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仪器分析习题课 色谱分析部分 第八章 气相色谱分析 1 简要说明气相色谱分析原理 答 混合物中的各组分在载气的携载下通过色谱柱时 各组分将与固定相发生相互作用 由于各组分在结构和性质上的差异 使得其在两相间的分配系数不同 在同一推动力的作用下 混合物中的各组分就在两相间进行反复多次的分配 使得原来分配系数只有微小差异的得到很大的分离效果 从而各组分彼此分离开来 2 气相色谱仪设备包括那几部分 各有什么作用 答 载气系统 含气源 净化装置 流速控制和测量装置 其作用为提供具有一定流速且纯净的载气 进样系统 含进样器和气化室 作用是使液体试样迅速气化并随载气 气体试样直接 进入色谱柱中 分离系统 含色谱柱 柱箱 温度控制装置等 是气相色谱分析仪的最重要组成部分 试样在此被彼此分离 检测系统 含检测器和控温装置 柱后组分进入检测器后 其浓度或质量的变化被转变为相应的电讯号 记录系统 含放大器 记录仪及数据处理装置 作用是记录色谱图 对所得的色谱数据进行处理 计算 3 下述参数改变时 1 柱长缩短 2 固定相改变 3 流动相流速增加 4 相比减小 是否会引起分配系数的变化 为什么 答 1 柱长缩短分配系数K只与组分和固定液的性质及柱温 柱压有关 与柱长无关 故分配系数K不变 2 固定相改变若固定相改变的性质发生变化 组分在固定液中的溶解度也将发生变化 故分配系数K将改变 3 流动相流速增加流动相流速增加 将导致柱压增加 分配系数K将改变 但改变的幅度将很小 可略 4 相比减小相比 减小 并未改变两相的性质 故分配系数K不变 4 下述参数改变时 1 柱长增加 2 固定相量增加 3 流动相流速减小 4 相比增加 是否会引起分配比的变化 为什么 答 由分配比定义可知 分配比k是热力学常数 与组分和固定液的性质及柱温 柱压有关 此外 还与相比有关 k K 而 VM VS 而与流动相流速 柱长无关 因此 1 柱长增加 分配比k不变化 2 固定相量增加 VS增大 减小 分配比k增加 3 流动相流速减小 分配比k基本不变 4 相比增加 分配比k减小 5 试以塔板高度H做指标讨论气相色谱操作条件的选择 答 由范弟姆特速率方程式 可知 色谱柱的填充均匀程度 担体粒度 载气种类 载气流速 柱温的变化 固定相液膜厚度等均对柱效能有影响 1 色谱柱的填充均匀 有利于降低 值 2 使用粒度细小 均匀的担体 可降低A和气相传质阻力系数Cg 3 Dg 1 Mg 载气的分子量大 Dg小 可提高柱效能 4 由于 因此 控制载气流速 可使H最小 5 柱温的变化 对分配比k的影响很大 提高柱温 可显著不同组分的降低分配比k 6 降低固定相液膜厚度 可降低液相传质阻力系数Cl 7 当下述参数改变时 1 增大分配比 2 流动相速度增加 3 减小相比 4 提高柱温 是否会使色谱峰变窄 为什么 答 1 增大分配比 保留时间延长 峰形变宽 2 流动相速度增加 保留时间缩短 峰形变窄 3 减小相比 保留时间延长 峰形变宽 4 提高柱温 保留时间缩短 峰形变窄 8 为什么可用分离度R作为色谱柱的总分离效能指标 答 分离度R的定义 相邻两组分色谱峰保留值之差与两组分色谱峰的峰底宽度总和之半的比值 R的值越大 就意味着相邻两组分分离得越好 分子是两组分保留值的差 反映了固定液的势力学性质 分母是色谱峰的宽窄 则反映了色谱过程的动力学因素 反映了柱效能的高低 因此 分辨率是柱效能 选择性影响的总和 可以作为色谱柱的总分发离效能指标 9 能否根据理论塔板数来判断分离的可能性 为什么 答 不能仅仅根据理论塔板数来判断分离的可能性 组分能否被分离 主要取决于不同物质在色谱两相间分配系数的差异 其次才取决于色谱柱塔板数的多少 塔板数只能说明不同组分在色谱柱内完成分配的次数 因此 不能把塔板数看作有无实现分离可能的依据 而只能把它看作是在一定条件下柱分离能力发挥程度的标志 11 对担体和固定液的要求分别是什么 答 担体一般应满足下列要求 1 表面应呈化学惰性 表面没有吸附性或吸附性弱 在使用温度下不与固定液或样品发生反应 2 多孔性 表面积足够大 使固定液与试样的接触面大 3 热稳定性和机械强度好 在操作温度下对组分不发生不可逆的吸附作用或化学反应 不易粉碎 4 担体粒度适宜 均匀 一般选用40 60目 60 80目 80 100目等 5 有较好的浸润性 固定液在其表面能形成均匀的薄膜 对固定液的要求 1 挥发性小 在操作温度下 有较低的蒸气压 0 75kPa 以免固定液流失 2 热稳定性好 在操作温度下不分解 在工作温度下为液体 3 对试样各组分有一定的溶解能力 4 高的选择性 保证对各组分的分配系数有一定差别 5 化学稳定性好 不与载气 担体及样品各组分发生不可逆的化学反应 6 在工作温度下固定液对担体有好的浸渍能力 使固定液形成均匀的液膜 12 试比较红色担体和白色担体的性能 何谓硅烷化担体 它有什么优点 答 红色载体是将硅藻土与粘合剂在900 煅烧后 破碎过筛而得 因铁生成氧化铁呈红色 故称红色载体 其特点是表面孔穴密集 孔径较小 比表面积较大 对强极性化合物吸附性和催化性较强 如烃类 醇 胺 酸等极性化合物会因吸附而产生严重拖尾 因此它适宜于分析非极性或弱极性物质 白色载体是将硅藻土与20 的碳酸钠 助熔剂 混合煅烧而成 它呈白色 比表面积较小 吸附性和催化性弱 适宜于分析各种极性化合物 硅藻土载体表面不是完全惰性的 具有活性中心 如硅醇基或含有矿物杂质 如氧化铝 铁等 使色谱峰产生拖尾 硅烷化担体是指用硅烷化试剂与担体表面的硅醇 硅醚基团起反应 从而消除了其表面的硅藻土载体表面的活性中心 20 在一根2m长的硅油柱上 分析一个混合物 得下列数据 苯 甲苯及乙苯的保留时间分别为1 20 2 2 及3 1 半峰宽为0 211cm 0 291cm及0 409cm 已知记录纸速为1200mm h 1 求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度 甲苯 乙苯 苯 解 已知1 C2 1200mm h 1 20mm min 1 1 3mm s 1C2 30s cm 1L 2mtR1 苯 1 20 80sY1 2 1 0 211cm 0 211cm 30s cm 1 6 83stR2 甲苯 2 2 122sY1 2 2 0 291cm 8 73stR3 乙苯 3 1 180sY1 2 3 0 409cm 12 27s各种组分的理论塔板数及塔板高度为 21 在一根3m长的色谱柱上 分离一试样 得如下的色谱图及数据 1 用组分2计算色谱柱的理论塔板数 2 求调整保留时间t R1及t R2 3 若需达到分离度R 1 5 所需的最短柱长为几米 解 已知tM 1mintR1 14mimtR2 17mimY2 1min 1 组分2对应的色谱柱理论塔板数 2 组分1 2的调整保留时间t R1及t R2 t R1 tR1 tM 14 1 13mimt R2 17 1 16mim 3 若需达到分离度R 1 5 由组分2计算对应的色谱柱有效塔板数 当R 1 5时 所需的最短柱长为 若以H有效 0 1cm计算 22 分析某种试样时 两个组分的相对保留值r2l 1 11 柱的有效塔板高度H 1mm 需要多长的色谱柱才能分离完全 即R 1 5 解 已知r2l 1 11 H有效 1mm R 1 5 23 已知记录仪的灵敏度为0 658mV cm 1 记录纸速为2cm min 1 载气流速F0为68mL min 1 进样量12 时0 5mL饱和苯蒸气 其质量经计算为0 11mg 得到的色谱峰的实测面积为113cm2 求该热导池检测器的灵敏度 解 已知C1 0 658mV cm 1C2 0 5min cm 1F0 68mL min 1m 0 11mgA 113cm2该热导池检测器的灵敏度为 若试样苯按气体计算 由进样体积V 0 5mL TCD检测器的灵敏度 24 记录仪灵敏度及记录纸速同前题 载气流速60mL min 1 放大器灵敏度1 103 进样量12 时50 L苯蒸气 所得苯色谱峰的峰面积为173cm2 Yl 2为0 60cm 检测器噪声为0 1mV 求该氢火焰电离检测器的灵敏度及最小检出量 解 已知C1 0 658mV cm 1C2 0 5min cm 1V 50 LY1 2 0 6cmA 173cm2N 0 1mV50 L苯蒸气的质量 该氢火焰电离检测器的灵敏度 检出限D 最小检出量Q0 25 丙烯和丁烯的混合物进入气相色谱柱得到如下数据 解 已知 tM 0 5min丙烯 tR1 3 5mimY1 0 8min丁烯 tR2 4 8mimY2 1min 1 丁烯在这个色谱柱的分配比 2 丙烯和丁烯的分离度 26 某一气相色谱柱 速率方程式中A B和C的值分别是0 15cm 0 36cm s 1和4 3 10 2s 计算最佳流速和最小塔板高度 已知 A 0 15cmB 0 36cm s 1C 4 3 10 2s 27 在一色谱图上 测得各保留时间如下 求未知峰的保留指数 解 已知tM 0 6minZ 8t RZ 13 9 0 6 13 3mimlgt RZ 1 124t R Z 1 17 9 0 6 17 3mimlgt R Z 1 1 238t R x 17 9 0 6 17 3mimlgt R x 1 170未知峰的保留指数为 28 化合物A与正二十四烷及正二十六烷相混合注入色谱柱进行试验 得调整保留时间为 A 10 20min n C24H50 9 81min n C26H54 11 56min 计算化合物A的保留指数 解 已知Z 24t RZ 9 81minlgt RZ 0 992t R Z 1 11 56minlgt R Z 1 1 063t R x 10 20minlgt R x 1 008化合物A的保留指数为 29 测得石油裂解气的色谱图 前面四个组分为经过衰减1 4而得到 经测定各组分的f值并从色谱图量出各组分峰面积分别为 用归一法定量 求各组分的质量分数各为多少 其中为 各组分的质量分数各为 空气 甲烷 解 本题为用色谱归一法定量分析 归一法定量公式为 二氧化碳 乙烯 乙烷 丙烯 丙烷 30 有一试样含甲酸 乙酸 丙酸及不少水 苯等物质 称取此试样1 055g 以环己酮作内标 称取0 1907g环己酮 加到试样中 混合均匀后 吸取此试液3 L进样 得到色谱图 从色谱图上测得的各组分峰面积及已知的S 值如