硝酸钠三级中红外光谱研究

于宏伟，王晓萱，李吉纳，马思怡，陈新乐，郭雪纯

（石家庄学院化工学院，河北 石家庄 050035）

硝酸钠（NaNO3，CAS7631-99-4），是一类重要无机精细化工产品，广泛应用在化工[1]、食品[2]、电镀[3]和炸药[4]等领域。 硝酸钠的广泛应用与其特殊分子结构有关。中红外（MIR）光谱广泛应用于化合物结构的研究[5]；变温中红外（TD-MIR）光谱可研究温度变化对化合物分子结构改变的影响[6-8]；而二维中红外 （2D-MIR） 光谱则可进一步研究化合物官能团对应的吸收峰对物理扰动的敏感程度及变化快慢的顺序，并能提供更加丰富的光谱信息[9-11]。 然而硝酸钠的相关研究却未见报道。

因此，本文以硝酸钠为研究对象，分别开展了硝酸钠的三级MIR 光谱（包括：硝酸钠MIR 光谱、硝酸钠TD-MIR 光谱和硝酸钠2D-MIR 光谱）的研究，为硝酸钠改性及应用提供了有意义的科学借鉴。

1 实验部分

1.1 试剂

硝酸钠，分析纯，焦作市维联精细化工有限公司。

1.2 仪器

Spectrum100 型傅里叶红外光谱仪，美国PE 公司；Golden Gate 型单次内反射ATR-FTIR 变温附件和WEST6100+型变温控件，英国Specac 公司。

1.3 实验方法

红外光谱实验以空气为背景，每次对信号进行8次扫描累加，测温范围303～393 K（变温步长10 K）。硝酸钠的MIR 及TD-MIR 光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v6.3.5 操作软件。 硝酸钠的2D-MIR光谱数据获得采用清华大学TD Versin4.2 软件。

2 结果与讨论

2.1 硝酸钠MIR 光谱研究

文献报道，硝酸钠NO3基团中的3 个O 原子是等价的，4 个原子共平面，3 个O 原子在三角形的3个顶角[12]。 NO3基团有4 种振动模式，分别为NO3不对称伸缩振动模式、NO3对称伸缩振动模式、NO3面外弯曲振动模式和NO3面内弯曲振动模式。 它们的振动频率区间分别位于：“1 510～1 210 cm-1”、“1 060～1 020 cm-1”、“840～800 cm-1”和“760～715 cm-1”4 个频率区间。

首先采用一维MIR 光谱，对硝酸钠的结构进行表征，见图1（a）。 进一步开展了硝酸钠的二阶导数MIR 光谱研究，见图1（b）。

图1 硝酸钠的MIR 光谱（303 K）

从图1（a）可知，1 336.41 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3不对称伸缩振动模式（νasNO3-一维-硝酸钠）；1 061.20 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3对称伸缩振动模式（νsNO3-一维-硝酸钠）；833.84 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3面外弯曲振动模式（γNO3-一维-硝酸钠）；725.89 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3面内弯曲振动模式（βNO3-一维-硝酸钠）。从图1（b）可知，其谱图分辨能力有了一定的提高。其中，1 349.67 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3不 对 称 伸 缩 振动 模 式（νasNO3-二阶导数-硝酸钠）；1 061.21 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3对称伸缩振动模式（νsNO3-二阶导数-硝酸钠）；833.87 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3面外弯曲振动模式（γNO3-二阶导数-硝酸钠）；725.74 cm-1频率处的吸收峰归属于硝酸钠NO3面内弯曲振动模式（βNO3-二阶导数-硝酸钠）。

2.2 硝酸钠的TD-MIR 光谱研究

2.2.1 硝酸钠的一维TD-MIR 光谱研究

在303～393 K 的温度范围内，首先开展了硝酸钠的一维TD-MIR 的研究，探究温度变化对于硝酸钠分子结构的影响，结果见图2，相关光谱数据见表1。

由表1 数据可知，随着测定温度的升高，硝酸钠νasNO3-一维-硝酸钠、γNO3-一维-硝酸钠和βNO3-一维-硝酸钠对应的吸收频率发生红移，而硝酸钠νsNO3-一维-硝酸钠对应的吸收频率发生蓝移。 随着测定温度的升高，硝酸钠νasNO3-一维-硝酸钠、γNO3-一维-硝酸钠和βNO3-一维-硝酸钠对应的吸收强度增加，而硝酸钠νsNO3-一维-硝酸钠对应的吸收强度降低。

2.2.2 硝酸钠的二阶导数TD-MIR 光谱研究

在303～393 K 的温度范围内，进一步开展了硝酸钠的二阶导数TD-MIR 光谱的研究，其谱图分辨能力有了一定的提高，具体见图3，相关光谱数据见表2。

由表2 数据可知，随着测定温度的升高，硝酸钠νasNO3-二阶导数-硝酸钠、γNO3-二阶导数-硝酸钠和βNO3-二阶导数-硝酸钠对应的吸收频率发生红移，而硝酸钠νsNO3-二阶导数-硝酸钠对应的吸收频率则没有规律性改变。

2.3 硝酸钠的2D-MIR 光谱研究

2.3.1 硝酸钠νasNO3的2D-MIR 光谱研究

表1 硝酸钠的一维TD-MIR 光谱数据（303～393 K）

图3 硝酸钠的二阶导数TD-MIR 光谱（303～393 K）

表2 硝酸钠的二阶导数TD-MIR 光谱数据（303～393 K）

首先开展了硝酸钠νasNO3同步2D-MIR 光谱研究，见图4。

从图4 可知，在1 380～1300 cm-1的频率范围内并没有发现明显的自动锋。

进一步开展了硝酸钠νasNO3异步2D-MIR 光谱研究，见图5。

从图5 可知，在1 380～1 300 cm-1的频率范围内并没有发现明显的交叉峰。 研究发现：在1 380～1 300 cm-1频率范围内，采用2D-MIR 并不能得到有价值的光谱信息。

2.3.2 硝酸钠νsNO3的2D-MIR 光谱研究

在1 090～1 020 cm-1的频率范围内开展了硝酸钠νsNO3同步2D-MIR 光谱研究，见图6。

从图6 可知，首先在（1 062 cm-1，1 062 cm-1）频率发现1 个相对强度较大的自动峰，证明该频率对应的吸收峰对于温度变化比较敏感。

在1 090～1 020 cm-1的频率范围内进一步开展了硝酸钠νsNO3异步2D-MIR 光谱研究，见图7。

从图7 可知，在（1 062 cm-1，1 066 cm-1）频率发现1 个相对强度较大的交叉峰，相关2D-MIR 光谱数据见表3。

根据NODA 规则和表3 数据可知，硝酸钠νsNO3-二维对应的吸收频率包括：1 066 cm-1（νsNO3-1-二维-硝酸钠）和1 062 cm-1（νsNO3-2-二维-硝酸钠）。 随着测定温度的升高，硝酸钠νsNO3-二维吸收峰变化快慢顺序为：1 066 cm-1（νsNO3-1-二维-硝酸钠）>1 062 cm-1（νsNO3-2-二维-硝酸钠）。

图4 硝酸钠νasNO3同步2D-MIR 光谱（1 380～1 300 cm-1）

图5 硝酸钠νasNO3异步2D-MIR 光谱（1 380～1 300 cm-1）

图6 硝酸钠νsNO3同步2D-MIR 光谱（1 090～1 020 cm-1）

图7 硝酸钠νsNO3异步2D-MIR 光谱（1 090～1 020 cm-1）

表3 硝酸钠νsNO3的2D-MIR 光谱数据及解释（1 090～1 020 cm-1）

2.3.3 硝酸钠γNO3的2D-MIR 光谱研究

在870～810 cm-1频率范围内，进一步开展了硝酸钠γNO3同步2D-MIR 光谱研究，见图8。

从图8 可知，在（831 cm-1，831 cm-1）频率附近发现1 个相对强度较大的自动峰，而在870～810 cm-1频率范围内，并没有发现明显的交叉峰。

图8 硝酸钠γNO3同步2D-MIR 光谱（870～810 cm-1）

在870～810 cm-1频率范围内，开展了硝酸钠γNO3异步2D-MIR 光谱研究，见图9。

从图9 可知，在（830 cm-1，834 cm-1）频率附近发现1 个相对强度较大的交叉峰，相关2D-MIR 光谱数据见表4。

根据NODA 规则和表4 数据可知，硝酸钠γNO3-二维对应的吸收频率包括：834 cm-1（γNO3-1-二维-硝酸钠）和830 cm-1（γNO3-2-二维-硝酸钠）。 随着测定温度的升高，硝酸钠γNO3-二维吸收峰变化快慢顺序为：830 cm-1（γNO3-2-二维-硝酸钠）>834 cm-1（γNO3-1-二维-硝酸钠）。

2.3.4 硝酸钠βNO3的2D-MIR 光谱研究

在760～700 cm-1频率范围内，开展了硝酸钠βNO3同步2D-MIR 光谱研究，见图10。

图9 硝酸钠γNO3异步2D-MIR 光谱（870～810 cm-1）

表4 硝酸钠γNO3的2D-MIR 光谱数据及解释（870～810 cm-1）

从图10 可知，在（724 cm-1，724 cm-1）频率附近发现1 个相对强度较大的自动峰，而在760～700 cm-1频率范围内，并没有发现明显的交叉峰。

在760～700 cm-1频率范围内， 进一步开展了硝酸钠βNO3异步2D-MIR 光谱研究，见图11。

从图11 可知，在（722 cm-1，726 cm-1）和（726 cm-1，730 cm-1）频率附近发现2 个相对强度较大的交叉峰，相关2D-MIR 光谱数据见表5。

图10 硝酸钠βNO3同步2D-MIR 光谱（760～700 cm-1）

根据NODA 规则和表5 数据可知，硝酸钠βNO3-二维对应的吸收频率包括：730 cm-1（βNO3-1-二维-硝酸钠）、726 cm-1（βNO3-2-二维-硝酸钠）和722 cm-1（βNO3-3-二维-硝酸钠）。随着测定温度的升高，硝酸钠βNO3-二维吸收峰变化快慢的顺序为：722 cm-1（βNO3-3-二维-硝酸钠）>730 cm-1（βNO3-1-二维-硝酸钠）>726 cm-1（βNO3-2-二维-硝酸钠）。

3 结论

图11 硝酸钠βNO3异步2D-MIR 光谱（760～700 cm-1）

表5 硝酸钠βNO 3的2D-MIR 光谱数据及解释（760～700 cm-1）

采用MIR 光谱开展硝酸钠的结构研究。 采用TD-MIR 光谱开展了温度变化对于硝酸钠结构的影响。 采用2D-MIR 光谱，进一步研究了热扰动下硝酸钠主要官能团对应的吸收峰对热的敏感程度及变化快慢的信息。 本文为研究重要的无机盐（硝酸钠）结构及热稳定性建立了一个新的方法学，具有重要的理论研究意义和一定应用价值。