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物理化学实验─HCl气体的红外光谱测定

荧飒光学 (INSA Optics)

2024/10/22 10:59

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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(J″) 和P(J″)各谱带的波数.

2. 依据下式以0.5[(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′

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

3. 依据式以 0.5[(J″)+P(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

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

4. 依据式计算转动惯量 I’和 I’’进而依据式计算分子的平衡键距rere’’

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,通过式估算化学键的力常数k,计算解离能DeD0

ve = 1/2π(k/μ)1/2   D0 = De 1/2hve

 除了观察到HCI的振动-转动光谱,我们同样观察到与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


教材提到,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。



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