用中紅外光譜分析鋁酸鈣分子結(jié)構(gòu)及熱變性

張美環(huán) 劉榮 趙毅哲 秦佳慧 孟露 于宏偉 / 石家莊學(xué)院

0 引言

鋁酸鈣是一種重要的無機(jī)化學(xué)品，除了廣泛應(yīng)用于玻璃[1-2]、水泥[3-4]及耐火材料[5-6]等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還應(yīng)用在環(huán)境工程[7-8]、石油化工[9]、塑料助劑[10-11]及口腔醫(yī)學(xué)[12]等領(lǐng)域。鋁酸鈣的廣泛應(yīng)用與其特殊分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。中紅外（MIR）光譜[13-15]及變溫中紅外（TD-MIR）光譜[16-23]廣泛應(yīng)用于化合物結(jié)構(gòu)及熱變性研究領(lǐng)域，但鋁酸鈣的相關(guān)研究未見報(bào)道。本文介紹了鋁酸鈣分子的一維MIR光譜及一維變溫中紅外（TD-MIR）光譜研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

鋁酸鈣（99%，上海麥克林生化科技有限公司），碳酸鈣（分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum 100 型中紅外光譜儀（美國 PE 公司）；Golden Gate 型 ATR-MIR 變溫附件（英國 Specac 公司）；WEST 6100+ 型 ATR-MIR 變溫控件（英國Specac 公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 紅外光譜儀操作條件

采用ATR-MIR 變溫控件，測(cè)試前，鋁酸鈣及碳酸鈣不需要任何處理。以空氣為背景，每次試驗(yàn)對(duì)鋁酸鈣分子和碳酸鈣分子的光譜信號(hào)進(jìn)行8次掃描并累加，測(cè)定頻率范圍4 000～600 cm-1，測(cè)溫范圍303 ～ 573 K，變溫步長(zhǎng) 10 K。

1.3.2 MIR及TD-MIR光譜數(shù)據(jù)

采用美國 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作軟件獲得鋁酸鈣分子和碳酸鈣分子的MIR及TD-MIR光譜數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鋁酸鈣分子一維 MIR 光譜

在303 K溫度下，采用一維MIR光譜開展了鋁酸鈣分子的結(jié)構(gòu)研究（圖1）。

圖1 鋁酸鈣分子一維MIR光譜（303 K）

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鋁酸鈣分子的一維MIR光譜比較簡(jiǎn)單，主要光譜信息集中在 900 ～ 600 cm-1頻率區(qū)間。其特征紅外吸收峰包括：865.84 cm-1（吸收峰 1）、838.64 cm-1（吸收峰 2）、818.93 cm-1（吸收峰 3）、801.15 cm-1（吸收峰 4）、775.68 cm-1（吸收峰 5）、763.15 cm-1（吸收峰 6）、723.19 cm-1（吸收峰 7）、676.04 cm-1（吸收峰 8）和 634.73 cm-1（吸收峰 9）。研究發(fā)現(xiàn)，775.68 cm-1和 676.04 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于鋁酸鈣分子中Al-O鍵的特征紅外吸收模式，而鋁酸鈣分子中Ca-O鍵在900～600 cm-1頻率區(qū)間并沒有特征紅外吸收峰。

2.2 鋁酸鈣分子一維 TD-MIR 光譜

在303～573 K溫度區(qū)間，開展了鋁酸鈣分子一維TD-MIR光譜研究，并進(jìn)一步考查溫度變化對(duì)鋁酸鈣分子熱變性的研究（圖2）。

圖2 鋁酸鈣分子一維TD-MIR光譜（303～573 K）

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)定溫度的升高，鋁酸鈣分子主要特征紅外吸收峰（包括：吸收峰1、吸收峰2、吸收峰3、吸收峰4、吸收峰5、吸收峰7、吸收峰8 和 吸收峰9）對(duì)應(yīng)的吸收頻率發(fā)生了明顯的紅移，而相應(yīng)的吸收強(qiáng)度顯著增加。鋁酸鈣分子的吸收峰6則對(duì)于溫度變化比較敏感，在553 K溫度下吸收峰消失。鋁酸鈣分子主要官能團(tuán)一維TD-MIR光譜數(shù)據(jù)見表1。

表1 鋁酸鈣分子一維 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)（303～573 K）

2.3 碳酸鈣分子一維 MIR 光譜

鋁酸鈣分子中含有氧化鈣，與空氣中的二氧化碳反應(yīng)，有可能生成碳酸鈣。因此，在303 K溫度下，進(jìn)一步開展了標(biāo)準(zhǔn)品碳酸鈣分子的一維MIR光譜研究，見圖3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在1 795.32 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣分子中C=O伸縮振動(dòng)模式（vC=O-碳酸鈣-一維）；1 388.14 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣分子中CO3不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式（vasCO3-碳酸鈣-一維）；1 070.86 cm-1頻率處的較弱吸收峰歸屬于碳酸鈣分子中CO3對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式（vsCO3-碳酸鈣-一維）； 870.96 cm-1（rCO3-1-碳酸鈣-一維）和 847.84 cm-1（rCO3-2-碳酸鈣-一維）頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣分子中CO3面外彎曲振動(dòng)模式（rCO3-碳酸鈣-一維）；712.11 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣分子中CO3面內(nèi)彎曲振動(dòng)模式（β），而 2 512.05 cm-1處的吸收峰是碳酸CO3-碳酸鈣-一維鈣分子 1 795.32 cm-1（vC=O-碳酸鈣-一維）和碳酸鈣分子712.11 cm-1（βCO3-碳酸鈣-一維）的合頻。

圖3 碳酸鈣分子一維 MIR 光譜（303 K）

碳酸鈣分子主要官能團(tuán)的吸收頻率集中在2 600～700 cm-1頻率范圍，因此，在該頻率范圍內(nèi)，進(jìn)一步開展了鋁酸鈣分子的的一維TD-MIR光譜研究，相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

表2 鋁酸鈣分子一維 TD-MIR 光譜數(shù)據(jù)（2 600～700 cm-1）

研究發(fā)現(xiàn)，在303 K溫度下，鋁酸鈣表面有少量碳酸鈣分子（碳酸鈣特征吸收頻率包括：2 510.74 cm-1和1 072.00 cm-1），進(jìn)一步證明前述假設(shè)的成立。而隨著測(cè)定溫度的升高，鋁酸鈣表面的碳酸鈣主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度增大。筆者認(rèn)為，過高的環(huán)境溫度會(huì)進(jìn)一步加速鋁酸鈣表面的氧化鈣與空氣中的二氧化碳反應(yīng)。

3 結(jié)語

在303 K溫度下，鋁酸鈣分子的特征紅外吸收頻 率 包 括 ：865.84 cm-1、838.64 cm-1、818.93 cm-1、801.15 cm-1、775.68 cm-1、763.15 cm-1、723.19 cm-1、676.04 cm-1和 634.73 cm-1。鋁酸鈣中含有少量碳酸鈣，其對(duì)應(yīng)的特征紅外吸收頻率包括：2 510.74 cm-1和 1 072.00 cm-1。隨著測(cè)定溫度的升高（303～573 K），鋁酸鈣分子主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的紅外吸收頻率及強(qiáng)度均發(fā)生紅移，對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度增大。鋁酸鈣中含有的碳酸鈣主要官能團(tuán)對(duì)應(yīng)的吸收強(qiáng)度增大，而吸收頻率呈沒有規(guī)律性的改變。