分析化学-第五版-下册-(武汉大学主编-着)-高等教育出版社-课后答案-仪器分析习题答案-光谱分析部

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；出射狭缝：采集色散后具有特定波长的光入射样品或检测器2-3棱镜的分光原理是光的折射。由于不同波长的光在相同介质中有不同的折射率，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衍射后有不同的衍射角，据此把不同波长的光分开。2-6见书19页表2-12-7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NnNR又因为：λλdR=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===Rdλλ跃迁类型波谱区域波长范围能量范围/eV原子内层电子跃迁x-射线10-3nm∼10nm1.2×106∼1.2×102原子外层电子跃迁紫外-可见光10nm∼750nm125∼1.7分子的价电子跃迁分子振动能级的跃迁近红外-中红外光0.75µm∼50µm1.7∼0.02分子转动能级的跃迁远红外50µm∼1000µm2×10-2∼4×10-42-10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。第3333章原子发射光谱法3-2缓冲剂的作用是抵偿样品组成变化的影响，即消除第三元素的影响，控制和稳定弧温；挥发剂的作用是增加样品中难挥发性化合物的挥发能力3-3Fe404.582nm谱线对404.720nm分析线的干扰为线光谱的干扰，因此主要采用减少单色器出口狭缝宽度的方法消除弱氰带的干扰属于背景干扰，可以采用背景扣除包括背景校准法和等效浓度法消除。此外，因为弱氰带的干扰来源空气中的N2和电极挥发的C形成的稳定的CN分子的辐射，因此可以使用非石墨电极或通过加入易挥发的光谱缓冲剂如NaCl，增加待测物的挥发性，并帮助氰气尽快离开光源，消除其干扰。3-43-43-43-4因为试样量很少，且必须进行多元素测定，因此只能选择灵敏度高、耗样量少、能同时实现多元素测定的方法进行分析。对于(1)顺序扫描式光电直读：因为测定速度慢，所以耗样量大，不合适。对于(2)原子吸收光谱法：不能进行多元素同时测定，且耗样量大。对于(3)摄谱法原子发射光谱法和(4)多道光电直读光谱法，具有耗样量少或分析速度快和能同时实现多元素测定的优点。所以(3)和(4)都基本可以。但是由于多道光电直读光谱法受光路通道的限制，得到的光谱数目少，所以一般只用于固定元素的多元素测定。因此最佳方法是摄谱法原子发射光谱法。3-6（注意内标与内标法的概念区别）解：在进行内标法定量分析时，在待样品中加入或基体中大量存在的含量基本固定的组分称为内标。在分析时，以待测物的信号与内标物的信号比与待测物的浓度或质量之间的关系来进行定量分析的方法称为内标法。采用内标法定量的目的是消除试样的组成、形态及测量条件如光源的变化等对测量结果的影响，提高分析结果的稳定性。3-8因为试样只能被载气带入ICP光源中，而不能直接引入ICP光源中，所以固体试样和液体试样都在引入ICP光源前必须转化为气态或气溶胶状态。因此试样引入ICP光源的主要方式有：雾化进样（包括气动雾化和超声雾化进样）、电热蒸发进样、激光或电弧和火花熔融进样，对于特定元素还可以采用氢化物发生法进样。其中，以气动雾化方式最为常用。3-10原因包括（1）样品在ICP光源中的原子化与激发是在惰性气体Ar的氛围进行的，因此不容易氧化电离；（2）样品的原子化与激发过程是在ICP焰炬的中心进行的，温度很高，且与空气接触的机会少，因此不容易氧化电离；（3）ICP焰炬中存在大量的电子，抑制了待测元素的电离。补充题：1、下列那种跃迁不能产生，为什么？31S0—31P1；31S0—31D2；33P2—33D3；43S1—43P1；解：对于光谱项符号为n2S+1LJ的能级间的跃迁，需遵从电子跃迁选律，即：∆n=包括0的一切整数；∆L=±1；∆J=0，±1（但J=0时，∆J=0的跃迁也是禁阻的）；∆S=0对于题中给定的四种跃迁类型，只有（2）31S0—31D2的跃迁不满足选律，因为：∆L=2≠±1；∆J=2≠0或±1所以31S0—31D2之间的跃迁难以发生。2、用原子发射光谱分析下列试样，应选用那种光源？（1）矿石中的定性与半定量分析（2）合金中的铜测定（Cu的含量在x%数量级）（3）钢中锰的测定（含量0.0x%∼0.x%数量级之间）（4）污水中的Cr、Mn、Cu、Fe、V、Ti等的测定（含量在10-6∼x%之间）解：光源的选择应考虑样品的熔点、待测元素激发能力、分析的目的和待测元素的含量。参考下表选择：对于(1)矿石中的定性和半定量；由于样品难熔，且目的是定性和半定量，因此蒸发温度高的光源，优选低压直流电弧。对于(2)合金中的铜(质量分数：～x%)；由于样品熔点低，且含量高，不能选自吸程度大和蒸发温度高的光源。所以选择高压火花。对于(3)钢中的锰(质量分数：0.0x%～0.x%)：由于样品熔点低，且含量不高，目的是定量分析，因此优选低压交流电弧。对于(4)污水中的Cr、Mn、Cu、Fe、V、Ti等(质量分数：10-6~x%)：由于样品为液体，同时含量范围大宽，需要灵敏度高、没有自吸、同时最好能直接分析液体样品的光源。所以优选ICP光源。第四章原子吸收与原子荧光光谱法部分习题答案4-1因为原子处于基态与激发态之间的数目满足波尔兹曼分布定律，即：式中，Ni和N0分别表示激发态与基态上的原子数目，gi和g0分别表示激发态与基态的统计权重，即该能态所有光谱支项的2J+1之和，∑+=)12(Jg因为Mg的基态31S0的1102120=+×=+=Jg光源蒸发温度激发温度稳定性应用范围直流电弧高(阳极)3000~40004000~7000较差岩石,矿物,纯物质,难挥发低含量元素(定性剂半定量分析)交流电弧中1000~2000比直流电弧略高较好金属、合金低含量元素的定量分析高压火花低，1000瞬间可达~10000好含量高元素,易挥发,难激发元素的定量分析ICP很高6000~8000很好溶液、合金、金属的定性定量分析（从高含量到低含量）kTEiiieggNN−=00Mg的激发态31P1的311212=+×=+=Jgi又因为Mg从31S0跃迁至31P1发射谱线的波长为285.21nm，其对应的能量为：=6.96×10-19JλChEi=所以在2500K时，Mg在激发态与基态之间的原子数目比为：5.06×10-9===×××−−−−25001038.11096.6)(00231913/eeggNNkTEiii4-2这一题属于谱线干扰，因此可以采用的消除方法是减小单色器狭缝。按照公式：（书p50,公式2-23有误）SDW1−=式中：W为单色器通带，即狭缝允许通过的波长范围；S为单色器狭缝；D-1为单色器倒线色散率。对于两条干扰谱线251.43nm及251.92nm，其中波长为251.43nm的谱线与测量谱线251.61nm之间相隔更近。因此如果单色器能够将251.43nm的谱线与测量谱线分开，则肯定能够将251.92nm的谱线与测量谱线分开。由于分开251.43nm的谱线与测量谱线，需要的单色器通带W=251.61-251.43=0.18(nm)，所以，单色器的狭缝最大只能为：mm1125.06.143.25161.2511=−==−DWS因此要消除这些谱线的干扰必须调节单色器狭缝的宽度小于0.1125mm。4-6见书p994-8火焰原子化法的原理是：利用火焰提供能量使待测样品干燥、蒸发、解离与原子化；其特点是：装置简单、操作方便快速，分析成本低，稳定性和重现性好，适用范围广，已经成为完善和定型的方法，广泛用于常规分析中，但灵敏度低，背景干扰大，不能直接分析固体样品。注意事项：注意通入助燃气、燃气和点火以及实验完后关闭火焰的操作顺序；注意吸喷速度和火焰的燃烧速度，避免燃烧器缝口堵塞引起爆炸，预防燃气泄露和回火现象；注意及时清洗和更换预混合室中的防爆膜。石墨炉原子化法的原理是：在石墨管中，利用电能使待测样品干燥、蒸发、解离与原子化；其特点是：原子化效率高，温度高且升温速度快，绝对灵敏度高，试样耗样量少，适用面广，但背景干扰大，分析成本高。注意事项：外保护气和循环冷却水在测量过程中不能停止，升温速度和各阶段的温度要选择合适；测量结束后必须除残。石墨炉原子化法比火焰原子化法灵敏度更高、检出限更低的主要原因有（1）石墨炉原子化法采用直接法进样，火焰原子化法采用雾化进样。同时，石墨炉原子化法的温度高，原子化过程在惰性气氛中且有还原性C存在下进行，有利于原子化。因此，石墨炉原子化法的原子化效率高，可达90%以上，而火焰原子化法的原子化效率只有10%左右；(2)气态原子在石墨管中光吸收区中的停留时间长（约是火焰原子化的103倍)。所以石墨炉原子化法比火焰原子化法更灵敏。（3）火焰的燃气与助燃气对进入火焰的样品有稀释作用，石墨管中不存在对样品的稀释作用；（4）火焰伴随着火焰反应包括火焰自身的吸收与发射等，背景干扰比石墨炉原子化法大。4-9书p110-1144-13(1)用水将试样稀释是为了降低样品粘度，减少基体效应；加钠盐是未了抑制待测元素的电离，减少电离干扰，同时也可以使样品中Na+的含量保持基本一致。为了使标准溶液与样品的基体基本匹配，在配制标准溶液时应该加入相同量的钠盐。（2）解题思路：题目中给出了待测元素的分析线，在196.0nm处，因此要考虑的是火焰在这个波长下的吸收情况。由书p104图4-9可见，在196nm附近，氢气-空气火焰的透过率（T）最高，