红外光谱仪在高中化学教学中的应用

季柳杨 蔡晓庆

摘 要：现代仪器分析实验，对于高中生学习现代化学实验方法、了解现代化学实验仪器、提高科学素养有着关键的作用。考虑到各种因素，高中在进行相关教学时，可以借助当地高校的现代仪器分析开放式平台来实施教学计划。教师要针对现代仪器分析之一——红外光谱仪所具有的性能稳定，操作常规化，学生容易掌握等特点，以苯和苯甲醛为待测实验样品，探索如何对高中生开展相关教学，提高学生学习兴趣。

关键词：红外光谱仪；现代仪器分析；高中化学教学；兴趣

化学是一门以实验为基础的学科，实验贯穿于整个学习过程。随着教育改革的不断推进，高中化学实验的课程标准也在不断改变。高中化学新课程在化学分析方法和实验手段方面发生了较大的改变，其中一点就是从只应用近代实验方法向适当应用现代实验方法和现代化仪器转变。具体体现在：新课程中引入了现代仪器分析的四大类仪器，即光谱类、色谱类、质谱类和电化学类。要求学生了解现代化学分析仪器在物质的组成和结构的测定中具有的重要作用，并能在具体的化学实验中对这些现代仪器分析加以运用。

购买现代仪器分析设备及日常维护所需资金十分庞大，同时，存在大型设备在中学里用于教学的次数有限、仪器利用率低、仪器需要专人专管、在职化学教师未必都会使用现代仪器分析等诸多不利因素。所以，在我国一般的中学都不具备讲授现代分析仪器的条件。然而，我们应该注意到，近年来我国高校普遍成立了实验中心并投入了大量的资金用于购置现代仪器分析设备。这些仪器除了完成正常的实验教学外，尚有可以利用的闲置时间。如果利用当地高校丰富的仪器资源进行中学的仪器教学，一方面能解决中学难以完成仪器教学的难题，另一方面也能实现高校现代仪器分析的资源共享。本文以温州大学分析测试中心为平台，结合高中化学新仪器教学中的红外光谱实验的教学过程进行设计，阐述了红外光谱仪在高中化学教学中的应用。本次实验教学的目的包括：①学生能够了解到红外光谱仪的基本工作原理及其在鉴定有机化合物中的重要作用；②学生能够学会简单地对红外谱图进行分析；③培养学生在现代仪器分析实验中的动手能力，增强他们团队合作的精神。

一、实验准备和理论讲解

本次实验用到的仪器为德国进口、型号为EQUINOX 55的红外光谱仪。仪器配套液体磨具一套，标准溴化钾碾片若干片，红外灯一个，待测样品苯和苯甲醛若干（均为分析纯）。

实验前，要集中学生进行理论讲解，让学生了解红外光谱仪的基本工作原理及其应用。红外光谱法又称“红外分光光度分析法”，简称“IR”，是分子吸收光谱的一种。其工作原理如下：不同的有机化合物都有其特定的官能团（如苯基、醛基），这些特定的官能团能吸收红外光中不同波长的光，即有着特定的红外吸收峰（也称红外特征吸收峰）。本实验涉及的部分官能团的红外特征吸收峰参考见表1。

表1：部分官能团的红外特征吸收峰

通过测试并记录有机化合物对一定波长范围的红外光的吸收情况，可以得到红外谱图。对谱图中的红外特征吸收峰进行分析，即可初步判断该化合物中具有哪些基团。这种测试方法具有分辨能力高、扫描速度极快、样品用量少等优点。因此，是化学、材料、生物医药等学科领域中一种重要和基本的测试方法。

二、演示实验和学生自主实验

本次实验教学分为演示实验和学生自主实验两个模块。演示实验可以通过观看实验视频和教师亲自演示来完成。其中包括：①制样：取两片经酒精清洁并在红外灯下烘干的溴化钾碾片备用。利用毛细管在一碾片上滴上少量的待测样品，再将另一碾片平铺于上方，将两片碾片一起放入红外液体磨具中固定。②扫描测试：仪器预热完毕后，打开测试软件先进行背景矫正，再将样品放入样品仓，进行样品扫描并得到相应谱图。保存数据，对谱图进行常规调整以便分析。

学生自主实验要在教师的指导下进行。学生三人一组逐一进行制样，制样完毕后再按照次序利用红外光谱仪进行样品的扫描，保存并打印谱图。随后，教师指导学生按要求结合前面的“部分官能团的红外特征吸收峰”，对各自的两张光谱图进行有效分析，进而讨论比较苯和苯甲醛的红外光谱图的异同之处，得出正确的实验结论。教师在整个实验过程中，反复对学生进行实验安全知识普及和强调，培养学生良好的实验习惯，树立爱护仪器、珍惜实验资源的理念。

三、实验结果分析

参考前面的表1，学生可以将苯甲醛和苯的红外特征吸收数据填入表2。

表2 ：比较苯和苯甲醛红外光谱图中的官能团对应的特征吸收峰

经学生小组讨论和对表2的分析，很容易得出结论：苯和苯甲醛的红外光谱图中可以找到很多处于同一特征吸收带的吸收峰，这归因于两者都含有苯基；也可看出苯甲醛有着很多不同于苯的红外吸收峰，这归因于苯甲醛特有的醛基和芳烃单取代的结构。由此可见，红外光谱对于鉴定特定官能团的效果十分显著。

结论：高校化学资源的共享，弥补了高中在进行现代仪器分析教学时由于缺乏相应设备所造成的教师讲解抽象、学生难以理解、学生缺乏兴趣等缺憾。实践证明，借助高校平台开展红外光谱仪的现代仪器分析教学，不仅能有秩序地开展，而且能增强学生对于理论知识的掌握，有效提高学生的学习兴趣。更重要的是，使学生能掌握和运用一些化学原理与实验手段，进而培养学生辨别使用现代仪器分析的能力、学会科学实验研究的基本方法。

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