出ṽＲ(J″) 和ṽP(J″)各谱带的波数.

2. 依据下式以0.5[ṽＲ(J″)–ṽP(J″)]/[(2J″+1)]对2[(J″+1)3＋(J″)3]/[(2 J″+1)] ( J″=1,2,3,…)作图,由斜率获得离心变形常数D, 由截距获得转动系数 Bv′。

ṽＲ(J″)–ṽP(J″) = 2(2J″+1)Bv’ – 4 [(J″+1)3+2 (J″)3]D       ( J″=1,2,3,…)

3. 依据下式以 0.5[ṽＲ(J″)+ṽP(J″+2)]/[(2J″+3)]对2[(J″+1)3+ (J″)3]/[(2 J″+1)] ( J″=1,2,3,…)作图,由斜率获得离心变形常数 D,由截距获得转动系数B0。

ṽＲ(J″)+ṽP(J″+2) = 2(2J″+3)B0 – 4 [(J″+1)3+ (J″+2)3]D       ( J″=1,2,3,…)

4. 依据下式计算转动惯量 I’和 I’’，进而依据下式计算分子的平衡键距re’和re’’。

I = μre2 (μ = m1m2/(m1+m2))  B = h/8π2cl

5. 将光谱中 ΔJ =0的谱峰位置近似为ve 值,通过下式估算化学键的力常数k,计算解离能De和D0。

ve = 1/2π(k/μ)1/2   D0 = De – 1/2hve

 除了能观察到HCI的振动-转动光谱，我们同样能观察到与HCI相类似的HBr气体振动-转动的吸收光谱，经过测量，可以发现谱图发生了明显的红移，如下图所示：

HBr的基频振动–转动光谱

在该教材中还提到，提高红外分辨率，可以辨别H35Cl和H37Cl的吸收，荧飒光学傅里叶红外光谱仪FOLI10-R的分辨率可以升级到优于0.5 cm–1，并且支持定制各种光程和材质的气体池，满足高校及科研用户对气体离线分析、在线分析的需求，欢迎大家咨询讨论。

小口径直通气体池

大口径直通气体池

长光程气体池