仪器分析课程辅导教案Word文档格式.docx
《仪器分析课程辅导教案Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪器分析课程辅导教案Word文档格式.docx（108页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
分光光度计13
定性及定量分析方法16
光度法显色反应条件和测量条件的选择18
紫外-可见分光光度法应用21
自测题21
原子吸收分光光度法23
基本原理23
原子吸收分光光度计30
定量分析方法31
原子吸收分光光度法干扰及消除32
原子吸收实验技术及应用34
自测题36
分子荧光分析法37
基本原理38
溶液的荧光强度41
测量荧光的仪器43
应用与示例44
自测题45
色谱分析导论46
色谱法及其分类46
色谱流出曲线和术语48
色谱分析基本原理50
自测题60
气相色谱法62
概述62
气相色谱分离条件的选择63
色谱柱65
气相色谱检测器67
气相色谱定性定量分析71
毛细管柱气相色谱法75
顶空气相色谱法76
气相色谱法的应用77
自测题78
高效液相色谱法79
概述79
高效液相色谱仪80
色谱分离条件选择84
液-固色谱法85
化学键合相色谱法86
离子交换色谱法87
尺寸排阻色谱法88
高效液相色谱法的应用89
自测题90
7学时
基本要点：
1.理解分子吸收光谱的产生及特征；
2.理解光吸收基本定律和应用于紫外可见分光光度法的条件及其偏离因素；
3.了解紫外-可见分光光度计的主要部件及其类型；
4.理解紫外-可见分光光度法的显色反应条件和测量条件的选择；
5.掌握紫外-可见分光光度法的定性分析和定量分析方法及其应用。
∙光学分析法
光学分析法—利用辐射与物质间相互作用进行定性、定量的分析方法。
光谱法光学光谱：
原子吸收、紫外可见、荧光分析、原子发射等
光学其它光谱：
核磁共振、顺磁共振、X射线荧光等
分析法
非光谱法：
折射法、偏振法、旋光法、园二向色散法、X射线衍射法等
∙电磁波
一.电磁波
电磁波：
实验证实，电磁波（电磁辐射）是一种以极高速度传播的光量子流。
既具有粒子性，也具有波动性。
1.波动性：
其特征是每个光子具有一定的波长，可以用波的参数如波长（ë
）、频率（í
）、周期（T）、及振幅（A）等来描述。
由于在真空中，所有电磁波均以同样的最大速度“C”传播，各种辐射在真空中有固定的波长：
（1）
但电磁波在任何介质中的传播速度都比在真空中小，通常用真空中的“λ”值来标记各种不同的电磁波。
波长单位：
紫外可见区常用“nm”
红外光区常用“㎛”
微波区常用“cm”
2.粒子性电磁辐射与物质之间能量的转移用粒子性来解释
特征：
辐射能是由一颗一颗不连续的粒子流传播的，这种粒子叫光量子，是量子化的（发射或被吸收）。
光量子的能量：
E=hν式中：
h—plank常数，其值为6.626⨯10-34J·
S
光量子能量与波长的关系为：
（2）
例如：
λ为200nm的光，一个光量子的能量是：
由于光量子能量小（10-19J），因此定义：
1eV（电子伏）=1.6021⨯10-19J
则上例中
由
（2）式可知：
λ↑→E↓，λ↓→E↑
即：
随着λ↑，辐射波动性变得较明显；
随着λ↓，辐射的粒子性表现的较明显。
二.电磁波
电磁波谱：
电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱。
紫外可见分光光度法：
是根据物质分子对紫外及可见光谱区光辐射的吸收特征和吸收程度进行定性、定量的分析方法。
∙分子吸收光谱
一.分子吸收光谱的产生
（一）分子能级与电磁波谱
分子中包含有原子和电子，分子、原子、电子都是运动着的物质，都具有能量，且都是量子化的。
在一定的条件下，分子处于一定的运动状态，物质分子内部运动状态有三种形式：
①电子运动：
电子绕原子核作相对运动；
②原子运动：
分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动；
③分子转动：
整个分子绕其重心作旋转运动。
所以：
分子的能量总和为
E分子=Ee+Ev+Ej+⋯（E0+E平）（3）
分子中各种不同运动状态都具有一定的能级。
三种能级：
电子能级E（基态E1与激发态E2）
振动能级V=0，1，2，3⋯
转动能级J=0，1，2，3⋯
当分子吸收一个具有一定能量的光量子时，就有较低的能级基态能级E1跃迁到较高的能级及激发态能级E2，被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能量差∆E恰好相等，否则不能被吸收。
图1双原子分子的三种能级跃迁示意图
对多数分子对应光子波长光谱
∆E约为1~20eV1.25~0.06㎛紫外、可见区（电子）
∆E约为0.5~1eV25~1.25㎛（中）红外区（振动）
∆E约为10-4~0.05eV1.25cm~25㎛（远）红外区（转动）
分子的能级跃迁是分子总能量的改变。
当发生电子能级跃迁时，则同时伴随有振动能级和转动能级的改变，即“电子光谱”——均改变。
因此，分子的“电子光谱”是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带，称为“带状光谱”。
由于各种物质分子结构不同→对不同能量的光子有选择性吸收→吸收光子后产生的吸收光谱不同→利用物质的光谱进行物质分析的依据。
二.紫外-可见吸收光谱与有机分子结构的关系
（一）电子跃迁的类型
许多有机化合物能吸收紫外-可见光辐射。
有机化合物的紫外-可见吸收光谱主要是由分子中价电子的跃迁而产生的。
分子中的价电子有：
成键电子：
σ电子、π电子（轨道上能量低）
未成键电子：
n电子（轨道上能量较低）
这三类电子都可能吸收一定的能量跃迁到能级较高的反键轨道上去，见图-3：
键
图2分子中价电子跃迁示意图
1.σ-σ*跃迁
σ-σ*的能量差大→所需能量高→吸收峰在远紫外（λ<
150nm）
饱和烃只有σ、σ*轨道，只能产生σ-σ*跃迁，例如：
甲烷吸收峰在125nm；
乙烷吸收峰在135nm（<
150nm）
（因空气中O2对<
150nm辐射有吸收，定量分析时要求实验室有真空条件，要求一般难达到）
2.π-π*跃迁
π-π*能量差较小→所需能量较低→吸收峰紫外区（λ200nm左右）
不饱和烃类分子中有π电子，也有π*轨道，能产生π-π*跃迁：
CH2=CH2,吸收峰165nm。
（吸收系数ε大，吸收强度大，属于强吸收）
3.n-σ*跃迁
n-σ*能量较低→收峰紫外区（λ200nm左右）（与π-π*接近）
含有杂原子团如：
-OH，-NH2，-X，-S等的有机物分子中除能产生
σ-σ*跃迁外，同时能产生n-σ*跃迁，例如：
三甲基胺（CH3）3N-的n-σ*吸收峰在227nm，ε约为900L/mol·
cm，属于中强吸收。
4.n-π*跃迁
n-π*能量低→吸收峰在近紫外、可见区（λ200~700nm）含有杂原子的不饱和基团，如-C=O，-C≡N等，例如：
丙酮：
n-π*跃迁，λmax280nm左右（同时也可产生π-π*跃迁），属于弱吸收，ε<
500L/mol·
cm.
各种跃迁所需能量大小次序为：
σ-σ*>
n-σ*≥π-π*>
n-π*
紫外-可见吸收光谱法在有机化合物中应用主要以：
π-π*、n-π*为基础。
（二）吸收峰的长移和短移
长移：
吸收峰向长λ移动的现象，又称红移；
短移：
吸收峰向短λ移动的现象，又称紫移；
增强效应：
吸收强度增强的现象；
减弱效应：
吸收强度减弱的现象。
（三）发色团和助色团
π-π*、n-π*跃迁都需要有不饱和的官能团以提供π轨道，因此，轨道的存在是有机化合物在紫外-可见区产生吸收的前提条件。
1.发色团：
具有π轨道的不饱和官能团称为发色团。
主要有：
-C=O，-N=N-，-N=O，-C≡C-等。
但是，只有简单双键的化合物生色作用很有限，其有时可能仍在远紫外区，若分子中具有单双键交替的“共轭大π键”（离域键）时，
如：
丁二稀CH2=CH—CH=CH2
由于大π键中的电子在整个分子平面上运动，活动性增加，使π与π*间的能量差减小，使π-π*吸收峰长移，生色作用大大增强。
2.助色团
本身不“生色”，但能使生色团生色效应增强的官能团——称为助色团
–OH、–NH2、–SH、–Cl、–Br等
（具有未成键电子轨道n的饱和官能团）
当这些基团单独存在时一般不吸收紫外-可见区的光辐射。
但当它们与具有轨道的生色基团相结合时，将使生色团的吸收波长长移（红移），且使吸收强度增强。
（助色团至少要有一对与生色团π电子作用的孤对电子）
（四）溶剂效应（溶剂的极性对吸收带的影响）
π-π*跃迁：
溶剂的极性↑→长移↑
三.吸收光谱
吸收光谱：
又称吸收曲线，是以波长（λ）为横坐标、吸光度（A）为纵坐标所描绘的图形。
特征：
吸收峰曲线上比左右相邻处都高的一处；
λmax吸收程度最大所对应的λ（曲线最大峰处的λ）
谷曲线上比左右相邻处都低的一处；
λmin最低谷所对应的λ；
肩峰介于峰与谷之间，形状像肩的弱吸收峰；
末峰吸收在吸收光谱短波长端所呈现的强吸收而不呈峰形的部分。
图3吸收曲线示意图
定性分析：
吸收光谱的特征（形状和λmax）
定量分析：
一般选λmax测吸收程度（吸光度A）
∙光的吸收定律
一.Lambert-Beer定律——光吸收基本定律
“Lambert-Beer定律”是说明物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度（c）和液层厚度（b）间的关系的定律，是光吸收的基本定律，是紫外-可见光度法定量的基础。
Lambert定律——吸收与液层厚度（b）间的关系
Beer定律——吸收与物质的浓度（c）间的关系
“Lambert-Beer定律”可简述如下：
当一束平行的单色光通过含有均匀的吸光物质的吸收池（或气体、固体）时，光的一部分被溶液吸收，一部分透过溶液，一部分被吸收池表面反射；
设：
入射光强度为I0，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，反射光强度为Ir，则它们之间的关系应为：
I0=Ia+It+Ir（4）
若吸收池的质量和厚度都相同，则Ir基本不变，在具体测定操作时Ir的影响可互相抵消（与吸光物质的c及b无关）
上式可简化为：
I0=Ia+It（5）
（6）
实验证明：
当一束强度为I0的单色光通过浓度为c、液层厚度为b的溶液时，一部分光被溶液中的吸光物质吸收后透过光的强度为It，则它们之间的关系为：
称为透光率，用T%表示。
称为吸光度，用A表示
则A=-lgT=K·
b·
c（7）
此即Lambert-Beer定律数学表达式。
L-B定律可表述为：
当一束平行的单色光通过溶液时，溶液的吸光度（A）与溶液的浓度（C）和厚度（b）的乘积成正比。
它是分光光度法定量分析的依据。
二.吸光度的加和性
设某一波长（λ）的辐射通过几个相同厚度的不同溶液c1，c2⋯⋯cn，其透射光强度分别为I1，I2⋯⋯In，根据吸光度定义：
这一吸光体系的总吸光度为
而各溶液的吸光度分别为：
（8）
吸光度的和为：
（9）
即几个（同厚度）溶液的吸光度等于各分层吸光度之和。
如果溶液中同时含有n中吸光物质，只要各组分之间无相互作用（不因共存而改变本身的吸光特性），则：
A=K1C1b1+K2C2b2+⋯⋯KnCnbn=A1+A2+⋯⋯+An（10）
应用：
①进行光度分析时，试剂或溶剂有吸收，则可由所测的总吸光度A中扣除，即以试剂或溶剂为空白的依据；
②测定多组分混合物；
③校正干扰。
三.吸光系数
Lambert-Beer定律中的比例系数“K”的物理意义是：
吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度。
一定条件（T、λ及溶剂）下，K是物质的特征常数，是定性的依据。
K在标准曲线上为斜率，是定量的依据。
常有两种表示方法：
1.摩尔吸光系数（ε）：
当c用mol/L、b用cm为单位时，用摩尔吸光系数ε表示，单位为L/mol·
cm
A=ε·
c（11）
ε与b及c无关。
ε一般不超过105数量级，通常：
ε>
104为强吸收；
ε<
102为弱吸收；
102>
104为中强吸收。
吸收系数不可能直接用1mol/L浓度的吸光物质测量，一般是由较稀溶液的吸光系数换算得到。
2.吸光系数
当c用g/L，b用cm为单位时，K用吸光系数a表示，单位为L/g·
A=a·
c（12）
ε与a之间的关系为：
ε=M·
a（13）
ε——通常多用于研究分子结构
a——多用于测定含量。
四.引起偏离Lambert-Beer定律的因素
根据L-B定律，A与c的关系应是一条通过原点的直线，称为“标准曲线”。
但事实上往往容易发生偏离直线的现象而引起误差，尤其是在高浓度时。
导致偏离L-B定律的因素主要有：
1.吸收定律本身的局限性
事实上，L-B定律是一个有限的定律，只有在稀溶液中才能成立。
由于在高浓度时（通常C>
0.01mol/L），吸收质点之间的平均距离缩小到一定程度，邻近质点彼此的电荷分布都会相互受到影响，此影响能改变它们对特定辐射的吸收能力，相互影响程度取决于C，因此，此现象可导致A与C线性关系发生偏差。
此外，
（n为折射率）
只有当c≤0.01mol/L（低浓度）时，n基本不变，才能用ε代替ε真。
2.化学因素
溶液中的溶质可因c的改变而有离解、缔合、配位以及与溶剂间的作用等原因而发生偏离L-B定律的现象。
例：
在水溶液中，Cr（Ⅵ）的两种离子存在如下平衡
Cr2O42-+H2O⇌2CrO42-+2H+
Cr2O42-、CrO42-有不同的A值，溶液的A值是二种离子的A之和。
但由于随着浓度的改变（稀释）或改变溶液的pH值，[Cr2O42-]/[CrO42-]会发生变化，使C总与A总的关系偏离直线。
消除方法：
控制条件。
3.仪器因素（非单色光的影响）
L-B定律的重要前提是“单色光”，即只有一种波长的光；
实际上，真正的单色光却难以得到。
由于吸光物质对不同λ的光的吸收能力不同（ε不同），就导致对的偏离。
“单色光”仅是一种理想情况，即使用棱镜或光栅等所得到的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带，“单色光”的纯度与狭逢宽度有关，狭缝越窄，他所包含的波长范围也越窄。
4.其它光学因素
（1）散射和反射：
浑浊溶液由于散射光和反射光而偏离L-B
（2）非平行光
∙分光光度计
紫外-可见分光光度计是在紫外可见区可任意选择不同λ的光测定吸光度的仪器。
一.紫外-可见分光光度计的主要部件
1.光源：
提供入射光的装置；
（1）钨灯或碘钨灯：
发射光λ范围宽，但紫外区很弱，通常取此λ>
350nm
光为可见区光源
（2）氢灯或氘灯：
气体放电发光光源，发射150~400nm的连续光谱，用作紫外区同时配有：
稳压电源（稳定I0）；
光强补偿装置；
聚光镜等。
2.单色器：
将来自光源的光按波长的长短顺序分散为单色光并能随意调节所需波长光的一种装置。
（1）色散元件——把混合光分散为单色光的元件是单色器的关键部分！
）
常用的元件有：
棱镜——由玻璃或石英制成，它对不同λ的光有不同的折射率，将复合光分开
但：
光谱疏密不均长λ区密，短λ区疏
光栅——由抛光表面密刻许多平行条痕（槽）而制成，利用光的衍射作用和干扰作用使不同λ的光有不同的方向，起到色散作用。
（光栅色散后的光谱是均匀分布的）
（2）狭缝——入口狭缝：
限制杂散光进入出口狭缝：
使色散后所需λ的光通过
（3）准直镜——以狭缝为焦点的聚光镜其作用为：
将来自于入口狭缝的发散光变成单色光把来自于色散元件的平行光聚集于出口狭缝
3.吸收池：
装被测溶液用的无色、透明、耐腐蚀的池皿光学玻璃吸收池——只能用于可见区石英吸收池——可用于紫外及可见区。
定量分析时：
吸收池应配套（同种溶液测定∆A<
0.5%）
4.检测器：
将接受到的光信号转变成电信号的元件。
常用的有：
（1）光电管一真空管内装有：
一个丝状阳极——用镍制成
一个半圆筒状阴极——金属制成，凹面涂光敏物质。
国产光电管：
紫敏光电管：
用锑、铯做阴极，适用范围200~625nm
红敏光电管：
用银、氧化铯作阴极，适用范围625~1000nm
（2）光电倍增管：
原理与光电管相似，结构上有差异。
5.显示器：
电表指针、数字显示、荧光屏显示等
显示方式：
A、T（%）、c等
二.分光光度计的类型
常见的可见及紫外-可见分光光度计：
1.单波长、单光束分光光度计（721、722、752型等）
一个单色器；
一种波长的单色光；
一束单色光。
2.单波长双光束分光光度计
从一个单色器获取一个波长的单色光用切光器分成二束强度相等的单色光实际测量到的吸光度A应为∆A（As-AR）
（14）
式中消去了I0,即消除了光源不稳定性引起的A值测量误差。
3.双波长分光光度计
二个单色器得到二个波长不同的单色光。
两束波长不同的单色光（λ1、λ2）交替地通过同一试样溶液（同一吸收池）后照射到同一光电倍增管上，最后得到的是溶液对λ1和λ2两束光的吸光度差值∆A即Aλ1-Aλ2：
图4双波长双光束分光光度计以双波长单光束方式工作时的光学系统图
若用于测定浑浊样品或背景吸收较大的样品时，可提高测定的选择性，用AS表示非待测组分的吸光度（背景吸收）则
（15）
（16）
一般情况下：
由于λ1与λ2相差很小，可视为相等（As一般不受λ
的影响，或影响甚微）
∴As
（1）=As
（2）
因此，通过吸收池后的光强度差为
（17）
该式表明：
试样溶液中被测组分的浓度与两个波长λ1和λ2处的吸光度差∆A成比例，这是双波长法的定量依据。
双波长分光光度计不仅可测定多组分混合试样、浑浊试样，而且还可测得导数光谱。
∙定性及定量分析方法
一.定性分析
选择合适的溶剂（非极性），使用有足够纯度单色光的分光光度计，在相同的条件下测定相近浓度的待测试样和标准品的溶液的吸收光谱，然后比较二者吸收光谱特征：
吸收峰数目及位置、吸收谷及肩峰所在的位置（λ）等；
分子结构相同的化合物应有完全相同的吸收光谱。
二.定量分析
（一）单组分定量分析方法
1.标准曲线法：
配制一系列（5~10）个不同c的标准溶液，在适当λ——通常为λmax下，以适当的空白溶液作参比，分别测定A，然后作A-c曲线同条件下测定试样溶液吸光度Ax，查找对应的cx。
2.直接比较法：
已知试样溶液基本组成，配制相同基体、相近浓度的标准溶液，分别测定吸光度A标、A样
根据L-A定律：
A标=K·
c标A样=K·
c样
则
（18）
（二）多组分定量分析
混合组分的吸收光谱相互重叠的情况不同，测定方法也不相同，常见混合组分吸收光谱相干扰情况有以下三种：
图5混合组分吸收光谱的三种相干情况示意图
1.第一种情况：
各种吸光物质吸收曲线不相互重叠或很少重叠，则可分别在λ1及λ2处测定a及b组分的c；
2.第二种情况部分重叠：
先在λ1处测得ca,再在λ2处测得混合组分的吸光度Aa+b，根据吸收定律加和性：
即可求得cb。
[应先求得εa（λ2），与εa（λ2），并使用相同b]
3.第三种情况:
两吸收曲线互相重叠，但服从L-B定律
（1）解方程组法：
若试样中需要测定两种组分，则选定两个波长λ1及λ2，测得试液的吸光度为A1和A2，则可解方程组求得组分a、b的浓度ca、cb：
（在λ1处）
（在λ2处）（19）
如果混合物含有n个组分，可不经分离，在n个适当波长处进行n次测量，获得n个吸光度值，然后解n个联立方程以求得各组分的浓度。
（2）等吸光度双波长（消去）法
吸收光谱重叠的d、e两组分共存，现设法把一种组分（a）的吸光度消去。
方法如下：
e
图6二组分混合物吸收光谱用作图法选择λ1、λ2（双波长分光光度法）
选取两个适当的波长λ1和λ2，
使ε1d=ε2d，而
尽
升级会员 