苯 甲苯 二甲苯 如何鉴别

实验  甲苯、苯胺、苯甲酸混合物的分离与鉴定

一、 实验目的

1.  了解混合物分离的一般程序。

2.  掌握萃取分离的原理及实验技术。

3.  掌握蒸馏法、重结晶法的原理及实验技术。

4.  熟悉红外光谱仪的操作、谱图解析及鉴定有机物结构的一般方法。

二、 实验原理

本实验是利用混合物中各组分化学性质及溶解性的差异进行分离，利用红外光谱法进行结构鉴定。

三、 分离程序

图1  甲苯+苯甲酸+苯胺混合物的分离程序

四、 主要仪器及试剂

1. FTIR－4000傅里叶变换红外光谱仪1台        2. 恒温烘箱1台

3. pH试纸                                    4. 100mL分液漏斗2个

5. 孔漏斗架1个                              6. 50mL、100mL烧杯各2个

7. 10mL移液管2个                            8. 玻璃棒1个

9. 直径5cm漏斗1个                          10. 2mol/L、4mol/L HCl各保存于250mL滴瓶中

11. 5% NaOH保存于250mL滴瓶中              12. 1mol/L NaHCO3保存于250mL滴瓶中

13. 甲苯+苯甲酸+苯胺混合物                   14. 红外灯干燥箱1台

15. 蒸馏装置1套                             16. 旋转式蒸发器1台

17. 滤纸                                     18.干燥器1个

19. 25ml蒸馏瓶3个

五、 实验步骤

1. 取5mL甲苯+苯甲酸+苯胺混合物于100ml分液漏斗中，加入2mol/L HCl至pH=3，充分摇动，此时苯胺与HCl反应生成易溶于水的苯胺盐酸盐。加入10mL乙醚萃取(5～8))min，静置，分离水层和醚层。

2. 于水层中加入5%NaOH至pH=10，充分摇动，此时苯胺游离出来，再加入10mL乙醚萃取 (5～8) min，静置，分离水层和醚层。此时苯胺进入乙醚层，将乙醚挥发除去，剩余物即为苯胺，采用KBr涂片法测其红外光谱，解析谱图并与萨特勒标准红外谱图相对照，鉴定其结构。

3. 将第一次分离的乙醚层水洗除去残余HCl，再用1mol/L NaHCO3调至pH 8～9，并适当过量，使水相的体积约为10mL。此时苯甲酸生成溶于水的苯甲酸钠，加入10 mL乙醚，萃取 (5～8) min，分离乙醚层和水层。

4. 将乙醚层常压蒸馏，截取甲苯馏分，用KBr涂片法，测其红外光谱。

5. 水层用4mol/L HCl酸化至pH2～3，此时苯甲酸钠转变为苯甲酸，过滤得苯甲酸粗品，用水重结晶得苯甲酸纯品，于110℃恒温烘箱干燥2h，用固体压片法，测定红外光谱，鉴定其结构。

六、 数据处理

对测得的红外光谱进行解析，推出分子结构，并与标准谱图对照确定之。

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1800年英国天文学家赫谢尔（Hershl）用温度计测量太阳光可见光区内\外温度时，发现红色光以外黑暗部分的温度比可见光部分高，这种人类视觉看不见的红外光，称为红外辐射或红外线。

图9.2.1 地下污染区的探地雷达检测剖面图

红外线被发现后，逐渐被应用到各个方面，在化学上，利用不同物质对不同波长红外辐射的吸收程度不同，用来推断物质分子的组成和结构。这种方法称之为红外分子吸收光谱法，简称红外吸收光谱法或红外光谱法。常以IR（Infrared）为缩写。例如1892年就发现凡是含有甲基的物质，都会强烈地吸收3.4 μm波长的红外光。当不同波长（波数）的红外辐射依次照射到样品时。某些波长的辐射能被样品选择吸收而减弱，于是形成红外吸收光谱。一般纵坐标以百分透过率标度，定性分析多用这种标度，定量分析多用吸光度（A）标度。横坐标以波数ν（cm-1）标度。波数是指每cm长度上波的数目，它与波长成倒数关系，见如下关系式

环境地球物理学概论

由于不同物质具有不同的分子结构，就会吸收不同的红外辐射能量而产生相应的红外吸收光谱，用仪器测量物质的红外吸收光谱，然后根据这种物质的红外特征吸收峰位置、数目、相对强度和形状（峰宽）等参数，就可推断样品中有哪些基团，并确定其分子结构，这就是红外光谱的定性和结构分析的依据。同一物质不同浓度时，在同一吸收峰位置具有不同的吸收峰强度，在一定条件下，试样物质的浓度与吸收峰的强度成正比关系，这就是红外吸收光谱定量分析的依据。

红外光谱的范围很广，为0.75～1000 μm（13 300～10 cm-1）。按应用波段不同，红外光谱划分为三个区域，括号内数字为波数范围。

近红外（NIR）区：0.75～2.5 μm（13 300～4000 cm-1）；

中红外（MIR）区：2.5～25 μm（4000～400 cm-1）；

远红外（FIR）区：25～1000 μm（400～10 cm-1）。

近红外区是可见光红色末端的一段，只有X-H或多键振动的倍频和合频出现在该区，其应用有限，仅在研究含氢原子的官能团，如O-H，N-H和C-H的化合物，特别是醇、酚、胺和碳氢化合物上，以及研究末端亚甲基、环氧基和顺反双键等时比较重要。在研究化合物的氢键方面也很有用。

中红外区是红外光谱中应用最早和最广的一个区。波数范围在4000～1000 cm-1区内的吸收峰为化合物中各个键的伸缩和弯曲振动，故为双原子构成的官能团的特征吸收。伸缩和弯曲振动都是基团内部原子间化学键的振动。波数范围1400～650 cm-1区的吸收峰大多是整个分子中多个原子间键的复杂振动，可以得到官能团周围环境的信息，用于化合物的鉴定。

远红外区应是200～10 cm-1。由于一般红外仪的中红外范围是5000～650 cm-1或5000～400 cm-1，所以，650～200 cm-1也包括在远红外区。含重原子的化学键伸缩振动和弯曲振动的基频在远红外光区，如C-X键的伸缩振动频率为650～450 cm-1，弯曲振动频率为350～250 cm-1，均是强峰。

不同物质对红外光谱的吸收，是基于分子受到红外光的辐射，产生振动能级跃迁，在振动时伴有偶极距改变者就吸收红外光子，形成红外吸收光谱，若用单色的可见光照射，入射光被样品散射，在入射光垂直面方向测到的散射光，构成拉曼光谱。所以说，只有分子在振动时有偶极距（双键）改变时，才会产生明显的吸收峰。图9.2.2是水和二氧化碳的吸收光谱。分子吸收一定频率的红外光后，其振动能级由基态（υ=0）跃迁到第一激发态时产生的吸收峰称为基峰。而由基态跃迁到第二激发态、第三激发态所产生的吸收峰，称为二倍频峰、三倍频峰等。三倍频峰以上因其跃迁几率很小，一般都很弱而不能被检测。

图9.2.2 水和二氧化碳的吸收光谱

吸收峰的强度：分子吸收光谱的吸收峰强度，可用摩尔吸光系数ε表示。吸收峰的强弱取决于基团偶极距改变的难易程度。基团的极性越大，吸收峰越强。在红外光谱中，吸收峰的强度有以下4种表达式。

（1）透过率（percent transmission）

环境地球物理学概论

式中：T为透射比（transmittance）；I0为入射光强度；I为透过光强度。

（2）吸收率（percent absorption）100-T

（3）吸光度（absorbance）

环境地球物理学概论

式中：A为吸光度；T0为波数υ处吸收峰基线的透射比；T为峰顶的透射比。

图9.2.3给出了甲苯的芳香烃吸收峰（3050 cm-1）强度的图。

图9.2.3 甲苯的芳香烃吸收峰（3050 cm-1）强度

（4）摩尔吸光系数（molar absorptivity）

根据比耳定律吸收强度与样品浓度和光穿透的距离成比例。

环境地球物理学概论

式中：c为溶液浓度，mol/L；l为吸收池厚度，cm；

lg（及lg（是在波数υ（cm-1）处的吸光度。

下面介绍一种非色散红外（NDIR）对大气中CO2的测量原理及方法

NDIR（Non-DispersiveInfraRed）非扩散红外气体分析方法是基于吸收光谱原理的一种分析方法。是一种先进的红外分析法，如图9.2.4所示为一般吸收光谱方法的基本原理图。

图9.2.4 一般吸收光谱法示意图

当激光发射一束光强为I0激光到吸收池，由于气体吸收使光强变小为I，探测器可以探测到这一变化。气体的吸收公式为

环境地球物理学概论

γ（ν）为吸收系数，C为吸收池内气体组分的浓度，L为吸收池长度。

γ（ν）当吸收池内的压力比较小的时候，γ（υ）近似为一洛仑兹线型（Lorentzian profile），严格来说为福依特线型（Voigt profile）。激光束到达探测器，探测器产生电信号，电信号可以被微机采集处理。经过对采集数据的Levenberg-Marquardt拟合，又由于L为已知量，可以求得吸收池内气体的浓度。非扩散红外气体分析方法正是基于上式来测量吸收池中气体组分浓度。