氢氧化物红外光谱

氢氧化物作为一类常见的无机化合物，因分子中含有 - OH 基团，其红外光谱往往呈现出与羟基振动相关的特征吸收峰。尽管无机物的红外吸收多集中于指纹区（400-1500 cm⁻¹），但氢氧化物中的 - OH 基团受金属离子配位环境影响，会在中红外区（尤其是 3000-4000 cm⁻¹）产生具有辨识度的特征峰。以下结合三种典型氢氧化物 —— 氢氧化钙（Ca (OH)₂）、氢氧化镁（Mg (OH)₂）和氢氧化铝（Al (OH)₃），解析其红外光谱特征。

一、氢氧化物红外光谱的共性与差异基础

所有氢氧化物均含 - OH 基团，其红外吸收主要源于 - OH 的伸缩振动（νₒₕ）和弯曲振动（δₒₕ）。但由于金属离子（如 Ca²⁺、Mg²⁺、Al³⁺）的电荷、离子半径及配位方式不同，-OH 的电子云密度和键能存在差异，导致特征峰的位置、强度和形态各不相同：

• 金属离子电荷越高、半径越小（如 Al³⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺），对 - OH 的吸引力越强，-OH 键能降低，伸缩振动频率（峰位）向低波数方向移动；
• 晶体结构中氢键的存在会进一步影响峰形（如宽化）和峰位（如偏移）。

二、典型氢氧化物的红外光谱特征

1. 氢氧化钙（Ca (OH)₂）

• 晶体结构：层状结构，Ca²⁺与 - OH 通过离子键结合，层间以弱氢键连接。
• 特征吸收峰：
  • 3644 cm⁻¹：强而尖锐的吸收峰，对应 - OH 的伸缩振动。因 Ca²⁺离子半径大、电荷低，对 - OH 的吸引较弱，-OH 键能较高，故峰位高于其他氢氧化物。
  • 650-400 cm⁻¹：宽而弱的吸收，源于 Ca-O 键的弯曲振动（指纹区特征）。

2. 氢氧化镁（Mg (OH)₂）

• 晶体结构：六方层状结构，Mg²⁺离子半径小、电荷密度高，与 - OH 结合更紧密，层间氢键作用强于 Ca (OH)₂。
• 特征吸收峰：
  • 3698 cm⁻¹：强吸收峰，为 - OH 的伸缩振动。由于 Mg²⁺对 - OH 的吸引力强于 Ca²⁺，-OH 键能略低，峰位较 Ca (OH)₂稍低。
  • 1400-1500 cm⁻¹：弱吸收峰，可能与层间氢键的弯曲振动有关。
  • 400-600 cm⁻¹：较强的宽峰，对应 Mg-O 键的振动及 - OH 的弯曲振动叠加。

3. 氢氧化铝（Al (OH)₃）

• 晶体结构：常见为三水铝石结构，Al³⁺与 - OH 形成八面体配位，分子内及分子间存在强氢键，结构较前两者更复杂。
• 特征吸收峰：
  • 3000-3600 cm⁻¹：宽而强的吸收带，由 - OH 的伸缩振动引起。因 Al³⁺电荷高、对 - OH 吸引强，且氢键作用显著，导致峰形宽化，与有机物中游离羟基的尖锐峰明显不同。
  • 1000-1100 cm⁻¹：中等强度吸收峰，对应 Al-OH 的弯曲振动。
  • 400-800 cm⁻¹：复杂的吸收峰群，源于 Al-O 键的振动及晶格振动，为指纹区的特征标识。

三、总结与对比

三种氢氧化物的红外光谱核心差异体现在 - OH 伸缩振动峰的位置和形态上，可作为快速识别的依据：

通过这些特征峰，可有效区分不同氢氧化物，并辅助判断样品中是否存在氢氧化物杂质或反应产物。