紅外光譜儀在高中化學教學中的應用

季柳楊 蔡曉慶

摘 要：現代儀器分析實驗，對于高中生學習現代化學實驗方法、了解現代化學實驗儀器、提高科學素養有著關鍵的作用。考慮到各種因素，高中在進行相關教學時，可以借助當地高校的現代儀器分析開放式平臺來實施教學計劃。教師要針對現代儀器分析之一——紅外光譜儀所具有的性能穩定，操作常規化，學生容易掌握等特點，以苯和苯甲醛為待測實驗樣品，探索如何對高中生開展相關教學，提高學生學習興趣。

關鍵詞：紅外光譜儀；現代儀器分析；高中化學教學；興趣

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗貫穿于整個學習過程。隨著教育改革的不斷推進，高中化學實驗的課程標準也在不斷改變。高中化學新課程在化學分析方法和實驗手段方面發生了較大的改變，其中一點就是從只應用近代實驗方法向適當應用現代實驗方法和現代化儀器轉變。具體體現在：新課程中引入了現代儀器分析的四大類儀器，即光譜類、色譜類、質譜類和電化學類。要求學生了解現代化學分析儀器在物質的組成和結構的測定中具有的重要作用，并能在具體的化學實驗中對這些現代儀器分析加以運用。

購買現代儀器分析設備及日常維護所需資金十分龐大，同時，存在大型設備在中學里用于教學的次數有限、儀器利用率低、儀器需要專人專管、在職化學教師未必都會使用現代儀器分析等諸多不利因素。所以，在我國一般的中學都不具備講授現代分析儀器的條件。然而，我們應該注意到，近年來我國高校普遍成立了實驗中心并投入了大量的資金用于購置現代儀器分析設備。這些儀器除了完成正常的實驗教學外，尚有可以利用的閑置時間。如果利用當地高校豐富的儀器資源進行中學的儀器教學，一方面能解決中學難以完成儀器教學的難題，另一方面也能實現高校現代儀器分析的資源共享。本文以溫州大學分析測試中心為平臺，結合高中化學新儀器教學中的紅外光譜實驗的教學過程進行設計，闡述了紅外光譜儀在高中化學教學中的應用。本次實驗教學的目的包括：①學生能夠了解到紅外光譜儀的基本工作原理及其在鑒定有機化合物中的重要作用；②學生能夠學會簡單地對紅外譜圖進行分析；③培養學生在現代儀器分析實驗中的動手能力，增強他們團隊合作的精神。

一、實驗準備和理論講解

本次實驗用到的儀器為德國進口、型號為EQUINOX 55的紅外光譜儀。儀器配套液體磨具一套，標準溴化鉀碾片若干片，紅外燈一個，待測樣品苯和苯甲醛若干（均為分析純）。

實驗前，要集中學生進行理論講解，讓學生了解紅外光譜儀的基本工作原理及其應用。紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法”，簡稱“IR”，是分子吸收光譜的一種。其工作原理如下：不同的有機化合物都有其特定的官能團（如苯基、醛基），這些特定的官能團能吸收紅外光中不同波長的光，即有著特定的紅外吸收峰（也稱紅外特征吸收峰）。本實驗涉及的部分官能團的紅外特征吸收峰參考見表1。

表1：部分官能團的紅外特征吸收峰

通過測試并記錄有機化合物對一定波長范圍的紅外光的吸收情況，可以得到紅外譜圖。對譜圖中的紅外特征吸收峰進行分析，即可初步判斷該化合物中具有哪些基團。這種測試方法具有分辨能力高、掃描速度極快、樣品用量少等優點。因此，是化學、材料、生物醫藥等學科領域中一種重要和基本的測試方法。

二、演示實驗和學生自主實驗

本次實驗教學分為演示實驗和學生自主實驗兩個模塊。演示實驗可以通過觀看實驗視頻和教師親自演示來完成。其中包括：①制樣：取兩片經酒精清潔并在紅外燈下烘干的溴化鉀碾片備用。利用毛細管在一碾片上滴上少量的待測樣品，再將另一碾片平鋪于上方，將兩片碾片一起放入紅外液體磨具中固定。②掃描測試：儀器預熱完畢后，打開測試軟件先進行背景矯正，再將樣品放入樣品倉，進行樣品掃描并得到相應譜圖。保存數據，對譜圖進行常規調整以便分析。

學生自主實驗要在教師的指導下進行。學生三人一組逐一進行制樣，制樣完畢后再按照次序利用紅外光譜儀進行樣品的掃描，保存并打印譜圖。隨后，教師指導學生按要求結合前面的“部分官能團的紅外特征吸收峰”，對各自的兩張光譜圖進行有效分析，進而討論比較苯和苯甲醛的紅外光譜圖的異同之處，得出正確的實驗結論。教師在整個實驗過程中，反復對學生進行實驗安全知識普及和強調，培養學生良好的實驗習慣，樹立愛護儀器、珍惜實驗資源的理念。

三、實驗結果分析

參考前面的表1，學生可以將苯甲醛和苯的紅外特征吸收數據填入表2。

表2 ：比較苯和苯甲醛紅外光譜圖中的官能團對應的特征吸收峰

經學生小組討論和對表2的分析，很容易得出結論：苯和苯甲醛的紅外光譜圖中可以找到很多處于同一特征吸收帶的吸收峰，這歸因于兩者都含有苯基；也可看出苯甲醛有著很多不同于苯的紅外吸收峰，這歸因于苯甲醛特有的醛基和芳烴單取代的結構。由此可見，紅外光譜對于鑒定特定官能團的效果十分顯著。

結論：高校化學資源的共享，彌補了高中在進行現代儀器分析教學時由于缺乏相應設備所造成的教師講解抽象、學生難以理解、學生缺乏興趣等缺憾。實踐證明，借助高校平臺開展紅外光譜儀的現代儀器分析教學，不僅能有秩序地開展，而且能增強學生對于理論知識的掌握，有效提高學生的學習興趣。更重要的是，使學生能掌握和運用一些化學原理與實驗手段，進而培養學生辨別使用現代儀器分析的能力、學會科學實驗研究的基本方法。

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