仪器分析-自学指导书

课程《仪器分析》自学指导书第一章绪论【目的要求】1.掌握各种仪器分析方法的基本原理、基本知识、基本实验技术；2.熟悉各种分析仪器的结构、方框图3.了解方法可提供的信息，初步具有根据分析目的和分析对象，选择适宜分析方法的能力。【学习要点】第一节仪器分析的任务、特点和作用一、仪器分析的定义：以物质的某种物理性质（密度、温度、光的特性、电的特性等）或物理化学性质为基础，探求这些性质在分析过程中产生的信号与物质组成的关系，进行定性、定量、结构分析和形态分析的分析方法。二、仪器分析的特点1.灵敏度高，用于微量和痕量分析2.效率高，可以一次分析样品中多种元素信息；3.选择性好，满足特殊要求；5.准确度相对较低，在５％左右；6.一般仪器价格较贵，维修使用成本较高。7.可以进行定性、定量、结构和形态分析三、仪器分析的作用第二节仪器分析方法的分类电化学分析（电导、电位、电解、库仑极谱、伏安法等）光谱分析（发射、吸收、荧光、磷光、激光拉曼、红外等）色谱分析（气相、液相、离子、超临界、薄层、毛细管电泳）其他：热分析；质谱；热分析法、放射化学分析法等作业p8思考题和习题：1，2第二章光谱分析法概论【目的要求】1.掌握电磁辐射的能量、波长、波数、频率之间的相互关系；光谱法的分类。2.熟悉电磁波谱的分区；分光光度计的主要部件及各类光源、单色器、检测器。3.了解光学分析法的分类，原子光谱法、分子光谱法、吸收光谱法和发射光谱法的起源；光谱分析法的发展。【学习要点】第一节电磁辐射及其与物质的相互作用一．基本概念（1）电磁辐射：是一种以巨大速度通过空间而不需要任何物质作为传播媒介的光子流。磁辐射具有波动性和粒子性。（2）电磁波谱：所有的电磁辐射在本质上是完全相同的，它们之间的区别仅在于波长或频率不同。若把电磁辐射按波长长短顺序排列起来，即为电磁波谱。二．基本计算（1）电磁辐射的频率：ν=Cσν/C（2）电磁辐射的能量E=hν=hChCσ第二节光学分析法的分类一、光谱法与非光谱法光谱法光谱：物质（原子或分子）与辐射能作用时，发生能级跃迁，记录能级跃迁时产生的辐射强度随波长的变化所得到的图谱称为光谱（spectrum）。利用光谱进行定性和定量分析的分析方法称为光谱分析法(spectroscopicanalysis)。包括吸收光谱法，发射光谱法和散射光谱法。非光谱法物质与辐射作用时，不涉及能级的跃迁,仅改变辐射传播方向等物理性质。如折射法、旋光法、X-射线衍射法和圆二色法等。二、原子光谱法和分子光谱法原子光谱法以测量气态原子或离子外层或内层电子能级跃迁所产生的原子光谱为基础的分析方法，为线状光谱。分子光谱法由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生，为带光谱。三、吸收光谱法和发射光谱法吸收光谱法：物质吸收相应的辐射能而产生的光谱，其产生的必要条件是所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质两能级间跃迁所需的能量。利用物质的吸收光谱进行定性、定量及结构分析的方法称为吸收光谱法。发射光谱法：发射光谱是指构成物质的原子、离子或分子受到辐射能、热能、电能激发后，电子由激发态回至基态所产生的光谱为发射光谱。第三节光谱分析仪器光谱分析仪器组成：辐射源、分光系统、样品容器、检测系统第四节光谱分析法的发展概况•20世纪40年代中期，光电倍增管的出现•20世纪50年代，原子物理的发展•20世纪60年代，等离子体、傅立叶变换与激光技术的引入•20世纪70年代，激光、微电子学、微波、半导体、自动化、化学计量学等科学技术和各种新材料的应用作业p17思考题和习题：1，5复习思考题：1.什么是电磁辐射？答：定义：近代科学证明，电磁辐射是一种以巨大速度在空间传播的能量。最容易辨认的可见光，不可见的有X-射线、紫外线、微波和无线电波。2.简述建立各种不同的光谱分析法的理论基础。答：将电磁辐射按波长顺序依次排列，成为电磁波谱。要认识到：1.电磁波谱的波长和能量是没有边际的，图中所列的是以被人们认识的几个主要波段。2.不同波段的电磁辐射与物质相互作用各有不同，γ、x射线引起原子核反应和分子内层电子跃迁；紫外、可见光使分子外层价电子发生跃迁；红外辐射使分子产生振动和转动；微波是分子转动；无线电波使原子核产生自旋能级跃迁，由此建立了各种不同的光谱分析法。3.根据测定方法和原理，光学分析法大致可以分为哪几类？答：测定方法和原理分析方法名称光谱分析法A电磁辐射的吸收1分光光度法（1）可见紫外分光光度法（2）红外分光光度法（3）原子吸收分光光度法2波谱法（1）核磁共振波谱法（2）电子顺磁共振波谱法3光声光谱B电磁辐射的发射1发射光谱法2荧光法3X-射线法非光谱分析法C电磁辐射的散射1浊度法和散射浊度法2拉曼光谱法D电磁辐射的折射1折光分析法2干涉法E电磁辐射的衍射1X—射线衍射法2电子衍射法F电磁辐射的偏振1旋光法、旋光色散法2圆二向色性法案例分析：1.计算当辐射通过玻璃时，玻璃-空气界面的反射损失。(已知n玻＝1.5,n空气＝1.0)答:当电磁辐射通过具有不同折射率的两种介质的界面时，发生反射。对于垂直于界面的光束，反射分数（反射率）为：R＝Ir／Io＝〔（n1－n2）／（n1＋n2）〕2Ir反射光强，Io人射光强，n1、n2为两种介质的折射率。R%＝4即在此界面上有4%的反射损失。一般，样品池有4个界面，由此造成人射光强度减弱是不可忽略的，在实验战争通常是用空白消除此影响。第三章紫外-可见分光光度法【目的要求】1.掌握常用基本概念；紫外—可见吸收光谱的特征常数；Lambert—Beer定律及偏离Lambert—Beer定律的主要因素；单组分定量分析方法2.熟悉紫外—可见分光光度计的主要部件、分光光度计的类型，定性鉴别、纯度检测，两组分混合物的定量方法。3.了解紫外—可见分光光度计的光学性能及校正；紫外光谱在有机化合物结构研究中的应用；比色法。【学习要点】第一节紫外-可见分光光度法的基本原理一、紫外可见吸收光谱1.紫外可见吸收光谱是一种吸收光谱，它是由分子中的价电子的跃迁而产生的。以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标所绘制的曲线，称为吸收曲线或吸收光谱。吸收曲线上的峰称为吸收峰，最大吸收峰的峰顶对用的波长称为最大吸收波长。2.电子跃迁类型（1）σ→σ*跃迁处于σ成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到σ*反键轨道。饱和烃中电子跃迁均为此种类型，吸收波长＜150nm。（2）π→π*跃迁处于π成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到π*反键轨道上，所需的能量小于σ→σ*跃迁所需的能量。孤立的π→π*跃迁吸收波长一般在200nm左右，共轭的π→π*跃迁吸收波长＞200nm，强度大。（3）n→π*跃迁含有杂原子不饱和基团，其非键轨道中的孤对电子吸收能量后向π*反键轨道跃迁，这种吸收一般在近紫外区(200－400nm)，强度小。（4）n→σ*跃迁含孤对电子的取代基，其杂原子中孤对电子吸收能量后向σ*反键轨道跃迁，吸收波长约在200nm。以上四种类型跃迁所需能量σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*3．生色团和助色团（1）生色团有机化合物分子结构中含有π→π*或n→π*跃迁的基团，能在紫外－可见光范围内产生吸收的原子团。（2）助色团含有非键电子的杂原子饱和基团，与生色团或饱和烃连接时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。（3）红移(长移)由于化合物的结构改变，如发生共轭作用、引入助色团以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向移动。（4）蓝移(紫移或短移)当化合物的结构改变或受溶剂影响使吸收峰向短波方向移动。4.吸收带吸收峰在紫外-可见光谱中的位置。主要有四种类型：（1）R带（2）K带（3）B带（4）E带5.影响吸收带的因素（1）位阻的影响（2）溶剂效应（3）体系pH的影响二、朗伯-比尔定律1.朗伯-比尔定律是吸收光谱的基本定律2.表达式A=Ecl其中：A为吸光度，A=－lgT=lg(I0/It)，透光率(T)：透过样品的光与入射光强度之比。T=It/I0；，E为吸光吸收，c为浓度，l为吸光厚度。3.吸光系数（E）吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度。根据浓度单位的不同，常有摩尔吸光系数ε和百分吸光系数之分。4．影响比尔定理的因素（1）光学因素光的单色性（2）化学因素溶液的浓度（3）比尔定律成立的条件单色光和稀溶液第二节紫外可见分光光度计一、主要部件紫外可见分光光度计的组成：光源、单色器、吸收池、检测器和记录仪二、分光光度计的类型和光学性能1.单光束分光光度计2.双光束分光光度计3.双波长分光光度计三、分光光度计的校正1．波长的校正用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。2．吸光度的校正采用K2CrO4标准液校正（中国药典2010年版）第三节紫外－可见分光光度法分析条件的选择1.测量波长的选择2.吸光度读数范围的选择3.光源的调节4.狭缝宽度的选择第四节紫外－可见分光光度法的应用一、定性分析（对比法）吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的波长位置吸收峰的强度相应的吸光系数二、纯度检查1．杂质检查2.杂质的限量检查三、定量分析1.吸光吸收法2.标准曲线法3.对照法作业p42思考题和习题1，3，10复习思考题：1.分光光度计的可见光波长范围：（）A．200nm～400nmB．400nm～800nmC．500nm～1000nmD．800nm～1000nm答案：B2.吸光度读数在（）范围内，测量较准确。A．0～1B．0.2～0.7C．0～0.8D．0.15～1.5答案：B3.简述有机化合物电子跃迁类型①σ-σ*跃迁：处于σ成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到σ*反键轨道。饱和烃中电子跃迁均为此种类型，吸收波长小于150nm。②π-π*跃迁：处于π成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到π*反键轨道上，所需的能量小于σ-σ*跃迁所需的能量。孤立的π-π*跃迁吸收波长一般在200nm左右，共轭的π-π*跃迁吸收波长＞200nm，强度大。③n-π*跃迁：含有杂原子不饱和基团，其非键轨道中的孤对电子吸收能量后向π*反键轨道跃迁，这种吸收一般在近紫外区（200－400nm），强度小。④n-σ*跃迁：含孤对电子的取代基，其杂原子中孤对电子吸收能量后向σ*反键轨道跃迁，吸收波长约在200nm。有机化合物主要发生以上四种类型的跃迁。案例分析1.测定废水中的酚，利用加入过量的有色的显色剂形成有色络合物，并在575nm处测量吸光度。若溶液中有色络合物的浓度为1.0×10-5mol/l，游离试剂的浓度为1.0×10-4mol/l测得吸光度为0.657：在同一波长下，仅含1.0×10-4mol/l游离试剂的溶液，其吸光度只有0.018，所有测量都在2.0cm吸收池和以水作空白下进行，计算在575nm时，游离试剂的摩尔吸光系数答：由Lambert-Beer定律：当仅含有显色剂c游离1.0×10-4mol/l时，A=0.018，因此，游离的摩尔吸光系数：第四章荧光分析法【目的要求】1.掌握荧光的产生；荧光的激发光谱与发射光谱；荧光物质的必要条件；分子结构与荧光；影响荧光的外界因素；荧光强度与浓度的关系。2.熟悉磷光的产生；分子从激发态返回基态的各种途径；3.了解荧光分光光度计。【学习要点】第一节荧光分析法的基本原理1.荧光的定义物质分子接受光子能量而被激发，然后从激发态的最低振动能级返回基态时发射出的光称为荧光。2.荧光光谱法领用物质荧光光谱的特性和强度对物质进行定性定量分析的方法称为荧光分析法，也称荧光光谱法3.激发光谱和发射光谱（1）激发光谱是荧光强度（F）对激发波长（λex）的关系曲线，它表示不同激发波长的辐射引起物质发射某一波长荧光的相对效率。（2）发射光谱（也称荧光光谱）是荧光强度（F）对发射波长（λem）的关系曲线，它表示当激发光的波长和强度保持不变时，在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。4.荧光光谱具有如下特征：荧光波长总是大于激发光波长；荧光光谱的形状与激发波长无关；荧光光谱与激发光谱存在“镜像对称”关系。5．能够发射荧光的物质应同时具备的两个条件：物质分子必须有强的紫外-可见吸收。物质分子必须有一定的荧光效率。6.强荧