仪器分析全知识点.docx
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仪器分析全知识点
分子光谱的分类
分子吸收光谱
转动光谱（远红外光谱）
振动光谱（红外光谱）
电子光谱（紫外-可见光谱）
分子发射光谱
电子光谱（分子荧光、磷光）
原子光谱的分类
原子吸收光谱
原子发射光谱
光、电、色
1
色谱法分类
气相色谱法
高效液相色谱法
电化学分析法分类
电位分析法
电位滴定法
伏安法
3
紫外-可见分光光度法（紫外-可见吸收光谱法）:
物质分子对紫外-可见光的吸收进行定性、定量及结构分析。
紫外-可见光区分为远紫外（10~200nm）、近紫外（200~360nm）和可见部分（360~760nm）；远紫外的吸收测量在真空下进行；通常研究近紫外-可见光范围的光谱行为。
第2章紫外-可见分光光度法
4
§2－1分子光谱概述
1．分子光谱产生
M＋hν==M*
基态激发态
E1E2
分子吸收能量后，电子从一个能级跃迁到另一个能级
分子内部电子能级的跃迁而产生的光谱：
紫外-可见光谱
5
吸收光谱（吸收曲线）:
横坐标用波长或频率表示；物质的吸收峰位置对应于分子结构，是定性依据。
纵坐标用光强的参数表示，如透光率、吸光度、吸光系数等，是定量依据。
2．吸收光谱特征
6
3．光吸收定律：
朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律
当一束强度为I0的平行单色光照射到均匀而非散射的溶液时，光的一部分（强度为Ia）被吸收，一部分（强度为It）透过溶液，一部分（强度为Ir）被器皿表面所反射，则
I0=Ia+It+Ir
光的反射损失Ir主要决定于器皿材料、形状、大小和溶液性质。
在相同条件下，这些因素是固定的，且反射损失的量很小，故Ir可忽略不计，则:
I0=Ia+It
散射：
光通过不均匀悬浮颗粒时，部分光束将偏离原来方向而分散到各个方向去。
单色光:
单一频率（波长）的光
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透光度（透光率或透射比）（T，Transmittance）：
透过光强度与入射光强度之比：
T=I/I0
吸光度（A,Absorbance）：
物质对光的吸收程度，其值为透光度的负对数：
注：
A、T无单位
方便起见,透过光强度It用I表示
8
人们对光吸收定律认识，经历了较长历史过程。
1760年，Lambert提出光吸收程度与溶液厚度b成正比：
1852年，Beer提出光吸收程度与吸光物质微粒数目（浓度）成正比：
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两个定律合并起来叫Lambert-Beer定律：
若b的单位是cm；c的单位是g·L-1时，a为吸光系数，单位是：
若b的单位是cm；c的单位是mol·L-1时：
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e与a的关系：
ee=Ma,M为物质摩尔质量。
注：
Lambert-Beer定律不仅适用于溶液，也适用于均匀的气体和固体状态的吸光物质，是各类吸收光谱法，如红外光谱法和原子吸收光谱法等的定量分析依据。
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光吸收基本定律:
朗伯-比尔定律
意义:
当一束平行单色光通过均匀、非散射溶液时，其吸光度与溶液浓度和液层厚度乘积成正比.
A=lg（I0/It）=kbc
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T－透光率（透射比）（Transmittance）
A=lg（I0/It）=lg（1/T）=-lgT=kbc
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吸光度A、透光率T与浓度c的关系
14
当吸光物质浓度为1mol·L-1,液池厚1cm时，一定波长的单色光通过溶液时的吸光度值。
ε是物质本身决定的，是物质吸光能力的量度,可作为定性分析的参考和估量定量分析方法的灵敏度。
ε<104低
ε104~105中
ε>5×105高
ε物理意义：
最常用的形式：
A＝εbc
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非单波长入射光引起的偏离
吸收定律仅对单色光的吸收才是正确的。
当入射光是非单色光时，将引起定律的偏离。
消除措施：
选择最大吸收波长。
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吸光物质在溶液中发生化学变化引起偏离
由于吸光物质变成了不同的存在形式,对原来最大吸收波长光的吸收能力发生变化，引起对吸收定律偏离。
消除措施：
控制适当的显色条件。
对上述反应介质的酸度控制，可消除该影响。
配合物不稳定也会引起偏离
配合物越稀，解离度越大。
解离产生的离子在最大吸收波长处吸收较小或无吸收，引起对吸收定律偏离。
消除措施：
试液浓缩富集。
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介质不均匀引起的偏离
Lambert-Beer定律要求吸光物质的溶液均匀。
如果被测液是胶体溶液、乳浊液或悬浮物质，当入射光通过溶液时，因散射现象而造成损失，使实际测得的吸光度增大，从而偏离Lambert-Beer定律。
故紫外-可见吸光光度法一般仅适用于透明溶液。
A=lg（I0/It）
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与紫外-可见吸收光谱有关的电子有3种:
形成单键的σ电子,形成双键的π电子以及未参与成键的n电子（孤对电子）
根据分子轨道理论，这三种电子的能级高低次序为：
（σ）<（π）<（n）<（π＊）<（σ＊）
σ、π表示成键分子轨道.n:
非键分子轨道.σ＊、π＊：
反键分子轨道
1．电子跃迁类型、能量及所在波长区
§2-2化合物电子光谱的产生
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跃迁所需能量次序：
σ→σ＊>n→σ＊>π→π＊>n→π＊
有机化合物分子主要有四种类型的跃迁
①σ→σ＊跃迁；
②n→σ＊跃迁；
③π→π＊跃迁；
④n→π＊跃迁；
受到外来辐射时，处在较低能级的电子跃迁到较高能级。
分子轨道的能级不同，要实现各种不同的跃迁所需要吸收外来辐射的能量也各不相同。
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对于有机化合物,最有用的吸收光谱是基于π→π＊和n→π＊跃迁产生的,实现这两类跃迁所需要的能量相对较小,其吸收峰波长一般处于大于200nm的近紫外光区,n→π＊跃迁还可能在可见光区
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①生色团：
能导致化合物在紫外-可见光区产生吸收的基团，主要有含不饱和键和未成对电子的基团。
如-C=C-、>C=O、-N=O、-N=N-、-C=N等，相应于π→π＊与n→π＊跃迁。
相同生色团，λmax相同，但随生色团数目的不同有变，一般是随生色团数增加而波长增长；不同生色团，有不同的λmax，同一化合物中有几个不同生色团时，吸收光谱上有几个吸收峰（但不一定能分开）。
2．常用术语：
生（发）色团、助色团
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②助色团：
本身无吸收，但能使生色团吸收强度和波长发生改变的基团，通常是含有孤对电子的基团。
如：
-OH、-NH2、-SH、-X（卤素）等。
孤对电子与生色团中π电子相互作用,使π→π＊跃迁能量降低并引起吸收峰位移.
E=hnV=hc/l入
孤对电子（lonepairelectrons）或称孤电子对，指不与其他原子结合或共享的成对价电子.
24
③红移、蓝（紫）移、增色效应和减色效应
由于在化合物中引入取代基、或改变溶剂、或引入增敏试剂等，使最大吸收波长移向长波方向为红移；移向短波方向为蓝移。
伴随强度增大或减小为增色效应或减色效应。
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3．影响紫外可见光谱的因素
π→π＊跃迁中，激发态极性大于基态，当使用极性大的溶剂时，由于溶剂与溶质相互作用，激发态π＊比基态π的能量下降更多，使得激发态与基态之间的能量差减小，导致吸收光谱λmax红移。
n→π＊跃迁中，基态n电子与极性溶剂形成氢键，降低了基态能量，使得激发态与基态之间能量差变大，导致吸收光谱λmax蓝移。
溶剂极性不同引起吸收光谱红移或蓝移--溶剂效应
（1）溶剂效应
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影响吸收强度和精细结构
极性溶剂使精细结构消失，典型的例子是对称四嗪在不同溶剂中的吸收光谱
（1）溶剂效应
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溶剂的选择原则：
（a）溶解样品；（b）在样品吸收的范围内无吸收；（c）尽量选用非极性溶剂。
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（2）空间效应
如果一个共轭有机化合物的分子处于同一平面时，则各个生色团之间的相互作用达到最大，分子的激发能降低，吸收较长波长的光，且强度增大。
二苯乙烯
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（3）吸收与结构的关系
生色团共轭链越长，吸收红移越多，λ越大；
助色团越多，红移越大；
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结构示意图
§2-3紫外-可见分光光度计
1．基本组成部件
（1）光源
紫外：
氢、氘灯发射160~375nm的连续光。
可见：
钨灯或碘钨灯发射320~2500nm的连续光。
氙灯适合于紫外和可见部分，发射250~750nm的连续光。
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（2）单色器
由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝组成。
核心部分：
色散元件，将复合光色散成单色光
色散元件为棱镜和光栅。
棱镜有玻璃和石英两种。
玻璃:
用于350~3200nm波长范围,吸收紫外光，只能用于可见光域
石英:
185~4500nm，用于紫外和可见光域
光栅：
利用光的衍射与干涉作用，用于紫外和可见光域。
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（3）吸收池
紫外及可见光区：
石英比色皿
可见光区：
光学玻璃比色皿
注意：
不能用手拿光学面；放入试样室时必须用滤纸（或镜头纸）吸干外面的溶液；盛溶液时只装2/3。
（4）信号接收器
光电管、光电倍增管。
（5）读出装置
数字显示、记录仪、表头等。
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2．分光光度计类型
①单波长单光束分光光度计：
一般分光光度计
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②单波长双光束分光光度计：
在单色器后采用光束分裂器将光束分为强度相等的两个光束；一束通过参比池，另一束通过样品池。
可以消除光源强度变化带来的误差。
一般自动记录式分光光度计均为双光束
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§2-4分析条件选择
一、仪器测量条件
误差来源：
光源不稳定、实验条件偶然变动、读数不准确等
选择适宜的吸光度范围（0.15~1.00），使测量结果的误差尽量减小。
通过调节待测溶液浓度，选用适当厚度的吸收池使A落在此区间内。
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选择最大吸收波长为入射光波长（最大吸收原则），灵敏度最高。
狭缝宽度直接影响测定灵敏度和校准曲线线性范围。
狭缝宽度增大，入射光单色性降低，灵敏度降低，校准曲线偏离朗伯-比耳定律。
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二、显色反应与分析条件选择
1显色反应
2反应条件确定
3测定中干扰及消除
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显色反应选择
灵敏度高，一般ε>104
选择性好
显色剂在测定波长处无明显吸收。
对照性好,显色剂与有色配合物Dλmax>60nm
反应生成的有色化合物组成恒定，稳定。
显色条件易于控制，重现性好。
M+nR=MRn
（R:
显色剂）
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反应条件确定
（1）显色剂用量
M+nR=MRn
显色剂用量通过实验确定，作A随显色剂浓度变化曲线，选恒定A值时的显色剂用量。
（2）溶液酸度影响
最佳酸度通过实验确定，固定溶液中待测组分与显色剂浓度，改变pH值，测定A与pH关系，找出最适宜pH范围。
（R:
显色剂）
（3）其它问题
显色反应时间、温度、放置时间对配合物稳定性的影响。
三、参比溶液的选择
用参比溶液调节透射比为100％（A=0），以消除溶液中其它成分以及吸收池和溶剂对光的吸收所带来误差
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1、溶剂参比
当试样溶液组成简单、共存其它组分很少且对测定波长的光几乎没有吸收时，采用溶剂参比，可消除溶剂、吸收池影响
2、试剂参比
如显色剂或其它试剂在测定波长有吸收，按显色反应相同条件，只是不加试样，同样加入试剂和溶剂为参比。
可消除试剂中组分产生吸收的影响
3、试样参比
如试样在测定波长有吸收，可按与显色反应相同的条件以试样作为参比（只是不加显色剂）。
要求显色剂在该测定波长处无吸收
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平行操作溶液参比
用不含被测组分的试样，在相同条件下与被测试样同样进行处理，得到平行操作参比溶液
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四、干扰及消除方法
控制酸度、选择适当的掩蔽剂、选择适当的测定波长、分离等。
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§2－5紫外-可见分光光度法应用
—定性、定量、结构分析及物理常数测定
1．定性分析
在极性溶剂中，物质吸收如果红移，则物质具有π电子，由π→π＊跃迁产生；如果吸收紫移，则物质含有n电子，由n→π＊跃迁产生。
（溶剂化作用）
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溶剂对分子轨道能量的影响
使得△E’π-π*<△Eπ-π*π→π＊跃迁的吸收红移；
△E’σ-σ*<△Eσ-σ*σ→σ＊跃迁的吸收红移；
△E’n-σ*>△En-σ*n→σ＊跃迁的吸收紫移；
△E’n-π*>△En-π*n→π＊跃迁的吸收紫移。
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①比较吸收光谱
在相同测量条件下，测定未知物的吸收光谱与所推断化合物的标准物吸收光谱直接比较。
如吸收光谱形状完全一致（λmax，吸收峰数目、位置及ε等）。
可初步认为是同一化合物。
两种定性方法
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②经验规则计算λmax
62
3．定量分析
（1）单组分分析：
标准曲线法或标准对比法
标准曲线法：
配制一系列不同含量的标准溶液，以不含被测组分的空白溶液为参比，在相同条件下测定标准溶液的吸光度。
绘制标准曲线。
在相同条件下测定未知试样的吸光度，从标准曲线上找到与之对应的未知试样的浓度。
建立一个方法时，首先要确定符合朗伯-比尔定律的浓度范围，即线性范围，定量测定一般在线性范围内进行。
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标准对比法：
在相同条件下测定试样溶液和某一浓度的标准溶液的吸光度Ax和AS,由标准溶液的浓度cs可计算出试样中被测物浓度cx
该方法较简单，但只有在测定的浓度范围内溶液完全遵守Lambert-Beer定律，且cs和cx很接近时，才能得到准确的结果。
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（2）多组分分析：
根据A具有加和性，在同一试样中可测定两个以上组分。
假如试样中含x,y两种组分，在一定条件下将它们转化为有色化合物，分别绘制吸收光谱，出现三种情况
（a）:
两组分互不干扰
（b）:
组分x对组分y的测定有干扰
（c）:
两组分相互干扰
第3章红外光谱法
3.1概述
3.2基本原理
1.产生红外吸收的条件
2.分子振动
3.谱带强度
4.基团频率
5.影响基团频率的因素
3.3红外光谱仪器
3.4试样制备
3.5应用简介
1
3.1概述
1.定义：
红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。
样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，分子振动或转动运动引起偶极矩（μ，正、负电荷中心间的距离d和电荷中心所带电量q的乘积）的净变化，分子振动和转动能级从基态跃迁到激发态，相应于这些吸收区域的透射光强减弱，记录百分透光率T%对波数或波长的曲线，即为红外光谱。
主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。
2
红外光谱表示方法：
红外光谱以T~l（波长）或T~（波数）来表示，下图为苯酚的红外光谱。
T（%）
用T%来表示吸光强度，光的性质用波长或波数表示；
紫外-可见吸收光谱，以吸光度为纵坐标，以波长为横坐标。
红外吸收光谱表示方法与紫外-可见吸收光谱表示方法不同，红外吸收光谱横坐标为波数（波长倒数），纵坐标为透光度。
3
倍频吸收：
分子吸收一定波长的红外光后，从基态跃迁到第二激发态甚至第三激发态
4
3.红外光谱特点
1）红外吸收只有振-转跃迁，红外光波长长，能量低；
2）应用范围广：
除单原子分子及同核分子外（Ne,He,O2,H2），几乎所有有机物在红外光区均有吸收；
3）分子结构更为精细的表征：
通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；
4）定量分析；
5）固、液、气态样品均可测定，且用量少、不破坏样品；
6）分析速度快。
7）与色谱等联用具有强大的定性功能。
5
3.2基本原理
1.产生红外吸收的条件
分子吸收辐射产生振动能级（同时伴随转动能级）跃迁必须满足两个条件：
条件一：
辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。
7
条件二：
辐射与物质之间必须有耦合作用（相互作用），导致分子偶极矩的改变。
8
当一定频率的红外光照射分子时，如分子中某基团的振动频率和它一致，二者产生共振，光能通过分子偶极矩的变化而传递给分子，该基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。
如二者不一致，该基团就不会吸收红外光。
采用连续改变频率的红外光照射试样，由于该试样对不同频率的红外光的吸收与否，使通过试样的红外光在一些波长范围内变弱（被吸收，峰较高），在另一些范围内较强（峰较低，不吸收）。
用T%来表示吸光强度，光的性质用波长或波数表示；
10
影响振动频率或波数的因素为化学键力常数k和相对原子质量。
k大，Ar’越小，吸收峰出现在高波数区。
kCºC（2222cm-1）>kC=C（1667cm-1）>kC-C（1429cm-1）
（三种碳碳键原子质量相同）
Ar’C-C（1430cm-1）（力常数相近）
判断红外光谱中化学键的吸收峰位置！
11
2）多原子分子
多原子分子的振动复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），可分解为多个简单的基本振动。
12
设非线性分子由n个原子组成，振动形式有3n-6种。
13
线性分子CO2
对于线性分子，振动形式有3n-5种。
14
理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际上，谱峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为：
a）偶极矩变化Dm=0的振动，不产生红外吸收,如CO2；
b）谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）；
c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。
15
3.谱带强度
分子对称度高，振动偶极矩小，产生的谱带就弱；反之则强。
说明：
1）吸收峰强度与分子偶极距变化的平方成正比。
而偶极距变化主要由化学键两端原子间的电负性差（对称性）所决定；2）强度比UV-vis强度小2-3个数量级；
16
3.3红外光谱的特征性，基团频率
红外光谱的特征性
复杂分子中有许多原子基团（化学键），各个原子基团在分子被激发后，都会产生特征的振动。
不同分子中同一类型基团的振动频率是非常相近的，都在一较窄的频率区间出现吸收谱带。
17
2.基团频率区
常见的化学基团在4000~670cm-1（2.5~15）范围内有特征基团频率。
常将该波数范围分为几个区。
18
苯环上的C-H键4000~2500
19
（2）叁键及累积双键区（2500~2000cm-1）
双键，苯环衍生物2000~1650
基团频率主要由化学键的力常数决定。
但分子结构和外部环境因素也对其频率有一定的影响。
1）电子效应：
引起化学键电子分布不均匀的效应。
诱导效应（Inductioneffect）：
取代基电负性—静电诱导—电
子分布改变—k增加—特征频率增加（移向高波数）。
共轭效应（Conjugatedeffect）：
电子云密度均化—键长变长—
k降低—特征频率减小（移向低波数）。
中介效应（Mesomericeffect）：
孤对电子与多重键相连产生
的p-p共轭，结果类似于共轭效应。
当诱导与共轭两种效应同时存在时，振动频率的位移和程度取决于它们的净效应。
3.4影响基团频率位移的因素
24
2）氢键效应（X-H）
形成氢键使电子云密度平均化（缔合态），使体系能量下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。
如羧酸RCOOH（nC=O=1760cm-1，nO-H=3550cm-1）;
（RCOOH）2（nC=O=1700cm-1，nO-H=3250-2500cm-1）
如乙醇：
CH3CH2OH（nO=H=3640cm-1）
（CH3CH2OH）2（nO=H=3515cm-1）
（CH3CH2OH）n（nO=H=3350cm-1）
3）振动耦合（Coupling）
当两个振动频率相同或相近的基团相邻并由同一原子相连时，两个振动相互作用（微扰）产生共振，谱带一分为二（高频和低频）。
如羧酸酐分裂为nC=O（nas1820、ns1760cm-1）
25
费米共振
空间效应
26
6）物质状态及制样方法
通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。
7）溶剂效应
极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极性增加而降低。
因此红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。
27
一、红外光谱对有机化合物的定性分析具有鲜明的特征性。
因为每一化合物都具有特异的红外吸收光谱，其谱带的数目、位置、形状和强度均随化合物及其聚集态的不同而不同。
因此根据化合物的光谱，就可以像辨认人的指纹一样，确定该化合物或其官能团是否存在。
3.5红外光谱定性分析
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分类：
大致可分为官能团定性和结构分析两方面:
官能团定性：
根据化合物红外光谱的特征基团频率来确定物质含有哪些基团，从而确定该化合物的类别。
结构分析（结构剖析）：
根据化合物的红外光谱并结合其它实验资料（如相对分子质量，物理常数，紫外光谱，核磁共振波谱，质谱等）来推断有关化合物的化学结构。
29
1.试样的分离和精制：
用各种分离手段提纯试样，以得到单一的纯物质；
2.了解与试样性质有关的其它方面的资料：
试样来源、元素分析值、相对分子质量、熔点、沸点、溶解度、有关的化学性质、以及紫外光谱、核磁共振谱、质谱等；
计算不饱和度，估计分子结构式中是否有双键、叁键及芳香环，并可验证光谱解析结果合理性.
不饱和度U：
有机分子中碳原子的饱和程度.
二、定性分析的一般过程：
30
n1,n3和n4分别为分子式中一价，三价和四价原子的数目.
通常规定双键（C═C、C═O等）和饱和环状结构的不饱和度为1，叁键（C≡C、C≡N等）的不饱和度为2，苯环不饱和度为4（可理解为一个环加三个双键），链状饱和烃的不饱和度为零.
U=1＋n4＋（n3－n1）/2
32
3.谱图的解析：
测得试样的红外光谱后，要对图谱进行解析；
①先从各个区域的特征频率入手，发现某基团
②再根据指纹区进一步核证该基团及其与其它基团的结合方式
③再根据元素分析数据等确定其结构；
④最后用标准谱图进一步验证
33
4.和标准谱图进行对照
①可用纯物质在相同的制样方法和实验条件下测得；
②最方便还是查阅标准谱图集，最常用的标准谱图集是萨特勒（Sadtler）红外谱图集.
5.计算机红外光谱谱库及其检索系统
6.确定分子的结构
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定量分析是根据物质组分的吸收峰强度来进行的，依据是朗伯-比尔定律.
各种气体、液体和固态物质均可用红外光谱进行定量分析.
红外光谱图中吸收带很多，因此定量分析时,特征吸收谱带的选择尤为重要.
3.6红外光谱定量分析
35
除应考虑选ε较大的之外，还应注意几点：
1.谱带的峰形应有较好的对称性;
2.其他组分在所选择特征谱带区不产生干扰;
3.溶剂或介质在所选择特征谱带区域应无吸收或基本没有吸收；
4.特征谱带不应在对二氧化碳、水、蒸气有强吸收的区域.
缺点:
与紫外吸收光谱相比，红外光谱的灵敏度较低，加上紫外吸光光度法的仪器较简单、普遍，因此只要有可能，采用紫外吸收光谱法进行定量分析较方便。
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红外吸收光谱仪主要部件有：
光源、样品池、单色器、检测器、放大记录系统
根据红外吸收光谱仪的结构和工作原理不同可分为：
色散型红外吸收光谱仪（棱镜、光栅）
傅立叶变换红外吸收光谱仪（FT-IR）
1.光源
常的红外光源有Nernst灯和硅碳棒。
氧化锆、氧化钇、
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