仪器分析(武汉大学)原子发射光谱分析法
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仪器分析讲义绪论(Introduction)仪器分析是化学类专业必修的基础课程之一。
通过本课程的学习,要求学生把握经常使用仪器分析方式的原理和仪器的简单结构;要求学生初步具有依照分析的目的,结合学到的各类仪器分析方式的特点、应用范围,选择适宜的分析方式的能力。
分析化学是研究物质的组成、状态和结构的科学。
它包括化学分析和仪器分析两大部份。
化学分析是指利用化学反映和它的计量关系来确信被测物质的组成和含量的一类分析方式。
测按时需利用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。
它是分析化学的基础。
仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为基础成立起来的一种分析方式,测按时,常常需要利用比较复杂的仪器。
它是分析化学的进展方向。
仪器分析与化学分析不同,具有如下特点:(1)灵敏度高,检出限量可降低。
如样品用量由化学分析的ml、mg级降低到仪器分析的µL、µg级,乃至更低。
它比较适用于微量、痕量和超痕量成份的测定。
(2)选择性好。
很多仪器分析方式能够通过选择或调整测定的条件,使共存的组分测按时,彼其间不产生干扰。
(3)操作简便、分析速度决,易于实现自动化。
(4)相对误差较大。
化学分析一样可用于常量和高含量成份的分析,准确度较高,误差小于千分之儿。
多数仪器分析相对误差较大,一样为5%,不适于常量和高含量成份的测定。
(5)需要价钱比较昂贵的专用仪器。
§1-1.仪器分析方式的内容和分类(Classification of Instrumental Analysis)分类:1.光学分析法以物质的光学性质为基础的分析方式(1) 分子光谱: 红外吸收可见和紫外分子荧光拉曼光谱(2) 原子光谱: 原子发射AES 原子吸收AAS 原子荧光AFS(3) X射线荧光: 发射吸收衍射荧光电子探针(4) 核磁共振顺磁共振2.电化学分析法溶液的电化学性质用于确信物质化学成份的方式(1)电导法:电导分析法电导确信物质的含量电导滴定法溶液的电导转变确信容量分析的滴定终点。
第四章原子发射光谱分析法光谱的产生主要由分析试样的蒸发过程(把样品首先挥发为气态原子或离子)及气体原子和离子的激发过程两部分组成。
发射光谱的分类:(一)线光谱:由物质的气态原子(或者离子)被激发而产生的具有一定波长的不连续的线条,又称为原子(或离子)光谱。
(二)带光谱:气态分子被激发而产生的,由一些波长非常相近的光带和暗区相间而组成,也叫分子光谱。
(三)连续光谱:固态或者液态物质激发后产生的连续的无法分辨出明显谱线的光谱。
比如炽热的碳电极发射的光谱极为连续光谱。
原子发射光谱的研究对象是被分析物质发出的线光谱,利用特征谱线的波长和强度来进行定量和定性分析。
1原理、特点和应用范围1.1原理把样品首先挥发为气态原子或离子,这些原子或离子受到高温激发或电激发会产生外层电子的跃迁,外层电子跃迁到高能态(激发态)。
处于激发态不稳定(寿命小于10-8s),迅速回到基态时,就要释放出多余的能量,若此能量以光的形式出显,既得到发射光谱。
ΔE=E2-E1=hc/λ=hυ=hσch为普朗克常数(6.626×10-34J·s),c为光速(2.997925×108m·s-1)1.2光谱分析法的特点和应用范围①分析速度快,能同时测定多种元素。
②选择性好。
③灵敏度高。
④准确度较好。
⑤另外测定试样消耗少,一般只需几毫克~几十毫克,且可在基本不损坏试样的情况下进行分析。
1.3光谱分析法的局限性➢光谱分析是一种相对的分析方法,一般需要用一套已知准确含量的标准样品对照测定,而标准样品的标定却需要用化学分析方法作基础➢理论上,所有元素都有它特征的发射光谱,但对于惰性气体和一些非金属元素,如硫、硒、碲、卤素等,因很难得到他们的测量条件,这些元素的测定灵敏度很低,或根本无法测定➢对于高含量的元素,光谱分析的准确度较差(5%~10%)➢发射光谱法只能用于元素分析,而不能确定这些元素在样品中的化合物状态2光谱分析的仪器设备2.1光源➢作用:提供足够的能量使得试样蒸发、解离、原子化、激发产生光谱会使价电子脱离原子核的束缚,使得原子成为离子,这个过程为电离。
仪器分析部分作业题参考答案第一章绪论1-21、主要区别:(1)化学分析是利用物质的化学性质进行分析;仪器分析是利用物质的物理或物理化学性质进行分析;(2)化学分析不需要特殊的仪器设备;仪器分析需要特殊的仪器设备;(3)化学分析只能用于组分的定量或定性分析;仪器分析还能用于组分的结构分析;(3)化学分析灵敏度低、选择性差,但测量准确度高,适合于常量组分分析;仪器分析灵敏度高、选择性好,但测量准确度稍差,适合于微量、痕量及超痕量组分的分析。
2、共同点:都是进行组分测量的手段,是分析化学的组成部分。
1-5分析仪器与仪器分析的区别:分析仪器是实现仪器分析的一种技术设备,是一种装置;仪器分析是利用仪器设备进行组分分析的一种技术手段。
分析仪器与仪器分析的联系:仪器分析需要分析仪器才能达到量测的目的,分析仪器是仪器分析的工具。
仪器分析与分析仪器的发展相互促进。
1-7因为仪器分析直接测量的是物质的各种物理信号而不是其浓度或质量数,而信号与浓度或质量数之间只有在一定的范围内才某种确定的关系,且这种关系还受仪器、方法及样品基体等的影响。
因此要进行组分的定量分析,并消除仪器、方法及样品基体等对测量的影响,必须首先建立特定测量条件下信号与浓度或质量数之间的关系,即进行定量分析校正。
第二章光谱分析法导论2-1光谱仪的一般组成包括:光源、单色器、样品引入系统、检测器、信号处理与输出装置。
各部件的主要作用为:光源:提供能量使待测组分产生吸收包括激发到高能态;单色器:将复合光分解为单色光并采集特定波长的光入射样品或检测器;样品引入系统:将样品以合适的方式引入光路中并可以充当样品容器的作用;检测器:将光信号转化为可量化输出的信号。
信号处理与输出装置:对信号进行放大、转化、数学处理、滤除噪音,然后以合适的方式输出。
2-2:单色器的组成包括:入射狭缝、透镜、单色元件、聚焦透镜、出射狭缝。
各部件的主要作用为:入射狭缝:采集来自光源或样品池的复合光;透镜:将入射狭缝采集的复合光分解为平行光;单色元件:将复合光色散为单色光(即将光按波长排列)聚焦透镜:将单色元件色散后的具有相同波长的光在单色器的出口曲面上成像;2-7因为对于一级光谱(n=1)而言,光栅的分辨率为:36005720=×=×===光栅的刻痕密度光栅宽度N nN R 又因为:λλd R =所以,中心波长(即平均波长)在1000cm -1的两条谱线要被该光栅分开,它们相隔的最大距离为:cm -128.036001000===R d λλ2-10原子光谱是由原子外层电子在不同电子能级之间跃迁产生的,而不同电子能级之间的能量差较大,因此在不同电子能级之间跃迁产生的光谱的波长差异较大,能够被仪器分辨,所以显现线光谱;分子光谱的产生既包括分子中价电子在不同电子能级之间跃迁,也包括分子中振动能级和转动能级的跃迁,而振动能级和转动能级之间的能量差较小,在这些能级之间跃迁产生的光谱的波长非常接近,不能被仪器所分辨,所以显现为带光谱。
光谱分析导论习题解答1、解:(1)72101067.6101050.111⨯=⨯⨯==-λσ(2)14981047.4107.670/100.3/⨯=⨯⨯==-λνc(3)303010103300/1192=⨯⨯==-σλ(4)80.1)10602.1(1095.6889100.310626.6/1910834=⨯÷⨯⨯⨯⨯===---λνhc h E2、解:由计算公式λν/hc h E ==以及各能级跃迁所处的波长范围可得能量范围分别如下:跃迁类型 波长范围 能量范围/eV 原子内层电子跃迁 10-3nm ~10nm 1.26⨯106~1.2⨯102原子外层电子跃迁 200nm ~750nm 6~1.7 分子的电子跃迁 200nm ~750nm 6~1.7 分子振动能级的跃迁 2.5μm ~50μm 0.5~0.02 分子转动能级的跃迁50μm ~100cm2⨯10-2~4⨯10-7由上表可以看出分子电子能级跃迁1~20eV 分子振动能级跃迁0.05~1eV 分子转动能级跃迁<0.05eV ,其电子光谱,振动光谱以及转动光谱所对应的波长范围分别在紫外-可见区,红外区和远红外微波区。
3、解:棱镜的分光原理是光折射。
由于不同波长的光有其不同的折射率,据此能把不同波长的光分开。
光栅的分光原理是光的衍射与干涉的总效果。
不同波长的光通过光栅作用各有相应的衍射角,据此把不同波长的光分开。
光栅光谱棱镜光谱Sin φ与波长成正比,所以光栅光谱是一个均匀排列的光谱色散率与波长有关,为非均匀排列的光谱 光的波长越短则衍射角越小,因此其谱线从紫到红排列波长越短,其偏向角越大,因此其谱线从红到紫排列复合光通过光栅后,中央条纹(或零级条纹)为白色条纹,在中央条纹两边,对称排列着一级、二级等光谱,由于谱线间距离随光谱级数的增加而增加,出现谱级重叠现象没有谱级重叠现象光栅适用的波长范围比棱镜宽4、解:v cn r i ==θθsin sin ,式中n 为折射率,i θ为入射角,r θ为折射角,c 为光速,v 为玻璃介质中的传播速度。
《仪器分析》作业参考答案第2章 光谱分析法导论2-1 光谱仪一般由几部分组成?它们的作用分别是什么? 参考答案:(1)稳定的光源系统—提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发,产生光谱; (2)试样引入系统(3)波长选择系统(单色器、滤光片)—将复合光分解成单色光或有一定宽度的谱带; (4)检测系统—是将光辐射信号转换为可量化输出的信号; (5)信号处理或读出系统—在显示器上显示转化信号。
2-2 单色器由几部分组成,它们的作用分别是什么? 参考答案:(1)入射狭缝—限制杂散光进入;(2)准直装置—使光束成平行光线传播,常采用透镜或反射镜; (3)色散装置—将复合光分解为单色光;(4)聚焦透镜或凹面反射镜—使单色光在单色器的出口曲面上成像; (5)出射狭缝—将额定波长范围的光射出单色器。
2-5 对下列单位进行换算:(1)150pm Z 射线的波数(cm -1) (2)Li 的670.7nm 谱线的频率(Hz )(3)3300 cm -1波数对应的波长(nm ) (4)Na 的588.995nm 谱线相应的能量(eV ) 参考答案:(1)171101067.61015011---⨯=⨯==cm cm λσ (2))(1047.4)(107.670100.314710Hz Hz c⨯=⨯⨯==-λν (3))(3030)(1003.3)(3300114nm cm cm =⨯===-νλ (4))(1.2)(10602.110995.588100.310625.6199834eV eV ch E =⨯⨯⨯⨯⨯⨯==---λ 2-6 下列种类型跃迁所涉及的能量(eV )范围各是多少?(1)原子内层电子跃迁; (4)分子振动能级跃迁; (2)原子外层电子跃迁; (5)分子转动能级跃迁; (3)分子的电子跃迁 参考答案跃迁类型 波长范围 能量范围/eV 原子内层电子跃迁 10-1 ~ 10nm 1.26×106 ~1.2×102原子外层电子跃迁 200 ~ 750nm 6~1.7 分子的电子跃迁 200 ~ 750nm 6~1.7 分子振动能级跃迁 0.75 ~ 50μm 1.7~0.02 分子转动能级跃迁50 ~ 1000μm2×10-2~4×10-7第10章 吸光光度法(上册)2、某试液用2cm 吸收池测量时,T=60%。