仪器分析复习提纲(lastversion)

1、仪器分析复习提纲梁颖 2012仪器分析定义：仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础建立起来的一种分析方法，测定时常常需要使用比较复杂的仪器，它是分析化学的发展方向。分类：1、光学分析法（紫外-可见光谱法、红外光谱法、分子荧光（磷光）光谱法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法）；2、电化学分析（极谱与伏安分析法、库仑分析法、电解分析法、电位分析法）；3、色谱分析法（气相色谱法、液相色谱法）；4、其他方法（质谱法、流动注射分析法、热分析法）特点：1、选择性好；2、操作简便、分析速度快、容易实现自动化；3、灵敏度高；4、相对 误差大（不宜用于大量分析）分析仪器的组成：光分析的三个基本过程：激发信号、

2、信号转换、输出信号（能源提供能量；能量与被测物之间的互相作用；产生信号）光谱分析分类：原子光谱（线状光谱）、分子光谱（带状光谱）吸收光谱、发射光谱电磁辐射的基本性质（波粒二象性）电磁辐射的频率、波长、波数、速率的基本概念以及运算关系入=1/波数E=hc/入=h y 波速=y入（1eV=1.602k 10 J h=6.626 |乂 1。3回）光谱法仪器五个基本单元：光源、单色器、样品、检测器、显示与数据处理棱镜与光栅的分辨率与色散率的计算1、棱镜色散率=偏向角对波长求导（角色散率）=谱线距离对波长求导（线色散率） 线色散率=角色散率X焦距/sin光轴夹角分辨率=平均波长/波长差=棱镜总底边长x色

3、散率2、光栅色散率=光谱级次/ （光栅常数x cos衍射角）（角色散率）=角色散率x会聚透镜焦距分辨率 在谱级次x光栅总刻痕数各种光谱中样品池的选择发射光谱一一激发源紫外光区一一石英比色皿发见光区玻璃比色皿红外光区一一NaCl、KBr、KRS-5固体t羊与 KBr做成的盐窗（混合压片）荧光分析一一低荧光物质做成的比色皿常用检测器的检测原理1、硒光电池（光敏半导体）；2、光电管（光电效应）；3、光电倍增管（光电效应） 光源：原子发射一一原子化器原子吸收一一空心阴极灯（紫外-可见区锐线光源）紫外吸收一一氢灯、笊灯（紫外区连续光源）可见吸收一一鸨灯（可见区连续光源）红外吸U双Nernst灯、硅碳棒（

4、中红外区连续光源）分子荧光（磷光）一一高压汞灯（紫外-可见区线光源）Chapter 3紫外-可见分光光度法分子吸收光谱形成原因：价电子和分子轨道上的电子在电子能级间跃迁，并伴随有振动和转动能级间的跃迁AE=hv电子跃迁类型与有机化合物有关的价电子有b、兀和 n电子，主要跃迁有：. NV跃迁：由基态跃迁至反键轨道：0-CT*、71 - 71 *. NQ跃迁：非键电子跃迁到反键轨道：n-（r*、n-兀*. N-R跃迁：b电子激发到更高能级或电离能量大小顺序：b -（T *n- b *兀-兀*n-兀*测量到的是兀-兀麻口 n- %模种跃迁兀-兀默迁一般在200nm附近；n-兀蚁迁一般在近紫外区，吸收

5、强度弱。常用术语：.生色基团：含有兀键的不饱和基团（为C= C C= O、N=N、一N=O等）能产生兀 ”跃迁，使得有机化合物分子在紫外-可见光区产生吸收的基团。非共轲生色团a、基团结构不同：独立吸收b、相同，仅一个吸收峰，但强度随生色团数目增加叠加。共轲：仅一个吸收峰（红移强度显著增大）。.助色基团：含有非键电子（n电子）的基团（为一OH、一 NH2、一 SH X等），其本身 在紫外一可见光区无吸收，但能与生团中兀电子发生 n-兀*共轲，使生色团吸收峰红移 的基团。.红移和蓝移使分子的吸收峰向长波方向移动的效应称红移。使分子的吸收峰向短波方向移动的效应称蓝移。吸收带K吸收带（共轲带）：兀-兀

6、*跃迁能量比R大，强度强，红移程度与共轲程度有关，是共轲分子的特征吸收带。R吸收带（基团带）：n-兀*跃迁在270 300nm围，能量小，强度弱。苯在紫外区有三个吸收带，均由兀-兀*引起（有取代基时，三带分布就会变化且趋于光滑）E1 吸收带 在 185nm = 104 （60000）E2 吸收带 在 204nm = 103 （7900）B吸收带（苯环带） 在254 260nm （230 270nm） e = 200,由于振动跃迁叠加在兀-兀上引起。影响紫外-可见光谱的因素：1、共轲效应（红移变强）；2、空间效应；3、溶剂极性（蓝移）；4、体系pH。Lambert-Beer 定律透光率T=Ia/

7、I0 Tf ,吸收J吸光度 A=lg1/T = lgI0/Ia Af,吸收 f数学表达式：A=kcl= e cl比吸光系数：包则=10e/M适用条件：只有当溶液浓度小于0.01mol*匚ZI的稀溶液中Lambert-Beer定律才能成立Lambert-Beer定律只适用于单色光分析条件的选择：1、波长的选择选择：吸光物质的最大吸收波长作为分析波长，另外，当吸光度 A=0.434时,吸光度相对误差最小；2、参比溶液的选择（原则：背景干扰最少）1、溶剂参比；2、试剂参比；3、试样参比；4、平行操作溶液参比。紫外-可见分光光度计主要组成部件及作用1、光源作用：提供入射光要求：提供足够强度和稳定的连续

8、辐射，强度基本不随波长变化而改变。2、单色器作用：将复合光分解程度单色光或有一定宽度的谱带3、吸收池作用：盛待测试样要求：透光性好，无折射，反射，宽度精确种类：石英（only）=紫外区玻璃、石英 =可见光区4、检测器作用：将光信号转换为检测信号5、信号指示系统作用：显示和记录测定结果最大吸收波长的计算基值：异环二烯（214）、同环二烯（253）、不饱和谈基化合物（215）共轲体系的延长：30环外双键：5烷基取代：不饱和谈基化合物（a -10； 3 -12； 丫-18）、其余5Chapter 4红外分光光度法产生红外吸收的条件：1、辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等;2、辐射与物

9、质之间有耦合作用。吸收谱带划分： 基团频率区（40001300质Z）、指纹区（1400400日10）影响基团频率的因素：1、诱导效应（vj）; 2、共轲效应（vT） ; 3、氢键（vT） ; 3、费米 共振（重峰）；4、振动耦合（重峰）；5、分子对称性；6、空间效应；7、中介效应（vT） 红外光谱仪的组成：1、光源：能斯特灯（ZrO2、Y2O& ThO2等烧结而成）、硅碳棒（SiQ2、单色器：光栅3、吸收池：NaCl、KBr、KRS-5固体试样与KBr做成的盐窗（石英、玻璃对红外光均有吸收）4、检测器：真空热电偶、热释电检测器、薪镉汞检测器、测热辐射计5、记录系统制样方法：固体试样（压片法）不

10、饱和度的计算：F 1 + 国+丁红外谱图的解析Chapter 5分子发光分析法基本定义：1、振动弛豫：在液相或压力足够高的气相中分子间碰撞的概率很大，激发态分子可能将过剩的振动能量以热的形式传递给周围的分子，而自身从日的高振动能层失活到该电子能级的最低振动能层上。2、荧光发射：当分子处于单重激发态的足底振动能层时，去活化过程的一种形式是以凶羽_s左右的短时间发射光子返回基态。3、转换：相同多重度等能态间的一种无辐射跃迁过程。4、外转换：激发分子通过与溶剂或其他溶剂间的相互作用和能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程。5、系间跨越：不同多重度状态间的一种无辐射跃迁过程。荧光与磷光的根本区别

11、：荧光是由激发单重态最低振动能层至基态各振动能层的跃迁产 生的；磷光是由激发三重态的最低振动能层至基态各振动能层间跃迁产生的；磷光寿命 比荧光长。产生荧光的必备条件：1、合适的结构（跃迁类型、共轲效应、刚性平面结构、取代基效应）2、具有一定的荧光量子产率f）荧光强度与溶液浓度的关系：荧光强度=荧光量子产率区I吸收光强度=Kc （正比）影响荧光强度的因素：溶剂极性和溶剂分子与荧光体间的特殊化学作用荧光（磷光）光谱仪的组成：1、光源：高压汞灯、氤弧灯2、样品池：熔融石英（四壁均光洁透明）3、单色器：两个光栅（一个用于选择激发光波长；另一个用于分离选择荧光发射波长）4、检测器：为了消除入射光和散射光

12、的影响，荧光检测器与激发光方向呈直角。5、磷光镜：利用磷光比荧光寿命长的原理，时间分辨技术。化学发光反应产生的条件：1、必须提供足够的激发能；2、有有利的化学反应历程；3、不以热的形式消耗能量。Chapter 6原子光谱图原子发射光谱的产生： 元素在受到热（火焰）或电（电火花）激发时，由基态跃迁到激发态，返回基态时，发射出特征光谱（线状光谱）基本定义：1、电离能：电离所需要的能量。2、分析线：进行分析时所使用的谱线。3、共振线：从激发态相基态跃迁所发射的谱线。4、最后线：当样品中某元素含量逐渐减少时最后能观察到的几条谱线。5、原子线：原子被激发后，其外层电子从激发态向基态跃迁所发射的光谱线。6

13、、离子线：离子被激发后，其外层电子从激发态向基态跃迁所发射的光谱线。7、自吸：原子在高温发射某一波长的辐射，被处在边缘低温状态的同种原子所吸收的现象。8、自蚀：由于自吸严重，谱线中心强度都被吸收了，完全消失，好像两条谱线的现象。9、等离子体：包含分子、原子、离子、电子等各种离子电中性的集合体。光谱符号：P 4n主量子数 S-总自旋量子数L总角量子数J量子数原子发射光谱法仪器：一、激发光源（提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发、产生光谱）1、直流电弧用于少量的矿物定性分析2、交流电弧少量金属合金定量分析3、火花光源高含量的熔点较低的金属与合金分（炼钢厂的钢铁分析）4、ICP可同时做多组分定量分

14、析光谱仪：摄谱法：摄谱法是用感光板记录光谱；光电法：光电法用光电倍增管检测谱线强度分析方法：1、定性：铁光谱比较法可同时进行多元素定性分析标准试样光谱比较法2、定量：标法被测元素I 标元素匕|相对强度R=I/0=Ac先作出R-c图，再用ICP测出R求c发射光谱定量分析的基本关系式原子吸收光谱法：原理：气相中被测元素的基本原子对其原子共振辐射的吸收强度来测定试样中被测元素的含量。原子吸收光谱位于光谱的紫外区和可见区。原子吸收光谱的测量：1、积分吸收：在吸收线轮廓，吸收系数的积分；2、峰值吸收：吸收线中心波长处的吸收系数；3、锐线光源：发射线半宽度远小于线半宽度的光源。定量分析计算：A=Kc原子吸

15、收光谱仪组成及作用：1、光源：发射被测元素的共振辐射，提供锐线光源（空心阴极灯、无极放电灯）空心阴极灯的工作原理：两极间施加几百伏电压，便产生阴极溅射效应，并且放店。溅射出来的原子大量聚集在空心阴极，被测元素原子浓度很高，再与原子、离子、电子等 碰撞而被激发发光，即是被测元素的特征光谱。2、原子化器：提供能量，是试样干燥、蒸发并原子化（火焰原子化器、电加热石墨炉原子化器）火焰的分类（按燃气与助燃气的比例）：化学计量火焰（中性火焰）：燃气与助燃气的比与化学计量关系相近；富燃火焰：燃气大于化学计量的火焰；贫燃火焰：助燃气大于化学计量的火焰。石墨炉电热原子化法 4个阶段：干燥、灰化、原子化、净化3、

16、单色器：将被测元素的共振吸收线与邻近谱线分开（狭缝、反射镜、光栅）4、检测器：将光信号转换成电信号（光电倍增管）5、背景校正装置：校正背景干扰Chapter 10基本定义：1、正极：原电池中发生还原反应的电极。2、负极：原电池中发生氧化反应的电极。3、阳极：电解池中发生氧化反应的电极。4、阴极：电解池中发生还原反应的电极。5、工作电极：在测试过程中可引起试液中待测组分浓度明显变化的电极。6、指示电极：电位分析中，电极电位随被测电活性物质活度变化的电极。7、参比电极：电位分析中，与被测物无关的、电位比较稳定的、 提供测量电位参考的电极。8、辅助电极（对电极）：通过电流以实现研究电极极化的电极。9

17、、电解电池：需要从外部电源提供电能迫使电流通过，使电池部发生电极反应的装置10、原电池：能自发地将化学能转变成电能的装置11、电极电位：化学电池中，电极表面与电解质溶液间产生的电位差电池图解表达式：（一）负极电极I溶液（浓度）I I溶液（浓度）I正极电极（+）能斯特公式一一电极电位与被测离子活度的关系对于电极反应 Ox + ne-Red,其电极电位符合 Nernst公式：W =匣10Ox/Red + RT/nF区|ln（ a OX a Red）=0+0.059/nXLg（ a OX a Red）对于反应 Ox1+Red2f Red1+Ox2,其电势符合 Nernst公式：E=Z12-W 1=0

18、2-阴1+0.059/n 因LgK电极的极化：当较大的电流流过电池时，这时电极电位将偏离可逆平衡电位。如电极电位改变很大而产生电流变化很小，这种现象称为极化。1、浓差极化：电极反应过程中电极表面附近溶液的浓度和主体溶液的浓度发生了差别引起2、电化学极化：电极反应中某个反应速率较慢使整个反应电极电位偏离可逆平衡电位超电位：由于极化现象的存在，实际电位与可逆的平衡电位之间产生了 一个差值。Chapter 11电位分析法电位分析法实质是通过在零电流条件下测定两电极间电位差来测定某物质的含量的方法。金属基电极分类：（直接电位法、电位滴定法）第一类电极（活性金属电极）M I怔二第二类电极（金属I难溶盐电

19、极）甘汞电池（ Hg I 叵明E0）第三类电极（一种金属两种相同阴离子金属难溶盐另一种金属离子）（Ag I阿/叫，匹两匠1）零类电极（惰性金属电极）Pt膜电极：晶体膜电极（氟离子选择电极：以Ag-AgCl为参比溶液）；非晶体膜电极（pH玻璃膜电极、液膜电极、气敏电极、生物膜电极）氟离子选才i电极： Ag-AgCl参比溶液匹I敏感膜（产生相界电位）NaF-NaCl充液总离子强度调节液（TISAB）:由迺目、HAc-NaAc缓冲溶液、柠檬酸钾组成，用于控制pH,稳定离子强度、消除干扰离子的影响，使电池的电动势与氟离子的对数值成正比。用pH计测定溶液pHpH玻璃膜电极指示电极甘汞电极参比电极E=sc

20、e一甲汁=常数+2.303RT/区pH对于pH标准溶液一=常数 +2.303RT/F*p故pH的实用定义为：pH= 四一宣函查Chapter 12电解和库伦分析法电解分析的基本原理：以称量沉积于电极表面的沉积物的质量来求物质浓度的电分析方法。理论分解电压：两电极上产生迅速的、 连续不断的电极反应所需的最少外加电压。它的值为反电动势的值。理论析出电位： 物质初始浓度对应的电位。电解时离子析出次序：（注意计算，课本例题）在阴极上，析出电位越正者，越容易还原；在阳极上析出电位越负者，越容易氧化。析出完全：离子在溶液中的浓度小于等于 1。“加5库伦分析法基本原理：以测量在电解过程中待测物发生氧化还原反

21、应所消耗的电量为基础的电分析方法，该法不一定要待测物在电极上沉积。基本要求：电极反应必须纯；用于测定的电极反应必须具有100%的电流效率（电量全部消耗在被测物上）Faraday电解定律：物质在电解过程中参与电极反应的质量m与通过电解池的电量 Q成正比。（m=0Q）Chapter 13伏安法直流极谱法基本原理：在工作电极上产生浓差极化。以表面积，表面积周期性连续变化，表面不断更新的滴汞电极为工作电极，以表面积较大，不易极化的电极为参比电极， 特殊条件下的电解分析。极谱特点：在特殊的电极上和特殊条件下进行的电解过程滴汞电极特殊性：1，电极（采用一大一小电极，大面积的去极化电极一参比电极，小面积的极

22、化电极一滴汞电极）2、测量方法（它是根据电解过程的电流-电压（电位）曲线进行定性、定量分析的，电解电流很小，经电解后溶液组成和浓度没有显著变化，可反复使用）3、电解条件（电解是在加入大量支持电解质、静置、不搅拌的情况下进行。电解过程完全由被测物质从溶液本体向滴汞电极表面扩散的过程所控制。）D扩散系数（圆二%）极谱法定量依据：Ilkovic方程（极限扩散电流/A:E3607Z西三叵I）m 汞流速（mg/s） t 汞滴寿命（s） z电子转移数干扰及其消除：1、残余电流（补偿装置、作图法校正）；2、迁移电流加入（惰性电解质）3、极谱极大（溶液中加入很少量表面活性物质）;4、氧波（溶液入纯氮气除氧）定

23、性分析原理一一直流极谱波方程：小二仲祝亚工半波电位：Wt” =: 行口）0金属在汞中的扩散系数D扩散系数Chapter 15色谱法的分类： 气相色谱（气固、气液）和液相色谱（液固、液液）色谱流出曲线各参数定义：1、死时间：不被固定相吸附或溶解的物质进入色谱柱时，从进样到出现峰极大值所需的时间称为死时间。2、区域宽度：分标准差、半峰宽、峰底宽。3、调整保留值：扣除死时间后的保留值。4、相对保留值：两组份调整保留值的比值。一分在周一中的熊|F空仲号时间分配比（容量因子）k=h分在标勘相中的呻回=死时间（组分在固定相和流动相中的关系）选择因子a=3* （两组份间的关系）基本保留方程：月一保留时间同一

24、死时间塔板理论：柱效（有效理论塔板数）“S4（”6（）（有效塔板高度 ）_：-）IK I 2尸。1速率理论： van Deemter方程 H=A+j+u=2i 9 + “ + （-g + Q）口博刎=y /也=月+ 2、/。A涡流扩散项B/u一分子扩散项 Cu一传质阻力项 H色谱板高u流动相线速分离度:R也土也空R1.5,两峰完全分离。基本色谱分离方程：Ra 一选择因子k容量因子n一柱效分离度与柱效的关系： Chapter 16气相色谱法1_柱长气相色谱仪的结构：1、气路系统（获得纯净的、流速稳定的载气）进样系统（包括进样器和气化室）分离系统（核心部件，由色谱柱组成） 控制温度系统（方式：恒温和程序升温） 检测和放大记录系统（关键技术）检测器原理及适用围：1、热导检测器（无机物）氢气或氮气作载气，热敏电阻；2、氢火焰离子化检测器（碳氢化合物）氮气作载气，化学离子化产生微电流；3、电子捕获检测器（电负性大的化合物）氮气或僦气作载气，电负性溶质捕获自由电子。 固定液的要求及其选择：1、分离非极性物质选用非极性固定液；2、