现代科学分析方法重点及及解答

现代科学分析方法重点及及解答1.紫外光谱，荧光光谱在材料研究中的应用（1）分子内的电子跃迁有哪几种，吸收最强的跃迁是什么跃迁？形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成对的孤对电子n电子。成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π*；非键轨道n。1）、σ-σ*跃迁它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，为强吸收带。2）、n-σ*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区3）、π→π*跃迁π电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小，若无共轭，与n→σ*跃迁差不多。200nm左右，吸收强度大，强吸收。4）、n→π*跃迁n电子跃迁到反键π*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200~400nm左右，吸收强度小，弱吸收吸收最强的跃迁是：π→π*跃迁（2）紫外可见吸收光谱在胶体的研究中有重要作用，请举出三个例子来说明，并结合散射现象来讨论二氧化钛胶体和粉末漫反射光谱的差异。举例：1）、胶体的稳定性，尤其是稀释后的稳定性；2）、胶粒对可见光的散射；3）、测定消光（包括吸收、散射、漫反射等对光强度造成的损失）稀释条件下，胶粒尺寸小于光波长的1/20，瑞利散射可忽略。4）、估算晶粒的大小。5）、尺寸效应，会发生吸收边的蓝移或是红移，可以用来像是CdS和CdSe的量子点。差异：当测定二氧化钛的溶胶时，按晶粒尺寸的不同，分为两种情况：1）当d＜λ/20时，瑞利散射可以忽略。2）当d＞λ/20时，散射就会十分明显，这样获得是一个消光光谱，而不是吸收光谱，无法测得λonset。用粉末漫反射光谱可以克服上述缺点，得到一个较好的吸收光谱。（3）什么是荧光、磷光、光致发光和化学发光？对应的英文名称分别是什么？荧光(Fluorescence)：从激发态的最低振动能级返回到基态，不通过内部转换而是光辐射失活，则称为荧光。由于一部分能量通过振动能级变化以热能形式放出，所以发射光的波长比吸收光的波长长。磷光(Phosphorescence)：在不同多重态之间发生的无辐射跃迁过程称为系间窜跃。由从激发态的多重态经过振动弛豫到低振动能级，再返回到基态的光辐射跃迁称为磷光。光致发光(Photoluminescence,PL)：是物质吸收光能后发射冷光的现象，称为光致发光。化学发光(Chemiluminescence)：利用化学能源如化学反应得到激发态分子，它在跃迁到基态时产生的发光现象称为化学发光。2.拉曼光谱分析与材料分析3.拉曼光谱与红外光谱的本质区别是什么？本质区别：红外光谱的产生是由于吸收光的能量，引起分子中偶极矩改变的振动；拉曼光谱的产生是由于单色光照射后产生光的综合散射效应，引起分子中极化率改变的振动。红外光谱是吸收光谱，拉曼光谱是散射光谱。（2）为什么拉曼光谱技术通常只检测stocks线？反stocks线可以提供什么信息？根据波尔兹曼定律，在室温下，分子绝大多数处于振动能级基态，由于振动能级间距还是比较大的，因此，所以斯托克斯线的强度远远强于反斯托克斯线。随温度升高，反斯托克斯线的强度增加。拉曼光谱仪一般记录的都只是斯托克斯线。（3）与红外光谱相比，拉曼光谱的优越性有哪些？（1）它适于分子骨架的测定，提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，它无需样品准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英、和光纤测量。（2）不受水的干扰。（3）拉曼一次可以同时覆盖50－4000波数的区间，可对有机物及无机物进行分析。（4）拉曼光谱的谐波和合频带都不是非常强，一般都比红外光谱简单，重叠带很少见到。（5）拉曼光谱使用激光作为光源使其相当易于探测微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶液、气体和许多其他类型的样品。（6）共振拉曼效应可以用来有选择性地增强大生物分子特个发色基团的振动，这些发色基团的拉曼光强能被选择性地增强103到104倍。核磁共振与材料分析1.核磁共振产生的基本条件是什么？为什么12C没有核磁共振信号？核磁共振发生的基本条件：磁性核（I≠0）静磁场与原子核能级裂分匹配的射频12C核自旋量子数I=02.解释化学位移的含义和表示方法。一般地，把分子中同类磁核，因化学环境不同而产生的共振频率的变化量，称为化学位移。观测核与标样共振频率之差:δ=[(νs-νR)/νR]×1064.在1H-NMR谱中，化学位移较大的磁核之间的偶合的一般规则是什么？由于相邻原子核之间的偶合而产生的谱带裂分数遵循2nI+1规律。对于1H，13C等原子核，I=1/2，则变成n+1规律。如果观测的质子相邻几组化学等价的原子核n1,n2,n3,…，且J相等,则该质子裂分成（n1+n2+n3+…,）+1重峰。在裂分的多重峰中，各峰的相对强度之比等于二项式(a+b)n展开式各项系数之比。4.从溶液1HNMR谱能得到哪些信息？(1)吸收峰的组数判断分子中氢的种类；②从化学位移判断分子中基团的类型；③从峰的积分面积计算不同基团中氢的相对数目；④从偶合裂分个数和偶合常数判断各基团的连接关系。5.解释CP/MAS/DD方法中CP、MAS、DD的含义，为什么利用CP/MAS/DD方法能够达到高分辨的目的？CP/MAS/DD方法的优点和缺点是什么？天然丰度低，灵敏度比较低，交叉极化（Cross-polarisation，CP）能够提高灵敏度CP的优点和缺点•经过交叉极化之后，13C信号最多可以增加4倍•弛豫延迟时间只需要是1HT1的3-5倍，•谱图一般不具有定量价值5.红外光谱分析与材料研究（1）红外光谱图可以分成哪几个区？各区吸收峰能分析哪些主要基团？红外光谱分析有哪些主要制样方法？红外光谱图可以分成两个大区，4个小区。两个大区：官能团特征频率区4000~1500cm-1和指纹区1500~400cm-1。4个小区：氢键区4000~2500cm-1，主要分析C－H、O－H、N－H的伸缩振动(1分)叁键区：2500~2000cm-1,主要分析C≡C、C≡N的伸缩振动(1分)双键区：2000~1500cm-1，主要分析C＝C、C＝O、苯的伸缩振动(1分)单键区：1500~400cm-1，主要分析C－C、C－O、C－N的伸缩振动；C－H、O－H、N－H的弯曲振动(1分)（2）主要制样方法：压片法（适用于能磨成粉的样品）涂膜法（适用于能溶解的样品）溶液法（适用于能溶解的样品）薄膜法（溶液成膜，热压成膜，超薄切片）全反射法（适用于橡胶、表面涂层、薄膜等样品）（3）红外光谱的测定原理是什么？利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带也越多。6.5.TEM与SEM研究材料的微观结构1.分别画出简单立方、面心立方和体心立方[112]取向的电子衍射图。2.假定衍射斑点形成正方形，对下面的衍射图进行标定。面心立方体心立方简单立方6.材料的力学性能与服役性能1.叙述变形在材料加工和使用过程中给我们带来哪些益处和问题？益处：材料的变形使其易于成型，对于加工有很大的益处。此外，金属材料可以通过变形达到硬化、强化的目的。问题：变形使得制品的形状发生变化，限制了其使用期限，也会使其力学性能受到一定程度的影响.2.材料的强化方法有哪些？举出一种金属、陶瓷和高分子三种材料通用的强化方法。材料常用的强化方法：固溶强化、热处理强化、细晶强化、形变强化、相变强化（沉淀强化、马氏体强化）、晶界强化、弥散强化、时效强化、纤维强化、辐照强化、综合强化（如：固溶强化十形变强化、结晶强化+沉淀强化、马氏体强化+表面形变强化、固溶强化+沉淀强化）金属、陶瓷和高分子三种材料通用的强化方法：分散强化（弥散强化）、纤维强化。3.MSP小样品试验法可以测试哪些力学性能？请列举出3种。MSP强度（屈服和断裂）、弹性模量、疲劳强度及剩余寿命。（常温）MSP高温强度、韧脆转变温度和蠕变性能参数。（高温）力电耦合场下的断裂强度、疲劳强度。（电场）7.流体的流变性能1、简述流变体的分类，写出其应力应变关系？欧几里德刚体：（也称绝对刚体）粘度趋向于无穷大时，在外力作用下不发生任何形变。帕斯卡流体：粘度趋向于0，是超流体。虎克体：k高弹体：)1(nRT——（n为交联密度；R为气体常数；T为温度；为拉伸比）粘弹体：dtddtd（Maxwell模型），dtdE（开尔文模型）牛顿流体：非牛顿流体：annKK)(1n1，切力增稠；n=1，牛顿流体；n1，切力变稀2、简述高聚物流体的流变特性？（1）高粘度和粘度形变速率的依赖性（2）存在法向应力效应（3）存在力学松弛现象（4）存在拉伸粘度及可纺性3、简述影响高聚物流动特性的主要因素？（1）剪切速率的影响：随着剪切速率的增大，粘度开始不变，当剪切速率达到某一临界值时，粘度开始变小，出现切力变稀。随着剪切速率的继续增加，当达到另一临界值时，粘度不再变化，趋向于（2）分子量的影响：分子量变大，粘度变大。（3）分子量分布的影响：分子量分布宽则在低剪切应力下，开始出现切力变稀现象。（4）温度的影响：TAe/（表观粘度）时温等效关系（WLF方程）)(6.51)(44.17logggrTTTTa8.DSC和DMA在材料分析中的应用1.简述差示扫描量热法（DSC）的原理，列举DSC在材料研究中的应用，玻璃化转变温度如何获得？答：示差扫描量热法（DSC）指在相同的程控温度变化下，用补偿器测量样品与参比物之间的温差保持为零所需热量对温度T的依赖关系，它在定量分析方面的性能明显优于DTA。DSC谱图的的纵坐标为单位质量的功率(mW/g)。与DTA相比，DSC对热效应的相应更快、更灵敏、峰的分辨率更好，更有利于定量分析。示差热分析利用了装置在试样和参比物下面的两组补偿加热丝，当试样在加热过程中由于热反应而出现温度差△T时，通过差热放大和差动热量补偿使流入补偿丝的电流发生变化。当试样吸热时，补偿使试样一边的电流(Is)立即增大；反之，在试样放热时则是参比物一边的电流增大，直至两边热量平衡，温度△T差消失为止。试样在热反应时发生的热量变化，由于及时输入电功率而得到补偿，补偿的功率则反应了对应转变发生的程度，能定量表达。DSC在材料研究中的应用聚合物的玻璃化转变及共混相容性的研究聚合物和小分子化合物结晶和熔融行为氢键相互作用及凝胶转变温度聚合物的结晶温度、结晶度结晶动力学分析玻璃化转变受样品聚集态结构的影响，表现在转变温度的高低和转变锋的强弱（明显或不明显）。我们通常把玻璃态与高弹态之间的转变，称为玻璃化转变，它所对应的转变温度即是玻璃化转变温度，或是玻璃化温度。目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分析（DTA）和差示扫描量热分析法（DSC）。DSC具体指，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方向移动。假设A点是开始偏离基线的点。将转变前后的基线延长，两线之间的垂直距离为阶差ΔJ，在ΔJ/2处可以找到C点，从C点作切线与前基线相交于B点，B点所对应的温度值即为玻璃化转变温度Tg。1.DSC测试对样品的要求？影响测试结果的因素有哪些？答：1）样品量样品量少使峰尖锐，分辨率高；样品