用中红外光谱分析铝酸钙分子结构及热变性

张美环 刘荣 赵毅哲 秦佳慧 孟露 于宏伟 / 石家庄学院

0 引言

铝酸钙是一种重要的无机化学品，除了广泛应用于玻璃[1-2]、水泥[3-4]及耐火材料[5-6]等传统领域，还应用在环境工程[7-8]、石油化工[9]、塑料助剂[10-11]及口腔医学[12]等领域。铝酸钙的广泛应用与其特殊分子结构有关。中红外（MIR）光谱[13-15]及变温中红外（TD-MIR）光谱[16-23]广泛应用于化合物结构及热变性研究领域，但铝酸钙的相关研究未见报道。本文介绍了铝酸钙分子的一维MIR光谱及一维变温中红外（TD-MIR）光谱研究。

1 实验部分

1.1 材料

铝酸钙（99%，上海麦克林生化科技有限公司），碳酸钙（分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司）。

1.2 仪器与设备

Spectrum 100 型中红外光谱仪（美国 PE 公司）；Golden Gate 型 ATR-MIR 变温附件（英国 Specac 公司）；WEST 6100+ 型 ATR-MIR 变温控件（英国Specac 公司）。

1.3 实验方法

1.3.1 红外光谱仪操作条件

采用ATR-MIR 变温控件，测试前，铝酸钙及碳酸钙不需要任何处理。以空气为背景，每次试验对铝酸钙分子和碳酸钙分子的光谱信号进行8次扫描并累加，测定频率范围4 000～600 cm-1，测温范围303 ～ 573 K，变温步长 10 K。

1.3.2 MIR及TD-MIR光谱数据

采用美国 PE 公司 Spectrum v 6.3.5 操作软件获得铝酸钙分子和碳酸钙分子的MIR及TD-MIR光谱数据。

2 结果与讨论

2.1 铝酸钙分子一维 MIR 光谱

在303 K温度下，采用一维MIR光谱开展了铝酸钙分子的结构研究（图1）。

图1 铝酸钙分子一维MIR光谱（303 K）

实验发现：铝酸钙分子的一维MIR光谱比较简单，主要光谱信息集中在 900 ～ 600 cm-1频率区间。其特征红外吸收峰包括：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）。研究发现，775.68 cm-1和 676.04 cm-1频率处的吸收峰归属于铝酸钙分子中Al-O键的特征红外吸收模式，而铝酸钙分子中Ca-O键在900～600 cm-1频率区间并没有特征红外吸收峰。

2.2 铝酸钙分子一维 TD-MIR 光谱

在303～573 K温度区间，开展了铝酸钙分子一维TD-MIR光谱研究，并进一步考查温度变化对铝酸钙分子热变性的研究（图2）。

图2 铝酸钙分子一维TD-MIR光谱（303～573 K）

实验发现：随着测定温度的升高，铝酸钙分子主要特征红外吸收峰（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）对应的吸收频率发生了明显的红移，而相应的吸收强度显著增加。铝酸钙分子的吸收峰6则对于温度变化比较敏感，在553 K温度下吸收峰消失。铝酸钙分子主要官能团一维TD-MIR光谱数据见表1。

表1 铝酸钙分子一维 TD-MIR 光谱数据（303～573 K）

2.3 碳酸钙分子一维 MIR 光谱

铝酸钙分子中含有氧化钙，与空气中的二氧化碳反应，有可能生成碳酸钙。因此，在303 K温度下，进一步开展了标准品碳酸钙分子的一维MIR光谱研究，见图3。实验发现：在1 795.32 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钙分子中C=O伸缩振动模式（vC=O-碳酸钙-一维）；1 388.14 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钙分子中CO3不对称伸缩振动模式（vasCO3-碳酸钙-一维）；1 070.86 cm-1频率处的较弱吸收峰归属于碳酸钙分子中CO3对称伸缩振动模式（vsCO3-碳酸钙-一维）； 870.96 cm-1（rCO3-1-碳酸钙-一维）和 847.84 cm-1（rCO3-2-碳酸钙-一维）频率处的吸收峰归属于碳酸钙分子中CO3面外弯曲振动模式（rCO3-碳酸钙-一维）；712.11 cm-1频率处的吸收峰归属于碳酸钙分子中CO3面内弯曲振动模式（β），而 2 512.05 cm-1处的吸收峰是碳酸CO3-碳酸钙-一维钙分子 1 795.32 cm-1（vC=O-碳酸钙-一维）和碳酸钙分子712.11 cm-1（βCO3-碳酸钙-一维）的合频。

图3 碳酸钙分子一维 MIR 光谱（303 K）

碳酸钙分子主要官能团的吸收频率集中在2 600～700 cm-1频率范围，因此，在该频率范围内，进一步开展了铝酸钙分子的的一维TD-MIR光谱研究，相关数据见表2。

表2 铝酸钙分子一维 TD-MIR 光谱数据（2 600～700 cm-1）

研究发现，在303 K温度下，铝酸钙表面有少量碳酸钙分子（碳酸钙特征吸收频率包括：2 510.74 cm-1和1 072.00 cm-1），进一步证明前述假设的成立。而随着测定温度的升高，铝酸钙表面的碳酸钙主要官能团对应的吸收强度增大。笔者认为，过高的环境温度会进一步加速铝酸钙表面的氧化钙与空气中的二氧化碳反应。

3 结语

在303 K温度下，铝酸钙分子的特征红外吸收频 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。铝酸钙中含有少量碳酸钙，其对应的特征红外吸收频率包括：2 510.74 cm-1和 1 072.00 cm-1。随着测定温度的升高（303～573 K），铝酸钙分子主要官能团对应的红外吸收频率及强度均发生红移，对应的吸收强度增大。铝酸钙中含有的碳酸钙主要官能团对应的吸收强度增大，而吸收频率呈没有规律性的改变。