仪器分析思考题及答案

第一章总论（一）1.什么是分析化学发展的“三次变革、四个阶段？”分析化学发展的四个阶段为：（1）经验分析化学阶段：分析化学在19世纪末以前,并没有建立起自己系统的理论基础，分析方法的发展、分析任务的完成主要凭借的是经验。（2）经典分析化学阶段：研究的是物质的化学组成,所用的定性和定量方法主要是以溶液化学反应为基础的方法,即所谓化学分析法。与经典分析化学密切相关的概念是定性分析系统、重量法、容量法（酸碱滴定、络合滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定），比色法，溶液反应，四大平衡，化学热力学。这是经典分析化学阶段的主要特征。（3）现代分析化学阶段：以仪器分析为主，与现代分析化学密切相关的概念是化学计量学、传感器过程控制、自动化分析、专家系统、生物技术和生物过程以及分析化学微型化带来的微电子学,集微光学和微工程学等。（4）分析科学阶段：以一切可能的方法和技术(化学的、物理学的、生物医学的、数学的等等),利用一切可以利用的物质属性,对一切需要加以表征、鉴别或测定的化学组份(包括无机和有机组份)。分析化学发展的三次变革为：（1）19世纪末20世纪初溶液化学的发展,特别是四大平衡(沉淀-溶解平衡;酸-碱平衡;氧化-还原平衡;络合反应平衡)理论的建立,为以溶液化学反应为基础的经典分析化学奠定了理论基础,使分析化学实现了从“手艺”到“科学”的飞跃,这是分析化学的第一次大变革。（2）第二次世界大战前后,由于许多新技术(如Ｘ射线、原子光谱、极谱、红外光谱、放射性等)的广泛应用,使分析化学家拥有了一系列以测量物理或物理化学性质为基础的仪器分析方法,分析质量得以大大提高,分析速度也大大加快。（3）进入20世纪70年代,随着科学技术的突飞猛进和人们生活质量的迅速改善，客观上对分析化学提出了许多空前的要求，同时又为解决这些新问题提供了许多空前的可能性。分析化学逐渐突破原有的框框,开始介入形态、能态、结构及其时空分布等的测量。2.仪器分析与化学分析的主要区别是什么?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分。二者的区别主要有：一、分析的方法不同：化学分析是指利用化学反应和它的计量关系来确定被测物质的组成和含量的一类分析方法。测定时需使用化学试剂、天平和一些玻璃器皿。仪器分析（近代分析法或物理分析法）：是基于与物质的物理或物理化学性质而建立起来的分析方法。这类方法通常是测量光、电、磁、声、热等物理量而得到分析结果，而测量这些物理量，一般要使用比较复杂或特殊的仪器设备，故称为“仪器分析”。仪器分析除了可用于定性和定量分析外，还可用于结构、价态、状态分析，微区和薄层分析，微量及超痕量分析等，是分析化学发展的方向。二、仪器分析（与化学分析比较）的特点：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g、L级，甚至更低。适合于微量、痕量和超痕量成分的测定。2.选择性好。很多的仪器分析方法可以通过选择或调整测定的条件，使共存的组分测定时，相互间不产生干扰。3.操作简便，分析速度快，容易实现自动化。仪器分析的特点（与化学分析比较）4.相对误差较大。化学分析一般可用于常量和高含量成分分析，准确度较高，误差小于千分之几。多数仪器分析相对误差较大，一般为5%，不适用于常量和高含量成分分析。5.仪器分析需要价格比较昂贵的专用仪器。三、仪器分析与分析化学的关系：二者之间并不是孤立的，区别也不是绝对的严格的。a.仪器分析方法是在化学分析的基础上发展起来的。许多仪器分析方法中的式样处理涉及到化学分析方法（试样的处理、分离及干扰的掩蔽等）；同时仪器分析方法大多都是相对的分析方法，要用标准溶液来校对，而标准溶液大多需要用化学分析方法来标定等。b.随着科学技术的发展，化学分析方法也逐步实现仪器化和自动化以及使用复杂的仪器设备。化学方法和仪器方法是相辅相成的。在使用时应根据具体情况，取长补短，互相配合。四、学习掌握的目标不同：化学分析主要的内容为：数据处理与误差分析、四大滴定分析法、重量分析法。学习化学分析要求掌握其基本的原理和测定方法，建立起严格的“量”的概念。能够运用化学平衡的理论和知识，处理和解决各种滴定分析法的基本问题，包括滴定曲线、滴定误差、滴定突跃和滴定终点的判断，掌握重量分析法分析化学中的数据处理与误差处理。正确掌握有关的科学实验技能，具备必要的分析问题和解决问题的能力。仪器分析涉及的分析方法是根据物质的光、电、声、磁、热等物理和化学特性对物质的组成、结构、信息进行表征和测量，学习仪器分析要求掌握的现代分析技术，牢固掌握各类仪器分析方法的基本原理以及仪器的各重要组成部分，对各仪器分析方法的应用对象及分析过程要有基本的了解。可以根据样品性质、分析对象选择最为合适的分析仪器及分析方法。3.何谓分析化学发展的“四要素”？为何“分析对象”处于中心位置？（1）“四要素”为基础理论、实验方法、仪器技术、分析对象。（2）分析化学是研究分析方法的科学。每一个完整的、具体的分析方法都包括两个部分:测定对象和测定方法。测定方法是“基础理论”、“仪器技术”和“实验方法”的综合。任何具体的分析手段都是为对象服务的,没有对象就谈不到方法。4.“四要素”所揭示的本质问题是什么？本质是对象与属性之间的矛盾：“基础理论”、“仪器技术”和“实验方法”是测定方法，对象和方法是相互依存的,它们是你中有我,我中有你;它们又是相互矛盾的,任何一个具体的分析方法都是对象与方法的矛盾的统一。对象与方法共存在于分析工作的每个方面。分析化学研究的特殊矛盾就是对象与方法的矛盾。分析化学四要素间的关系是科学、技术与生产间的关系在分析学科上的特殊反映形式。第一章总论（二）1什么是“微扰理论”?对一个测试对象施加一个微小的扰动，使其状态发产生某种特定的变化，从这种变化来测定该测试对象的化学状态参数（组成、形态、结构等信息）。2组成分析仪器的典型结构框图3仪器分析方法的分类依据是什么？（1）根据激励/信号方式来分类分析仪器：分类分析方法激发/信号光谱分析紫外-可见分光光度法红外光谱法原子吸收分光光度法拉曼光谱法示差折射法光的吸收光的散射光的折射电化学分析电位法电导法极谱法、伏安法库仑法电动势电导电流Faladay电流电量光谱分析X射线衍射法偏振法原子发射光谱法化学发光光谱法放射分析荧光光谱法光的衍射光的偏振光的发射(2)根据分离系统来分类分析仪器：分类分析方法驱动色谱分析气相色谱法液相色谱法薄层色谱法毛细管电泳法气流液流毛细扩散电场4仪器分析与经典分析化学的区别是什么？仪器分析的重要标志性特征，是采用精密仪器和实验方法来表征物质的化学参数。在“分析对象”上，与经典分析化学的区别是：（1）痕量、微量的组分含量。（2）样品复杂，样品量少（3）样品品种多，来源广5分析仪器的发展方向是什么？仪器大众化(democratization)和日用品化(commoditization)的趋势将日益明显,沿着miniaturization→microminiaturization→lab-on-a-chip(μTAS)方向发展。作为研究尖端科学问题用的大型复杂精密仪器还会有一定需求,但大量需要的将是功能强大的小型分析仪器。第二章光谱分析法（一）1、什么是光谱分析法？基于物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质的相互作用所建立起来的一类分析方法，称为光谱分析法。2、发射光谱分析法中特征是什么？可分为哪几种？发射光谱分析法的特征是光信号的产生来源于分析对象对激励信号（光信号）本身的吸收。可分为原子发射光谱法、原子荧光法和分子发光法。（1）原子发射光谱法是依据分析对象的原子或离子在热或电激发下，发射出特征波长（频率）的光而进行元素定性和定量分析的方法。（2）原子荧光法：处于基态的原子吸收特征光谱的激发光能后，被激发到时激发态，然后从不稳定的激发态返回至基态，同时发射出与原激发波长相同或不同的光子，即为原子荧光，是光致二次发光。（3）分子发光法：处于基态的分子吸收能量（电、热、化学和光能等）被激发至激发态然后从不稳定的激发态返回到基态并出光子，据此原理建立的分析方法称为分子发光分析。3、原子发射光谱法中的激发源有几种？何谓ICP？（1）原子发射光谱法中的激发源有：火焰、电弧（直流电弧、交流电弧）、高压火化、等离子体（电感耦合等离子，ICP）、激光等。（2）电感耦合高频等离子体焰炬(InductivelyCoupledPlasma,ICP)是原子光谱分析中一种广为采用的光源。当在感应线圈上施加高频电场时，由于某种原因（如电火花等）在等离子体工作气体中部分电离产生的带电粒子在高频交变电磁场的作用下做高速运动，碰撞气体原子，使之迅速、大量电离，形成雪崩式放电，电离的气体在垂直于磁场方向的截面上形成闭合环形的涡流，在感应线圈内形成相当于变压器的次级线圈并同相当于初级线圈的感应线圈耦合，这种高频感应电流产生的高温又将气体加热、电离，并在管口形成一个火炬状的稳定的等离子体焰矩。4、原子发射光谱法中的定性、定量方法？（1）光谱定性分析：由于各种元素的原子结构不同，在光源的激发作用下，试样中每种元素都发射自己的特征光谱。通过识别元素的一条或数条特征谱线的波长，可以进行元素定性分析。光谱定性分析常采用摄谱法（相板为检测器）和光电直读法。（2）光谱定量分析主要是根据谱线强度与被测元素浓度的关系来进行的。Schiebe-Lomarkin公式为I=acb(I为谱线强度，c为被测元素尝试，b为自吸系数)，是定量分析的基本关系式。但在实际工作中常采用内标法可以减小前述因素对谱线强度的影响，提高光谱定量分析的准确度。5、什么是分子荧光分析？分子荧光分析是分子发光分析的一种。处于基态的分子吸收能量（电能、热能、化学能或光能等）后被激发为激发态。激发态不稳定，将很快衰变到基态。若返回到基态时伴随着光子的辐射，这种现象称为“发光”。当分子处于单重激发态的最低振动能级时，去活化过程的一种形式是以10-9~10-7s左右的短时间内发射一个光子返回基态，这一过程称为荧光发射。荧光的特征波长比它所吸收的特征波长要长。6、什么是化学发光分析？分子发光分析的一种。某些物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光。利用化学发光反应而建立起来的分析方法称化学发光分析法。化学发光也属于发射光谱。第二章光谱分析法（二）1、吸收光谱分析法的特征是什么？有可分为哪几种？基于分析对象对激励信号（光信号）的吸收，引起激励信号强度的变化，依据这种变化与化学组成之间的关系所建立起来的一类光谱分析方法，称为吸收光谱分析法。可分为：（1）Mossbauer谱法：由与被测元素相同的同位素作为γ射线的发射源，使吸收体（样品）的原子核产生无反冲γ射线共振吸收所形成的光谱、光谱波长在射线区。从Mossbauer谱可获得原子的氧化态和化学键、原子核周围电子云分布或邻近环境电荷分布的不对称性以及原子核处的有效磁场等信息。（2）紫外可见分光光度法：利用溶液中的分子或基团在紫外和可见光区产生分子外层电子能级跃迁所形成的吸收光谱，可用于定性和定量测定。（3）原子吸收光谱法：利用待测元素气态原子对共振线的吸收进行定量测定的方法。其吸收机理是原子的外层电子能级跃迁，波长在紫外、可见和近红外区。（4）红外光谱法：利转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。用分子在红外区的振动-转动吸收光谱来测定物质的成分和结构。（5）顺磁共振波谱法：在强磁场的作用下，值不同的磁电子的自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为磁量子数Mx值不同的磁能级，磁能级之间的跃迁吸收或发射微波区的电磁辐射。在这种吸收光谱中，不同化合物的耦合常数不同，可用来进行定性分析。根据耦合常数，可用来帮助结构的确定。（6）核磁共振波谱法：在强磁场作用下，核自旋磁矩与外磁场相互作用分裂为能量不同的核磁能级，核磁能级之间的跃迁吸收或发射射频区的电磁波。利用这种吸收光谱可进行有机化合物结构的鉴定，以及分子的动态效应、氢键的形