化学键及其表征

用途


化学键的表征是分析高分子化学结构的重要手段,通过化学键的表征,可以了解聚合物中存在的化学基团、价键类型等信息,从而为判断聚合物的性质、鉴别聚合反应情况,提供必要数据。

表征方法及原理


1. 化学键
分子通过化学键将原子结合在一起。带有不稳定自由电子的原子之间互相配对结合,在它们之间形成稳定的化学键。按其结合形式,典型的化学键:
? 共价键
? 离子键

共价键:两个原子共享一对价电子。如双原子的氢分子通过共价键将两个氢原子连接在一起。

离子键:配对的一个原子的价电子进入另一个原子,形成两个极性相反的离子,原子间通过正、负极性的吸引力结合。金属原子和非金属原子间多以这种形式结合。

除上述两种典型的化学键外,还有介于它们之间的一种化学键:极性共价键。在极性共价键中,其中的一个原子的价电子向另一个原子偏向多一些,因此导致偶极的出现,使结合的一对原子分别带有微弱的正、负极性。这种化学键出现于一些金属原子与非金属原子的结合中。此外,还有配位键。

2.高分子的链结构

高分子是由结构单元(单体或其极性基团)通过化学键结合而成的大分子。根据主链上的元素结构,高分子分为:

均链高分子 — 主链由单一的一种原子通过共价键组成。

杂链高分子 — 主链由两种或两种以上的原子组成

组成链结构的原子除C原子外,还可以是N、O、P、S、Si、B等元素。与低分子量的分子相比,高分子具有复杂的结构和形态:同一分子链中的结构单元可以是一种,也可以为几种;

同一反应中生成的高分子的相对分子质量,分子结构,分子空间构型,枝化度和交联度等不尽相同;同一高分子聚合物在凝聚态结构上存在多样性(同一高聚物在不同的条件下,可以晶态、非晶态、取向态等多种形式出现)。对含杂原子(碳、氢之外的原子)的高分子化合物或合成的高分子金属化合物、高分子-金属配合物,有时难以确定分子的化学结构,这时对化合物中化学键的分析,可以提供高分子化合物化学结构的信息。

3. 化学键的分析方法

3.1 X射线光电子能谱

用单色软X光以小角度入射受测材料的表面,材料表面分子内的电子受到激励后能量发生跃升。如入射光子的能量足以使电子克服原子的引力,受到激励的电子将脱离分子成为自由电子。测定由于光子激励所产生的自由电子数和入射能量之间的关系,可以得到一个谱线。由于使电子从处于某种化学键状态的电子的束缚中释放出来所需要的能量是唯一的,因此X光衍射光谱上峰值对应的化学键,元素原子类型均为唯一的,即处于每种化学键状态和某种原子在X光衍射光谱上留有对应的“指纹”。通过比较已知化学结构的“指纹”可以确定未知样品的化学键类型以及样品的构成单元。

需要指出的是小角度X光衍射光谱的信息通常仅取自表面的2-20原子层,因此该方法仅适于测定材料表面的化学构成而不能用于分析材料内部的化学键和组成元素。

除氢和氦外,X射线光电子能谱法可以用来测定所有材料表面的原子类型及化学键状态,因此对于研究高分子金属配合物,含金属原子的超分子体系是十分有用的。

3.2 红外吸收光谱法(FTIR)
测定高分子化合物的吸收光谱,从中寻找各种化学键的吸收峰,推算化合物结构。




 

 

所用仪器

X-射线光电子能谱(XPS)

红外吸收光谱(FTIR)


 

参考文献



1、“现代高分子物理学”(P.670),殷敬华、莫志深主编,科学出版社,2001年