碳酸钠红外光谱研究

常 明，郧海丽，董思思，张丽英，甄苗苗，焦艳艳，于宏伟



碳酸钠红外光谱研究

常 明，郧海丽，董思思，张丽英，甄苗苗，焦艳艳，于宏伟

（石家庄学院化工学院，河北 石家庄 050035）

采用衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）技术，研究了碳酸钠的结构。实验发现：碳酸钠同时存在着CO3不对称伸缩振动模式（asCO3），CO3对称伸缩振动模式（sCO3），CO3面外弯曲振动模式（CO3）和CO3面内弯曲振动模式（CO3）等4种红外吸收模式。采用二维相关红外光谱技术（2D-IR）进一步来研究温度变化对于碳酸钠结构的影响。

碳酸钠；衰减全反射红外光谱；二维相关红外光谱

0 引言

碳酸钠（Na2CO3，sodium bicarbonate，CAS 497-19-8）是一种重要的无机化工中间体，广泛应用于工业、农业，医学等各个领域[1-4]。碳酸钠的广泛应用与其结构有关。红外光谱法（IR）由于具有高分辨率的优点，因此可以方便的用来研究碳酸钠的化学结构，但相关研究却少见报道。这主要是因为传统的IR光谱法由于通常采用溴化钾（KBr，potassium bromide，CAS 7758-02-3）作为稀释剂，会导致络合物离子交换，因此并不适合；而衰减全反式红外光谱法（ATR-FTIR）则不需要对被测样品进行任何处理[5-6]。因此本研究采用ATR-FTIR技术研究了分别碳酸钠的IR光谱和二维相关红外光谱（2D-IR）。

1 实验部分

1.1 材料

碳酸钠（分析纯，天津市永大化学试剂有限公司）

1.2 仪器

Spectrum 100型红外光谱仪（美国PE公司）；Golden Gate型单反射变温附件，WEST 6100＋型变温控件（英国Specac公司）。

1.3 方法

1.3.1 红外光谱仪操作条件

IR光谱以空气为背景，测温范围293～393K。

1.3.2 IR光谱及2D-IR光谱数据获得

IR光谱（包括：一维光谱、二阶导数光谱、四阶导数光谱，去卷积光谱）的数据获得采用Spectrum v 6.3.5软件；2D-IR的光谱数据获得采用TD Version4.2软件。

2 结果与讨论

在3000～600cm－1的频率范围内，首先开展了碳酸钠的IR光谱研究，如图1所示。研究发现：碳酸钠IR光谱比较简单，主要包括2组红外吸收峰，其中1500～1000cm－1频率范围的红外吸收峰归属于碳酸钠CO3伸缩振动模式（CO3）；而950～650cm－1频率范围内的红外吸收峰则归属于碳酸钠CO3弯曲振动模式（CO3）。本文主要开展了碳酸钠CO3和CO3的IR光谱及2D-IR光谱的研究。

2.1 碳酸钠IR光谱研究

2.1.1 碳酸钠CO3的IR光谱研究

碳酸钠CO3包括：碳酸钠CO3不对称伸缩振动模式（asCO3）和碳酸钠CO3对称伸缩振动模式（sCO3）。

1450～1400cm－1频率范围内的红外吸收谱带归属于碳酸钠asCO3。首先开展了碳酸钠asCO3一维光谱的研究（图2(a)），其中1420～1400cm－1频率区间内较宽的红外吸收峰归属于asCO3；而碳酸钠二阶和四阶导数光谱（图2(b)和2(c)）的分辨率则有进一步的提高，asCO3在1408cm－1和1420cm－1频率处裂分为两个红外吸收峰；而碳酸钠asCO3的去卷积光谱则过于复杂（图2(d)），分别在1405、1408、1412、1418、1420cm－1频率处发现了5个红外吸收峰。

1100～1050cm－1频率范围内的红外吸收谱带归属于碳酸钠sCO3。首先开展了一维光谱的研究（图3(a)），其中1080cm－1频率处较弱的红外吸收峰归属于碳酸钠sCO3，其红外吸收强度约为相应的asCO3红外吸收强度的1/45，这主要是因为sCO3只具有拉曼活性，因此其相应的红外吸收强度较弱；进一步研究了碳酸钠sCO3二阶和四阶导数光谱（图3(b)和3(c)），在1080cm－1频率处同样发现红外吸收峰；最后研究了碳酸钠sCO3的去卷积光谱（图3(d)），其分辨率有了进一步的提高：其中碳酸钠sCO3在1082cm－1和1078cm－1频率处裂分为2个红外吸收峰。

2.1.2 碳酸钠的CO3的IR光谱的研究

碳酸钠CO3包括：碳酸钠CO3面外弯曲振动模式（CO3）和碳酸钠CO3面内弯曲振动模式（CO3）。

图1 碳酸钠的IR光谱（3000～600cm－1）

图2 碳酸钠νasCO3的IR光谱（1450～1400cm－1）

图3 碳酸钠νsCO3的IR光谱（1100～1050cm－1）

950～850cm－1的频率范围内的红外吸收谱带归属于碳酸钠CO3，而750～650cm－1的频率范围内的红外吸收谱带则归属于碳酸钠CO3（图4）。首先开展了碳酸钠一维和二阶导数光谱的研究（图4(a)和4(b)），其中877cm－1频率处的红外吸收峰归属于碳酸钠CO3，而703cm－1和695cm－1频率处裂分双峰则归属于碳酸钠CO3；进一步研究了碳酸钠CO3的四阶和去卷积光谱（图4(c)和4(d)）发现：其分辨率有了显著的提高，碳酸钠CO3的裂分双峰可以得到了很好的区分。

表1给出了碳酸钠CO3的IR光谱数据。根据表中数据可知，尽管碳酸钠导数及去卷积光谱的分辨率要优于一维光谱，但其通常是基于一定的数学模型计算，并不完全准确。而2D-IR光谱分辨率不但显著提高，此外还可以有效区分被测样品官能团重叠的红外吸收峰[9-12]，因此本文重点开展了碳酸钠2D-IR光谱的研究。

2.2 碳酸钠的2D-IR光谱研究

2.2.1 碳酸钠CO3的2D-IR光谱研究

1）碳酸钠asCO3的2D-IR光谱研究

碳酸钠2D-IR光谱包括：碳酸钠同步红外光谱(1,2)和碳酸钠异步红外光谱(1,2)。在1450～1400cm－1的频率范围内，开展了碳酸钠asCO3同步红外光谱的研究（图5）。首先在（1410cm－1，1410cm－1），（1415cm－1，1415cm－1）和（1430cm－1，1430cm－1）频率位置处发现了3个自动峰，这说明碳酸钠νasCO3红外吸收频率包括：1410cm－1（asCO3-1），1415cm－1（asCO3-2）和1430cm－1（asCO3-3）。

图4 碳酸钠dCO3的IR光谱（950～650cm－1）

表1 碳酸钠CO3的IR光谱数据

图5 碳酸钠νasCO3同步红外光谱（1450～1400cm－1）

图6 碳酸钠νasCO3异步红外光谱（1450～1400cm－1）

进一步开展了碳酸钠asCO3异步红外光谱的研究（图6）。其中在（1410cm－1，1415cm－1）和（1415cm－1，1430cm－1）频率位置处发现了交叉峰，而相关2D-IR光谱解释见表2。

根据Noda规则[7-12]可知，热微扰的条件下，碳酸钠asCO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：1430cm－1＞1410cm－1＞1415cm－1。

表2 碳酸钠νasCO3的2D-IR光谱解释（1450～1400cm－1）

2）碳酸钠sCO3的2D-IR光谱研究

在1100～1050cm－1的频率范围内，开展了碳酸钠sCO3同步红外光谱的研究（图7）。在（1070cm－1，1070cm－1），（1075cm－1，1075cm－1）和（1080cm－1，1080cm－1）频率位置处发现了3个相对强度较大的自动峰，这说明碳酸钠sCO3的红外吸收频率包括：1070cm－1（sCO3-1），1075cm－1（sCO3-2）和1080cm－1（sCO3-3）。显然，热微扰条件下的同步红外光谱的对于具有拉曼活性的sCO3分辨率要优于传统的IR光谱技术。此外在（1070cm－1，1080cm－1）频率位置处发现一个相对强度较大的交叉峰，这说明碳酸钠sCO3-1和sCO3-3频率位置处对应的官能团之间存在着较强的相关作用。

图7 碳酸钠νsCO3同步红外光谱（1100～1050cm－1）

进一步开展了碳酸钠sCO3异步红外光谱的研究（图8）。在（1070cm－1，1075cm－1）和（1075cm－1，1080cm－1）频率位置处发现2个相对强度较大的交叉峰，而相关2D-IR光谱解释见表3。

根据Noda规则[7-12]可知，热微扰的条件下，碳酸钠sCO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：1070cm－1＞1080cm－1＞1075cm－1。

图8 碳酸钠νsCO3异步红外光谱（1100～1050cm－1）

表3 碳酸钠νsCO3的2D-IR光谱解释（1100～1050cm－1）

2.2.2 碳酸钠CO3的2D-IR光谱研究

1）碳酸钠CO3的2D-IR光谱研究

在920～820 cm－1的频率范围内，开展了碳酸钠CO3同步红外光谱的研究（如图9）。首先在（862cm－1，862cm－1），（874cm－1，874cm－1）和（903cm－1，903cm－1）频率位置处发现了3个自动峰，这说明碳酸钠CO3红外吸收频率包括：862 cm-1（CO3-1）、874cm－1（CO3-2）和903cm－1（CO3-3）。其中（874cm－1，874cm－1）频率位置处的自动峰相对强度最大，这说明碳酸钠CO3-2对于温度变化非常敏感。此外在（862cm－1，874cm－1）和（874cm－1，903cm－1）频率位置处发现了交叉峰，则进一步证明碳酸钠CO3-1、CO3-2和CO3-3对应的官能团之间存在着较强的相互作用。

图9 碳酸钠rCO3同步红外光谱（920～820cm－1）

在920～820cm－1的频率范围内，继续开展了碳酸钠CO3异步红外光谱的研究（如图10）。其中在（862cm－1，874cm－1）和（874cm－1，903cm－1）频率位置处发现了交叉峰，相关2D-IR光谱解释见表4。

根据Noda规则[7-12]可知，热微扰条件下，碳酸钠CO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：874cm－1＞862cm－1＞903cm－1。

2）碳酸钠CO3的2D-IR光谱研究

在750～650cm－1的频率范围内，开展了碳酸钠CO3的同步红外光谱的研究（图11）。首先在（686cm－1，686cm－1），（697cm－1，697cm－1）和（710cm－1，710cm－1）频率位置处发现了3个自动峰。这说明：碳酸钠CO3的红外吸收频率包括：686cm－1（CO3-1）、697cm－1（CO3-2）和710cm－1（CO3-3）。此外在（686cm－1，697cm－1）频率位置处发现了交叉峰，这说明碳酸钠CO3-1和CO3-2对应的官能团之间存在着较强的相互作用。

图10 碳酸钠rCO3异步红外光谱（920～820cm－1）

表4 碳酸钠rCO3的2D-IR光谱解释（920～820cm－1）

继续开展了碳酸钠CO3异步红外光谱的研究（图12），其中在（686cm－1，697cm－1）和（697cm－1，710cm－1）频率位置处发现了交叉峰，而相关2D-IR光谱解释见表5。

根据Noda规则[7-12]可知，热微扰条件下，碳酸钠CO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：710cm－1＞697cm－1＞686cm－1。

表6为碳酸钠CO3的2D-IR光谱数据。由表6数据可知：碳酸钠同时存在着asCO3、sCO3、CO3和CO3等4种红外吸收模式。其中碳酸钠asCO3的红外吸收频率包括：1410cm－1（asCO3-1），1415cm－1（asCO3-2）和1430cm－1（asCO3-3）等，热微扰条件下，碳酸钠asCO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：1430cm－1（asCO3-3）＞1410cm－1（asCO3-1）＞1415cm－1（asCO3-2）；碳酸钠sCO3的红外吸收频率包括：1070cm－1（sCO3-1），1075cm－1（sCO3-2）和1080cm－1（sCO3-3）等，热微扰条件下，碳酸钠sCO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：1070cm－1（sCO3-1）＞1080cm－1（sCO3-3）＞1075cm－1（sCO3-2）；碳酸钠CO3红外吸收频率包括：862cm－1（CO3-1）、874cm－1（CO3-2）和903cm－1（CO3-3）等，热微扰条件下，碳酸钠CO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：874cm－1（CO3-2）＞862cm－1（CO3-1）＞903cm－1（CO3-3）；而碳酸钠CO3的红外吸收频率包括：686cm－1（CO3-1）、697cm－1（CO3-2）和710cm－1（CO3-3）等，热微扰条件下，碳酸钠CO3红外吸收强度变化快慢的顺序为：710cm－1（CO3-3）＞697cm－1（CO3-2）＞686 cm－1（CO3-1）。

图11 碳酸钠bCO3同步红外光谱（750～650cm－1）

图12 碳酸钠bCO3 异步红外光谱（750～650cm－1）

表5 碳酸钠bCO3的2D-IR光谱解释（750～650cm－1）

表6 碳酸钠CO3的2D-IR光谱数据

3 结论

采用ATR-FTIR技术分别研究了碳酸钠的IR光谱和2D-IR光谱。研究发现：碳酸钠同时存在着asCO3、sCO3、CO3和CO3等4种红外吸收模式，并进一步探讨了热扰动因素对于碳酸钠CO3红外吸收强度变化趋势的影响。

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Infrared Spectroscopy Study of Sodium Bicarbonate

CHANG Ming，YUN Haili，DONG Sisi，ZHANG Liying，ZHEN Miaomiao，JIAO Yanyan，YU Hongwei

(，050035,)

The sodium bicarbonate structure has been studied by Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FTIR). The CO3asymmetrical stretch vibrationmode (asCO3), CO3symmetrical stretching vibration mode (sCO3), CO3out-of-plane bending vibration mode (CO3), and CO3in-plane bending vibration mode (CO3) were found as well. Two-dimensional infrared spectra（2D-IR）of sodium bicarbonate was studied to determine the structure of sodium bicarbonate.

sodium bicarbonate，Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy，two-dimensional infrared spectroscopy

O434.3

A

1001-8891(2016)09-0803-08

2016-03-19；

2016-03-27.

常明（1975-），男，辽宁省辽阳市人，硕士，讲师，主要从事药物辅料及包材的红外光谱检测工作。

于宏伟（1979-），男，黑龙江省哈尔滨市人，博士，副教授，主要从事二维红外光谱技术的理论研究工作。

河北省科技厅科学技术研究与发展计划（12222802）；石家庄市科学技术研究与发展计划课题（151500182A）。