研究生仪器分析实验指导书.docx
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研究生仪器分析实验指导书
实验一紫外光谱分析实验
一、实验目的要求
通过实验了解有机物吸收带精细结构及其在不同溶剂中精细结构的变化；利用紫外光谱法纯度检验；测量样品的浓度。
要求同学掌握紫外光谱仪的仪器基本构造及分析原理；利用所学过的紫外光谱知识，解释有机物在不同形态下的吸收带精细结构变化；样品纯度的检验，及可能含有的杂质是什么；设计出合理的方法测出样品的浓度。
二、实验原理
紫外吸收光谱法是有机分析中一种常用的方法，具有仪器设备简单、操作方便、灵敏度高的特点，已广泛应用于有机化合物的定性、定量和结构鉴定。
由于紫外吸收光谱的吸收峰通常很宽，峰的数目也很少，因此在结构分析方面不具有十分专一性。
通常是根据最大吸收峰的位置及强度判断其共轭体系的类型及在结构相似的情况下，区分共轭方式不同的异构体。
1．化合物中微量杂质检查
利用紫外光谱法可以方便地检查出某些化合物中的微量杂质。
例如，在环己烷中含有微量杂质苯，由于苯有一B吸收带，吸收波长在220~270nm范围，而环己烷在此处无明显吸收峰。
因此，根据在220~270nm处有苯的粗细结构吸收带，即可判断环己烷中是否有微量杂质苯存在。
2．未知样品的鉴定
用紫外光谱法鉴定未知样品时，若有标准样品，则把试样和标准样品用相同的溶剂，配制成相同浓度的溶液，分别测量吸收光谱，如果两者为同一化合物，则吸收光谱应完全一致。
若无标准样品，可与文献上的标准谱图进行比较。
在实际测定中，我们还常常利用紫外吸收峰的波长和强度进行定性分析。
例如，烟碱（尼古丁）在0.1N硫酸中最大吸收峰波长λmax为260纳米，百分吸光系数=343。
如果某化合物在相同条下测得的λmax和与烟碱的数据一致，则该化合物结构与烟碱结构就基本相同。
3．定量分析
应用紫外光谱法进行定量分析的方法很多，如：
a.标准曲线法、b.对照法、c.吸光系数法、d.混和物的定量、e.双波长分光光度法。
但最常用最简单的方法就是"标准曲线法"。
根据光的吸收定率：
A=εbcε-吸光系数；b-吸收池液层厚度；c-溶液浓度
如果液层厚度保持不变，即b一定，入射光波长和其他条件也保持不变，则在一定浓度范围内，所测得的吸光度与待测物质的浓度成正比。
配制一系列浓度的标准溶液，在λmax处分别测定吸光度。
以标准溶液的浓度为横座标，相应的吸光度A为纵座标，绘出标准曲线。
如果测出未知浓度样品的吸光度值，就可以从标准曲线中上查出样品的浓度。
4．有机化合物分子结构的推断
1）共轭体系的确定
通过测定有机化合物的紫外光谱，可以确定分子中有无共轭体系及共轭的程度。
如果一种化合物在210nm以上无吸收，可以认为不含共轭体系。
在210～250nm区域有较强吸收带，则可能有两个共轭双键。
例如：
1，3丁二烯的λmax为217nm，εmax为21.000。
如果在260～350nm区域有强吸收带，表示有三至五个共轭双键。
例如：
葵五烯有五个共轭双键，其λmax为335nm，εmax为118.000。
随着共轭体系的增加，最大吸收波长红移，吸收强度增大。
2）互变异构体的判别
某些有机化合物在溶液中存在互变异构体，利用它们紫外吸收光谱的特点，可以进行判别。
例如，乙酰乙酸乙酯存在酮式和烯醇式两种异构体。
酮式异构体孤立羰基，不存在共轭体系，在近紫外区无强的吸收，只是在吸收波长272nm（εmax=16）处有弱吸收，由n→π*跃迁引起；烯醇式异构体具有共轭体系，故在近紫外有较强的吸收，吸收峰波长在243纳为（εmax=16.000）。
3）顺反异构体的判别
当有机化合物分子空间构型不同时，其紫外吸收光谱也不一样。
通常反式异构体的吸收峰波长比顺式异构体的吸收峰波长要长，吸收强度要大。
利用这种判别，可以鉴别顺反异构体。
例如：
1，2-二苯乙烯的顺反两种异构体λmax和εmax不一样。
4）样品浓度与溶剂的选择
紫外光谱法所测定的样品通常是液态物质。
由于吸光度和浓度之间的线性关系，即朗伯-比耳定律（A=εbc），只有在稀溶液下才成立。
所以，对待测物质的浓度就要有所要求，一般用量：
1cm池子，约3ml溶液，样品量0.1~100mg。
另外，由于溶剂效应，即某些物质的紫外吸收光谱特性，与所采用溶剂的极性有密切的关系，溶剂的极性不同，同一化合物的紫外吸收光谱形状、吸收峰位置不一样。
在测试前，要正确选择溶剂。
即记录吸收波长时，应注明所用溶剂，在把一种未知物的吸收光谱与已知化合物吸收光谱进行比较时，要使用相同溶剂。
溶剂除了对吸收波长有影响外，还影响吸收强度和精细结构。
例如B吸收带的精细结构在非极性溶剂中较清楚，但在极性溶剂中则较弱，有时消失而出现一个宽峰。
苯酚的B吸收带就是这样一个例子。
苯酚的精细结构在非极性溶剂庚烷中清晰可见，而在极性溶剂乙醇中则完全消失而呈现一宽峰。
因此，在溶解度允许范围内，应选择极性较小的溶剂。
另外，溶剂本身有一定的吸收带，如果和溶质的吸收带有重叠，将妨碍溶质吸收带的观察。
三、仪器与试剂
1．仪器：
岛津UV2550型紫外分光光度计；容量瓶25ml，移液管1ml，5ml
2．紫外分光光度计的构造原理
由光源（氘灯，根据波长而变换使用）发出的光经入口狭缝及反射镜反射至石英棱镜或光栅，色散后经过出口狭缝而得到所需波长的单色光束。
然后由反射镜反射至由马达转动的调制板及扇形镜上。
当调制板以一定转速旋转时，时而使光束通过，时而挡住光束，因而调制成一定频率的交变光束。
之后扇形镜在旋转时，将此交变光束交替地投射到参比溶液（空白溶液）及试样溶液上，后面的光电倍增管接受通过参比溶液及为试样溶液所减弱的交变光通量，并使之转变为交流信号。
此信号经适当放大并用解调器分离及整流。
然后以电位器自动平衡此两直流信号的比率，并为记录器所记录而绘制吸收曲线。
现代仪器在主机中装有微处理机或外接微型计算机，控制仪器操作和处理测量数据，组装有屏幕显示、打印机和绘图仪等。
任何一种分光光度计，基本上都是由五部分组成。
即光源、单色器、样品吸收池、检测器、记录系统。
四、实验步骤
1.开机（顺序：
稳压电源、光学台、电脑）；
2.预热二十分钟后，在UVProbe2.5菜单下进入紫外－可见光谱测试程序，然后仪器进行自检；
3.自检完后，方法中选取Spectrum，设计参数；
4.放入基准物，进行基线扫描（每次打开软件都要扫描），按Start进行自动扫描；
5.基线有杂峰，一般需要反复清洗比色皿，更换优级纯试剂；
6.放入样品，按Start进行自动扫描，确定最大波长；
7.需要定量测试的，选取光度，进行参数设计；
8.放入样品，点Read，输入标准物浓度值；
9.标准物做完后，点Unknown，做未知浓度样品；
10.保存数据文件格式；
11.关机前先点断开。
五、数据处理
1.先以溶剂为基准做全波段基线扫描图
2.以波长为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制吸收曲线（电脑自动绘制），得到最大吸收波长为。
3.最大吸收波长，测定标准液A，绘制标准曲线：
（λ=nm）
浓度ppm
10
20
30
40
50
吸光度（A）
？
4.测定样品的浓度（V=1mL，λ=nm）
吸光度A
A平均值
标准曲线的浓度mol/mL
样品含量的平均值
六、思考题
1.吸收曲线与标准曲线有何区别？
在实际应用中有何意义？
2.本实验中为什么使用石英比色皿而不能使用玻璃比色皿？
实验二红外光谱分析
红外光谱是研究结构与性能关系的基本手段之一,可用于研究有机物和部分无机化合物，具有分析速度快、试样用量少，能分析各种状态的试样等特点，主要用于定性分析和准确度不高的定量研究。
一、实验目的
1．了解红外光谱的基本原理，初步掌握红外光谱试样的制备和红外光谱仪的使用。
2．初步学会红外光谱图的解析。
二、基本原理
当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，这个基团就吸收了一定频率的红外光。
分子吸收光能后由原来的振动基态能级跃迁到较高的振动能级。
按量子学说，当分子从一个量子态跃迁到另一个量子态时，就要发射或吸收电磁波，两个量子状态间能量差△E与发射或吸收光的频率之间存在如下关系：
△E=h•υ,记录下吸收或透射光与红外区的频率的曲线即成为红外谱图。
以双光束红外光谱仪为例。
红外光谱仪的结构由光源、单色器、检测器、放大器和记录系统组成。
红外光源常用的有Nernst灯或硅碳棒，与加热板里的加热丝相似，将光源加热到足够温度，就能辐射出波长范围适合红外光谱仪所需的光线。
为了使光强度维持恒定，以保持稳定的基线，采用自动调节的狭缝。
光束由反光镜使之沿着固定的光路照到样品池。
由于空气中的二氧化碳和水是红外活性物质，必须用双光束的方法补尝消除。
通过样品后的光束用单色器分光，再进入红外接收器——灵敏的热电偶，将光转变为电信号，进入记录仪器获得以波数为谱图横坐标，吸收光强度为纵坐标的的红外吸收谱图。
三、实验样品的准备
要获得好的谱图，制样是关键，要掌握好样品厚度。
常用的方法有：
1．薄膜法。
对透明的样品可制备成薄膜，厚度10μm～30μm。
1）对热塑性样品，可将样品加热到软化点以上或者熔融，加压成适当厚度薄膜。
2）能溶解的材料，可采用溶液制膜，具体是选用适当溶剂溶解样品、静置；将清液倒出，在通风橱中挥发浓缩；浓缩液倒在干净的玻璃板或者聚四氟乙烯制成的圆盘上，待溶剂挥发后取下薄膜。
也可将浓稠的样品溶液直接涂在氯化钠晶片上，成膜后连同氯化钠晶片一起进行红外测定。
2．卤化物压片法。
取l-2mg试样粉末在玛瑙研钵中充分磨细（试样颗粒小于所用的辐射波长，则可消除或削弱粒子的散射影响。
一般需粉碎至2μm，再加入400mg干燥的KBr粉末，继续研磨几分钟，直至完全混合均匀。
将混合物在红外灯下烘烤10min左右（温度不宜太高），约取100mg混合物于压片机上进行压片，获得直径为13mm、厚为0.8mm左右的薄片。
四、谱图分析
编写实验报告：
参考红外基团特征吸收表，对照谱图判断含有那些基团，推定可能是何种物质；再查阅标准谱图，判定推断的结果是否正确。
标出化合物中阴离子对应的振动峰。
1.已知分子式为C8H15N，根据其红外谱图，推断其可能的结构。
2.原始原料红外谱图
3.用有机试剂改性后的谱图：
多出的峰值，表明改性剂已经进入到原始原料中，形成了有机新材料。
附录：
a、化合物中不同状态水的红外吸收波数（cm-1）
水的存在状态
O-H伸缩振动
弯曲振动
游离水
3756
1595
吸附水
3435
1630
结晶水
3200-3250
1670~1685
结构水（羟基水O-H）
~3640
1350~1260
b、硫酸盐
孤立SO42-四面体的阴离子团有四种振动模式，即ν1为对称伸缩振动；ν3为反对称伸缩振动；ν2、ν4弯曲振动，它们的振动频率分别是983、1150、450、611cm-1
名称
ν1
ν2
ν3
ν4
水振动
硬石膏
1013
515
1140，1126
671，612
—
420
1095
592
667，634
半水石膏
1012
465
1158，1120
602-669
3615，1620
二水石膏
1000
492
1131，1142
3555，1690
1006
413
1118，1138
3500，1629
c、碳酸盐
力常数较高未受微扰的碳酸根离子是平面三角形对称型,简正振动模式有
对称伸缩振动1120~1045cm-1反对称伸缩振动1510~1390cm-1
面内弯曲振动775~680cm-1面外弯曲振动885~820cm-1
d、硅酸盐矿物
孤立的SiO4离子只有四个振动模式，它们是ν1对称伸缩振动；ν2双重简并振动；ν3三重简并反对称伸缩振动和ν4三重简并面内弯曲振动。
这四个振动中只有ν3和ν4是红外活性的，它们分别在800-1000cm-1和550-450cm-1之间。
结晶二氧化硅（Si-O-Si）对称伸缩振动发生分裂为800和780cm-1，而反对称振动在1100左右，峰很强。
硅酸盐中SiO44-阴离子Si-O-Si非对称伸缩振动：
孤立SiO4四面体800-1000cm-1
链状800-1100cm-1层状聚合900-1150cm-1架状950-1200cm-1聚合SiO5八面体800-950cm-1
e、磷酸盐
具有PO4四面体阴离子基团。
它的基本振动也有四个，即对称伸缩、非对称伸缩、两个弯曲振动,只有非对称伸缩振动1080cm-1和一个弯曲振动500cm-1是红外活性的。
在实际的化合物中由于其它阳离子的加入不仅谱带发生位移，而且会发生分裂，消除原来的简并振动。
实验三TG使用演示与分析
一、目的与要求
1.了解热重分析仪的构造。
2.掌握热重分析原理，了解定性分析处理的基本方法
二、原理：
热重法（简称TG）是在程序控温下，测量物质的质量随温度（或时间）的变化关系。
检测质量的变化最常用的办法就是用热天平，测量的原理可分为变位法和零位法。
在矿物方面的应用：
自然界大多数矿物如粘土类矿物、石灰石、白云石等，在加热过程中会放出气体（CO2↑、H2O↑…），造成重量损失，用热天平测出物质的失重量与相对应的温度作图，即可获得失重曲线。
根据曲线斜率的变化可确定该矿物的失重温度区间及失重温度。
对常见的矿物材料来说失重曲线又称为脱水曲线，因为矿物在加热过程中造成失重的原因主要是脱水，脱去吸附水（又称自由水）和结构水（又称结晶水）。
不同的矿物有不同的失重曲线。
将一未知矿物的失重曲线与一套已知矿物的标准曲线相比较，可初步鉴定矿物的类型及组成。
在陶瓷方面的应用，陶瓷矿物原料的组分定性、定量；无机和有机化合物的热分解；蒸发、升华速度的测量；活化能和反应级数测定；催化剂和添加剂评定；吸水和脱水测定。
利用失重分析法还可以对在加热过程中有重量变化的动力学过程进行研究探讨。
热重分析仪工作原理：
图中可以看到保护气（protectivegas）和吹扫气（purgegas），其中保护气通常使用惰性的N2，经天
平室（Weighingchamber）、支架连接区而通入炉体，可以使天平处于稳定而干燥的工作环境，防止
潮湿水气、热空气对流以及样品分解污染物对天平造成影响。
仪器允许同时连接两种不同的吹扫气
类型（purge1，purge2），并根据需要在测量过程中自动切换或相互混合。
常见的接法是其中一路连
接N2作为惰性吹扫气氛，应用于常规应用；另一路连接空气，作为氧化性气氛使用。
在气体控制
附件方面，可以配备传统的转子流量计、电磁阀，也可配备精度与自动化程度更高的质量流量计
（MFC）。
气体出口（Gasoutlet）位于仪器顶部，可以将载气与气态产物排放到大气中，也可使用加热的传输管线进一步连接FTIR、QMS、GC-MS等系统，将产物气体输送到这些仪器中进行成分检测
试样在程序控温下工作，它是把程序发生器发生的控温信号与加热炉中控温热电偶产生的信号相比较，所得偏差信号经放大器放大，再经过PID（比例、积分、微分）调节后，作用于可控硅触发线路，从而改变加热电流，使偏差信号趋于零，以达到闭环自动控制的目的，使实验的温度严格地按给定速率线性升温或降温。
天平部分检测试样质量变化，通过零位平衡原理的称重变换器，把与质量变化成正比的输出电流信号，经称重放大器放大，再由记录仪或微处理机加以记录。
热重天平辅助调节为不可缺少的部分，温度补偿器用来校温；称量校正器是用来校正天平称量准确度；电调零为自动清零装置；电减码为如需要可人为扣除试样重量时用；微分器可对试样质量变化作微分处理，得到质量变化速率曲线。
目前，国内外都生产出同时可以进行差热分析和失重分析的仪器，称为“差示热天平”，这类仪器可以精确地测出材料差热和失重，升温降温可以程序控制，并可作长时间保温。
可以对材料进行综合热分析，为确定材料的热效应研究带来极大的方便。
三、实验仪器设备
TG分析仪，型号：
（自己记录），实验样品若干
四、实验数据
1.根据TG曲线，计算每一步失重量，初步判断其分解机理。
2.根据DTA曲线，得出峰面积、起始温度、终点温度等数值，判断其分解机理。
编写实验包括，内容应包括：
简单叙述差热分析和热失重分析的原理，数据分析。
六、思考题：
1.仪器装置有哪几个模块？
操作步骤有哪几步？
TG使用时的原理是怎样？
2.各操作参数，如升温速度和样品粒度等，对实验曲线形状有何影响？
实验四差示扫描量热法（DSC）分析
一、实验目的
1.熟悉DSC方法原理，了解仪器的功能单元
2.利用DSC曲线对材料发生的热效应进行分析
二、实验原理
差示扫描量热法是在程序温度控制下，在加热或冷却过程中，使试样和参比物的温度差保持为零时，测量输入到试样和参比物的功率差与温度或时间的关系。
根据测量方法不同，分为功率补偿差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。
记录的曲线称为差示扫描量热（DSC）曲线，纵坐标
为试样和参比物的功率差，也称为热流率，横坐标为温度或时间。
图1.典型DSC曲线
功率补偿型主要特点是试样与参比物分别具有独立的加热器和热传感器。
通过调整试样的加热功率Es，使试样和参比物的温差△T=0，这样可以从补偿的功率直接计算热流率，即
（1）
式中，
为所补偿的功率；
为单位时间内供给试样的热量；为
单位时间内供给参比物的热量；
为单位时间内试样的热焓变化，又称热流率，即DSC曲线的纵坐标（图1）。
差示扫描量热法是通过测定试样与参比物吸收的功率差，反映试样的热焓变化，即DSC曲线下的面积就是试样的热效应。
三、实验仪器和材料：
差示扫描量热仪，型号：
瑞士梅特勒DSCe821
四、思考题
1.差示扫描量热仪与差热分析仪的差别在什么地方？
2.实验的操作因素，如试样用量和升温速度对DSC曲线峰形的影响。
五、实验报告
编写实验包括，内容应包括：
1、简述差示扫描量热法的原理，记录操作的步骤。
2、制备条件能够影响草酸钴的分解温度。
在2种不同制备条件下得到的草酸钴的TG/DSC曲线。
TG/DSC实验条件：
升温速率10º/min；气氛：
空气。
标出热效应峰发生的温度范围，解释热效应原因。
六、参考书目
1．分析化学实验，吉林大学化学系分析化学研究室编，1991
2．薛奇，高分子结构研究中的光谱方法，北京，高等教育出版社，1995。
3.王培铭，许乾慰主编，材料研究方法，科学出版社，北京，2005年。
实验五分子荧光光度法测定苯酚的含量
一、实验目的
1、了解、掌握荧光光谱仪的结构及使用方法。
2、学习荧光光谱定量分析方法。
3、学习测绘苯酚的激发光谱和荧光光谱。
二、方法原理
当分子在紫外或可见光的照射下，吸收了辐射能后，形成激发态分子，分子外层的电子在10-8s内返回基态，在返回基态的过程中，部分能量通过碰撞以热能形式释放，跃至第一激发态的最低振动能级，其余的能量以辐射形式释放出来。
这种分子在光的照射下，分子外层电子从第一激发态的最低振动能级跃至基态时，发射出来的光称为分子荧光。
它是由于光致发光而产生的，通常分子荧光具有比照射光较长的波长。
分子荧光强度可用下式表示：
IF=2.3K'·K·bcI0
（1）
式中K'取决于荧光效率，K是荧光分子的摩尔吸光系数，b是液槽厚度，c是荧光物质的浓度。
由此可见在一定条件下，荧光强度与物质的浓度呈线性关系。
当I0一定时IF=K·c
（2）
又因荧光物质的猝灭效应，此法仅适用于痕量物质分析。
苯酚在水溶液中有强荧光效应，其激发波长为272nm，荧光发射在296nm。
在低浓度时，荧光强度与荧光物质量浓度呈正比IF=K·c。
三、仪器和试剂
1、仪器
分子荧光光谱仪（F-2700，日本日立）；
1000mL容量瓶1只，50mL容量瓶8只，10mL吸量管1只，比色皿（四面透光）1只。
2、试剂
50mg·L-1苯酚贮备液：
准确称取50mg固体苯酚，在45℃条件下，用去离子水完全溶解后，定容至1000mL，即得50.00mg·L-1苯酚标准溶液。
乙醇：
用于清洗比色皿。
四、实验步骤
1、系列标准溶液的配制
取8只50mL容量瓶，分别加入50.0mg·L-1苯酚标准溶液0，0.10，0.25，0.50，1.00，2.00，5.00，10.00mL，用去离子水稀释至刻度，摇匀。
2、绘制激发光谱和荧光发射光谱
以λem=400nm，在220～400nm范围扫描激发光谱；λem=260nm和272nm，在350～600nm范围扫描荧光发射光谱。
3、绘制标准曲线
将激发波长固定在350nm（或250nm），荧光发射波长固定在450nm，测量系列标准溶液的荧光强度。
4、未知试样的测定
将起始浓度为100mg·L-1苯酚降解，在反应100min过程中，每间隔10min取样100μL至10ml容量瓶中，并用去离子水稀释至刻度、摇匀。
在标准系列溶液同样条件下，测量试样溶液的荧光发射强度。
5、数据处理苯酚降解量的计算
（1）.绘制苯酚激发波长和发射波长扫描谱图，荧光强度If对苯酚溶液浓度c的标准。
（2）.由标准曲线求算未知试样的浓度，计算苯酚溶液的降解量。
五、注意事项
苯酚溶液必须当天配制，避光保存。
六、实验结果及分析
1、苯酚激发光谱
实验条件:
EMWL:
400.0nm
EXStartWL:
220.0nm
EXEndWL:
380.0nm
Scanspeed:
3000nm/min
Delay:
0.0s
EXSlit:
5.0nm
EMSlit:
5.0nm
PMTVoltage:
700V
Response:
0.04s
2、苯酚发射光谱
实验条件：
EXWL:
250.0nm
EMStartWL:
270.0nm
EMEndWL:
480.0nm
Scanspeed:
3000nm/min
Delay:
0.1s
EXSlit:
5.0nm
EMSlit:
5.0nm
PMTVoltage:
400V
Response:
0.04s
苯酚溶液激发波长为272nm，发射波长为296nm。
根据实验需求，采用260/290nm为实际测量时的激发和发射波长。
3、标准工作曲线
实验条件
WL:
250.0/296.0nm
Integrationtime:
1.0s
Delay:
0.1s
EXSlit:
2.5nm
EMSlit:
2.5nm
PMTVoltage:
700V
标准曲线
4、苯酚降解率
实验条件：
WL:
250.0/296.0nm
Integrationtime:
1.0s
Delay:
0.1s
EXSlit:
2.5nm
EMSlit:
2.5nm
PMTVoltage:
700V
实验六元素分析实验
一、实验目的
1、测定样品中C、H、N、S含量及分析的原理。
2、了解、掌握元素分析仪的结
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