《仪器分析》课后习题答案1.docx

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《仪器分析》课后习题答案1

第2章气相色谱分析

1.简要说明气相色谱分析的基本原理

混合物中的各个化合物在载气与固定相发生相对移动过程中，根据组分与固定相与流动相（载气）的亲和力不同而实现分离的过程，称为气相色谱过程，这种亲和力包括吸附作用（气固色谱）、分配作用（气液色谱）。

组分在固定相与流动相之间不断进行溶解、挥发，或吸附、解吸过程而相互分离，然后进入检测器进行检测。

2.气相色谱仪的基本设备包括哪几部分?

各有什么作用?

气路系统．进样系统、分离系统、温控系统以及检测和记录系统．

气相色谱仪具有一个让载气连续运行管路密闭的气路系统。

进样系统包括进样装置和气化室，其作用是将液体或固体试样，在进入色谱柱前瞬间气化，

然后快速定量地转入到色谱柱中。

温控系统主要作用是使样品始终处于气态状态，并可实现梯度升温过程，保持样品具有合适的蒸气呀、使不同蒸汽压的样品实现梯度升温条件下的分离。

检测可以依据组分的特点，检测分离组分的浓度和量的变化，并转换为电信号。

记录处理系统用来处理、记录色谱分离化合物的峰信号，并进行相关运算。

3.当下列参数改变时:

（1）柱长缩短,

（2）固定相改变,（3）流动相流速增加,（4）相比减少,是否会引起分配系数的改变?

为什么?

答:

分配系数指某个组分在色谱分离过程中在固定相与流动相之间的浓度之比，当色谱过程的固定项羽流动相选定时，每个组分的分配比是一个定值，所以，固定相改变会引起分配系数的改变，因为分配系数只与组分的性质及固定相与流动相的性质有关。

所以

（1）柱长缩短不会引起分配系数改变。

（2）固定相改变会引起分配系数改变。

（3）流动相流速增加不会引起分配系数改变。

（4）相比减少不会引起分配系数改变。

4.当下列参数改变时:

（1）柱长增加,

（2）固定相量增加,（3）流动相流速减小,（4）相比增大,是否会引起分配比的变化?

为什么?

答:

k=K/b,而b=VM/VS,分配比除了与组分,两相的性质,柱温,柱压有关外,还与相比有关,而与流动相流速,柱长无关.故:

（1）不变化,

（2）增加,（3）不改变,（4）减小。

5.试以塔板高度H做指标,讨论气相色谱操作条件的选择.

解:

提示:

主要从速率理论（vanDeemerequation）来解释,同时考虑流速的影响,选择最佳载气流速.P13-24。

（1）选择流动相最佳流速。

（2）当流速较小时，可以选择相对分子质量较大的载气（如N2,Ar），而当流速较大时，应该选择相对分子质量较小的载气（如H2,He）,同时还应该考虑载气对不同检测器的适应性。

（3柱温不能高于固定液的最高使用温度，以免引起固定液的挥发流失。

在使最难分离组分能尽可能好的分离的前提下，尽可能采用较低的温度，但以保留时间适宜，峰形不拖尾为度。

（4）固定液用量：

担体表面积越大，固定液用量可以越高，允许的进样量也越多，但为了改善液相传质，应使固定液膜薄一些。

（5）对担体的要求：

担体表面积要大，表面和孔径均匀。

粒度要求均匀、细小（但不宜过小以免使传质阻力过大）

（6）进样速度要快，进样量要少，一般液体试样0.1~5uL,气体试样0.1~10mL.

（7）气化温度：

气化温度要高于柱温30-70℃。

6.试述速率方程中A,B,C三项的物理意义.H-u曲线有何用途?

曲线的形状主要受那些因素的影响?

解:

参见教材P14-16

A称为涡流扩散项,B为分子扩散项，C为传质阻力项。

下面分别讨论各项的意义：

（1）涡流扩散项A气体碰到填充物颗粒时，不断地改变流动方向，使试样组分在气相中形成类似“涡流”的流动，因而引起色谱的扩张。

由于A=2λdp，表明A与填充物的平均颗粒直径dp的大小和填充的不均匀性λ有关，而与载气性质、线速度和组分无关，因此使用适当细粒度和颗粒均匀的担体，并尽量填充均匀，是减少涡流扩散，提高柱效的有效途径。

（2）分子扩散项B/u由于试样组分被载气带入色谱柱后，是以“塞子”的形式存在于柱的很小一段空间中，在“塞子”的前后（纵向）存在着浓差而形成浓度梯度，因此使运动着的分子产生纵向扩散。

而B=2rDg，r是因载体填充在柱内而引起气体扩散路径弯曲的因数（弯曲因子），Dg为组分在气相中的扩散系数。

分子扩散项与Dg的大小成正比，而Dg与组分及载气的性质有关：

相对分子质量大的组分，其Dg小,反比于载气密度的平方根或载气相对分子质量的平方根，所以采用相对分子质量较大的载气（如氮气），可使B项降低，Dg随柱温增高而增加，但反比于柱压。

弯曲因子r为与填充物有关的因素。

（3）传质项系数CuC包括气相传质阻力系数Cg和液相传质阻力系数C1两项。

所谓气相传质过程是指试样组分从移动到相表面的过程，在这一过程中试样组分将在两相间进行质量交换，即进行浓度分配。

这种过程若进行缓慢，表示气相传质阻力大，就引起色谱峰扩张。

对于填充柱：

液相传质过程是指试样组分从固定相的气液界面移动到液相内部，并发生质量交换，达到分配平衡，然后以返回气液界面的传质过程。

这个过程也需要一定时间，在此时间，组分的其它分子仍随载气不断地向柱口运动，这也造成峰形的扩张。

对于填充柱，气相传质项数值小，可以忽略。

由上述讨论可见，范弟姆特方程式对于分离条件的选择具有指导意义。

它可以说明，填充均匀程度、担体粒度、载气种类、载气流速、柱温、固定相液膜厚度等对柱效、峰扩张的影响。

用在不同流速下的塔板高度H对流速u作图，得H-u曲线图。

在曲线的最低点，塔板高度H最小（H最小）。

此时柱效最高。

该点所对应的流速即为最佳流速u最佳，即H最小可由速率方程微分求得：

当流速较小时，分子扩散（B项）就成为色谱峰扩张的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的载气（N2，Ar），使组分在载气中有较小的扩散系数。

而当流速较大时，传质项（C项）为控制因素，宜采用相对分子质量较小的载气（H2,He），此时组分在载气中有较大的扩散系数，可减小气相传质阻力，提高柱效。

7.当下述参数改变时:

（1）增大分配比,

（2）流动相速度增加,（3）减小相比,（4）提高柱温,是否会使色谱峰变窄?

为什么?

答:

（1）保留时间延长,峰形变宽

（2）保留时间缩短,峰形变窄

（3）保留时间延长,峰形变宽

（4）保留时间缩短,峰形变窄

8.为什么可用分离度R作为色谱柱的总分离效能指标?

答:

分离度同时体现了选择性与柱效能,即热力学因素和动力学因素,将实现分离的可能性与现实性结合了起来.

9.能否根据理论塔板数来判断分离的可能性?

为什么?

答:

不能,有效塔板数仅表示柱效能的高低,柱分离能力发挥程度的标志,而分离的可能性取决于组分在固定相和流动相之间分配系数的差异.

10.试述色谱分离基本方程式的含义,它对色谱分离有什么指导意义?

答:

色谱分离基本方程式如下:

它表明分离度随体系的热力学性质（a和k）的变化而变化,同时与色谱柱条件（n改变）有关>

（1）当体系的热力学性质一定时（即组分和两相性质确定）,分离度与n的平方根成正比,对于选择柱长有一定的指导意义,增加柱长可改进分离度,但过分增加柱长会显著增长保留时间,引起色谱峰扩张.同时选择性能优良的色谱柱并对色谱条件进行优化也可以增加n,提高分离度.

（2）方程式说明,k值增大也对分离有利,但k值太大会延长分离时间,增加分析成本.

（3）提高柱选择性a,可以提高分离度,分离效果越好,因此可以通过选择合适的固定相,增大不同组分的分配系数差异,从而实现分离.

11.对担体和固定液的要求分别是什么?

答:

对担体的要求;

（1）表面化学惰性,即表面没有吸附性或吸附性很弱,更不能与被测物质起化学反应.

（2）多孔性,即表面积大,使固定液与试样的接触面积较大.

（3）热稳定性高,有一定的机械强度,不易破碎.

（4）对担体粒度的要求,要均匀、细小，从而有利于提高柱效。

但粒度过小，会使柱压降低，对操作不利。

一般选择40-60目，60-80目及80-100目等。

对固定液的要求:

（1）挥发性小,在操作条件下有较低的蒸气压,以避免流失

（2）热稳定性好,在操作条件下不发生分解,同时在操作温度下为液体.

（3）对试样各组分有适当的溶解能力,否则,样品容易被载气带走而起不到分配作用.

（4）具有较高的选择性,即对沸点相同或相近的不同物质有尽可能高的分离能力.

（5）化学稳定性好,不与被测物质起化学反应.担体的表面积越大,固定液的含量可以越高.

13.试述“相似相溶”原理应用于固定液选择的合理性及其存在的问题。

解：

样品混合物能否在色谱上实现分离，主要取决于组分与两相亲和力的差别，及固定液的性质。

组分与固定液性质越相近，分子间相互作用力越强。

根据此规律：

（1）分离非极性物质一般选用非极性固定液，这时试样中各组分按沸点次序先后流出色谱柱，沸点低的先出峰，沸点高的后出峰。

（2）分离极性物质，选用极性固定液，这时试样中各组分主要按极性顺序分离，极性小的先流出色谱柱，极性大的后流出色谱柱。

（3）分离非极性和极性混合物时，一般选用极性固定液，这时非极性组分先出峰，极性组分（或易被极化的组分）后出峰。

（4）对于能形成氢键的试样、如醉、酚、胺和水等的分离。

一般选择极性的或是氢键型的固定液，这时试样中各组分按与固定液分子间形成氢键的能力大小先后流出，不易形成氢键的先流出，最易形成氢键的最后流出。

（5）对于复杂的难分离的物质可以用两种或两种以上的混合固定液。

以上讨论的仅是对固定液的大致的选择原则，应用时有一定的局限性。

事实上在色谱柱中的作用是较复杂的，因此固定液酌选择应主要靠实践。

14.试述热导池检测器的工作原理。

有哪些因素影响热导池检测器的灵敏度？

解：

热导池作为检测器是基于不同的物质具有不同的导热系数。

当电流通过钨丝时、钨丝被加热到一定温度，钨丝的电阻值也就增加到一定位（一般金属丝的电阻值随温度升高而增加）。

在未进试样时，通过热导池两个池孔（参比池和测量池）的都是载气。

由于载气的热传导作用，使钨丝的温度下降，电阻减小，此时热导池的两个池孔中钨丝温度下降和电阻减小的数值是相同的。

在进入试样组分以后，裁气流经参比池，而裁气带着试样组分流经测量池，由于被测组分与载气组成的混合气体的导热系数和裁气的导热系数不同，因而测量池中钨丝的散热情况就发生变化，使两个池孔中的两根钨丝的电阻值之间有了差异。

此差异可以利用电桥测量出来。

桥路工作电流、热导池体温度、载气性质和流速、热敏元件阻值及热导池死体积等均对检测器灵敏度有影响。

15.试述氢焰电离检测器的工作原理。

如何考虑其操作条件？

解：

对于氢焰检测器离子化的作用机理，至今还不十分清楚。

目前认为火焰中的电离不是热电离而是化学电离，即有机物在火焰中发生自由基反应而被电离。

化学电离产生的正离子（CHO+、H3O+）和电子（e）在外加150~300v直流电场作用下向两极移动而产生微电流。

经放大后，记录下色谱峰。

氢火焰电离检测器对大多数的有机化合物有很高的灵敏度，故对痕量有机物的分析很适宜。

但对在氢火焰中不电离的元机化合物例如CO、CO2、SO2、N2、NH3等则不能检测。

16.色谱定性的依据是什么?

主要有那些定性方法?

解:

根据组分在色谱柱中保留值的不同进行定性.

主要的定性方法主要有以下几种:

（1）直接根据色谱保留值进行定性

（2）利用相对保留值r21进行定性

（3）加入标准品的混合进样法

（4）保留指数法

（5）包括色谱-质谱、色谱-红外、色谱-核磁共振联用在内的联用技术

（6）利用选择性检测器

17.何谓保留指数?

应用保留指数作定性指标有什么优点?

用两个紧靠近待测物质的标准物（一般选用两个相邻的正构烷烃）标定被测物质，并使用均一标度（即不用对数），用下式定义：

X为保留值（tR’,VR’,或相应的记录纸距离），下脚标i为被测物质，Z,Z+1为正构烷烃的碳原子数，XZ

优点:

准确度高,可根据固定相和柱温直接与文献值对照而不必使用标准试样.

18.色谱定量分析中,为什么要用定量校正因子?

在什么条件下可以不用校正因子?

解：

色谱定量分析是基于被测物质的量与其峰面积的正比关系。

但是由于同一检测器对不同的物质具有不同的响应值，所以两个相等量的物质得出的峰面积往往不相等，这样就不能用峰面积来直接计算物质的含量。

为了使检测器产生的响应讯号能真实地反映出物质的含量，就要对响应值进行校正，因此引入“定量校正因子”。

在利用归一化法分析校正因子相同的物质,如同系物中沸点相近的组分测定,可不考虑校正因子;同时使用内标和外标标准曲线法时,可以不必测定校正因子。

19.有哪些常用的色谱定量方法?

试比较它们的优缺点和使用范围？

1．外标法外标法是色谱定量分析中较简易的方法．该法是将欲测组份的纯物质配制成不同浓度的标准溶液。

使浓度与待测组份相近。

然后取固定量的上述溶液进行色谱分析．得到标准样品的对应色谱团，以峰高或峰面积对浓度作图．这些数据应是个通过原点的直线．分析样品时，在上述完全相同的色谱条件下，取制作标准曲线时同样量的试样分析、测得该试样的响应讯号后．由标谁曲线即可查出其百分含量．

此法的优点是操作简单，因而适用于工厂控制分析和自动分析；但结果的准确度取决于进样量的重现性和操作条件的稳定性．

2．内标法当只需测定试样中某几个组份．或试样中所有组份不可能全部出峰时，可采用内标法．具体做法是：

准确称取样品，加入一定量某种纯物质作为内标物，然后进行色谱分析．根据被测物和内标物在色谱图上相应的峰面积（或峰高））和相对校正因子．求出某组分的含量．

内标法是通过测量内标物与欲测组份的峰面积的相对值来进行计算的，因而可以在—定程度上消除操作条件等的变化所引起的误差．

内标法的要求是：

内标物必须是待测试样中不存在的；内标峰应与试样峰分开，并尽量接近欲分析的组份．

内标法的缺点是在试样中增加了一个内标物，常常会对分离造成一定的困难。

3．归一化法归一化法是把试样中所有组份的含量之和按100％计算，以它们相应的色谱峰面积或峰高为定量参数．通过下列公式计算各组份含量：

由上述计算公式可见，使用这种方法的条件是：

经过色谱分离后、样品中所有的组份都要能产生可测量的色谱峰．·

该法主要优点是：

简便、准确；操作条件（如进样量，流速等变化时，对分析结果影响较小．这种方法常用于常量分析，尤其适合于进样量很少而其体积不易准确测量的液体样品．

20.在一根2m长的色谱柱上,分析一个混合物,得到以下数据:

苯、甲苯及乙苯的保留时间分别为1’20“,2‘2”及3’1“；半峰宽为0.211cm,0.291cm,0.409cm，已知记录纸速为1200mm.h-1,求色谱柱对每种组分的理论塔板数及塔板高度。

解：

三种组分保留值用记录纸上的距离表示时为：

苯：

（1+20/60）×[（1200/10）/60]=2.67cm

甲苯：

（2+2/60）×2=4.07cm

乙苯:

（3+1/60）×2=6.03cm

故理论塔板数及塔板高度分别为：

甲苯和乙苯分别为：

1083.7,0.18cm;1204.2,0.17cm

21.解：

（1）从图中可以看出，tR2=17min,Y2=1min,

所以；n=16（-tR2/Y2）2=16×172=4624

（2）t’R1=tR1-tM=14-1=13min

t”R2=tR2–tM=17-1=16min

相对保留值a=t’R2/t’R1=16/13=1.231

根据公式：

L=16R2[（1.231/（1.231-1）]2Heff

通常对于填充柱，有效塔板高度约为0.1cm,代入上式，得：

L=102.2cm≃1m

22.分析某种试样时，两个组分的相对保留值r21=1.11,柱的有效塔板高度H=1mm，需要多长的色谱柱才能完全分离？

解：

根据公式

，得L=3.665m

25题

解：

（1）kB=t’R（B）/tM=（4.8-0.5）/0.5=8.6

（2）R=[tR（B）-tR（P）]×2/（YB+YP）=（4.8-3.5）×２／（1.0+0.8）=1.44

26.某一气相色谱柱，速率方程中A,B,C的值分别为0.15cm,0.36cm2.s-1和4.3×10-2s，计算最佳流速和最小塔板高度。

解：

uopt=（B/C）1/2=（0.36/4.3×10-2）1/2=2.89cm.s-1

Hmin=A+2（BC）1/2=0.15+2×（0.36×4.3×10-2）1/2=0.40cm

27.解：

将有关数据代入公式得：

I=[（log14.8–log13.3）/（log17.3-log13.3）+8]×100=840.64

28.方法同上

29.解：

根据公式：

故：

CH4,CO2,C2H4,C2H6,C3H6,C3H8的质量分数分别为：

wCH4=（214×0.74×4/2471.168）×100%=25.63%

wCO2=（4.5×1.00×4/2471.168）×100%=0.73%

wC2H4=（278×4×1.00/2471.168）×100%=45.00%

wC2H6=（77×4×1.05/2471.168）×100%=13.09%

wC3H6=（250×1.28/2471.168）×100%=12.95%

wC3H8=（47.3×1.36/2471.68）×100%=2.60%

30.

求得各组分的校正因子分别为：

3.831;1.779;1.00;1.07

代入质量分数的表达式中得到各组分的质量分数分别为：

w甲酸＝（14.8/133）×（0.1907/1.055）×3.831×100%=7.71%

w乙酸=（72.6/133）×（0.1907/1.055）×1.779×100%=17.55%

w丙酸＝（42.4/133）×（0.1907/1.055）×1.07×100%=6.17%

31.解：

对甲苯：

f甲苯＝（hs/hi）×（mi/ms）=180.1×0.5478/（84.4×0.5967）=1.9590

同理得：

乙苯：

4.087;

邻二甲苯：

4.115

第3章高效液相色谱分析法

1.从分离原理、仪器构造及应用范围上简要比较气相色谱及液相色谱的异同点。

解：

二者都是根据样品组分与流动相和固定相相互作用力的差别进行分离的。

从仪器构造上看，液相色谱需要增加高压泵以提高流动相的流动速度，克服阻力。

同时液相色谱所采用的固定相种类要比气相色谱丰富，分离方式也比较多样。

气相色谱的检测器主要采用热导检测器、氢焰检测器和火焰光度检测器等。

而液相色谱则使用紫外检测器、荧光检测器及电化学检测器等。

但是二者均可与MS等联用。

二者均具分离能力高、灵敏度高、分析速度快，操作方便等优点，但沸点太高的物质或热稳定性差的物质难以用气相色谱进行分析。

而只要试样能够制成溶液，既可用于HPLC分析，而不受沸点高、热稳定性差、相对分子量大的限制。

2.液相色谱中影响色谱峰展宽的因素有哪些?

与气相色谱相比较,有哪些主要不同之处?

解:

液相色谱中引起色谱峰扩展的主要因素为涡流扩散、流动的流动相传质、滞留的流动相传质以及柱外效应。

在气相色谱中径向扩散往往比较显著，而液相色谱中径向扩散的影响较弱，往往可以忽略。

另外，在液相色谱中还存在比较显著的滞留流动相传质及柱外效应。

3.在液相色谱中,提高柱效的途径有哪些?

其中最有效的途径是什么?

解:

液相色谱中提高柱效的途径主要有:

1.提高柱内填料装填的均匀性;

2.改进固定相：

减小粒度;选择薄壳形担体;选用低粘度的流动相;

适当提高柱温：

其中,减小粒度是最有效的途径.

4.液相色谱有几种类型?

它们的保留机理是什么?

在这些类型的应用中,最适宜分离的物质是什么?

解：

液相色谱有以下几种类型:

液-液分配色谱;液-固吸附色谱;化学键合色谱;离子交换色谱;离子对色谱;空间排阻色谱等。

其中;液-液分配色谱的保留机理是通过组分在固定相和流动相间的多次分配进行分离的。

可以分离各种无机、有机化合物。

液-固吸附色谱是通过组分在两相间的多次吸附与解吸平衡实现分离的.最适宜分离的物质为中等相对分子质量的油溶性试样，凡是能够用薄层色谱分离的物质均可用此法分离。

化学键合色谱中由于键合基团不能全部覆盖具有吸附能力的载体,所以同时遵循吸附和分配的机理,最适宜分离的物质为与液-液色谱相同。

离子交换色谱和离子色谱是通过组分与固定相间亲合力差别而实现分离的.各种离子及在溶液中能够离解的物质均可实现分离，包括无机化合物、有机物及生物分子，如氨基酸、核酸及蛋白质等。

在离子对色谱色谱中,样品组分进入色谱柱后,组分的离子与对离子相互作用生成中性化合物,从而被固定相分配或吸附进而实现分离的.各种有机酸碱特别是核酸、核苷、生物碱等的分离是离子对色谱的特点。

空间排阻色谱是利用凝胶固定相的孔径与被分离组分分子间的相对大小关系,而分离、分析的方法。

最适宜分离的物质是：

另外尚有手性色谱、胶束色谱、环糊精色谱及亲合色谱等机理。

5.在液-液分配色谱中，为什么可分为正相色谱及反相色谱？

解：

采用正相及反相色谱是为了降低固定液在流动相中的溶解度从而避免固定液的流失。

在正相色谱中常采用亲水性固定相或固定液，此时的流动相的极性小于固定相。

反相色谱的流动相极性大于固定相。

6.何谓化学键合固定相?

它有什么突出的优点?

解:

利用化学反应将固定液的官能团键合在载体表面形成的固定相称为化学键合固定相.

优点:

（1）固定相表面没有液坑,比一般液体固定相传质快的多。

（2）无固定相流失,增加了色谱柱的稳定性及寿命。

（3）可以键合不同的官能团,能灵活地改变选择性,可应用与多种色谱类型及样品的分析。

（4）有利于梯度洗提,也有利于配用灵敏的检测器和馏分的收集。

7.何谓化学抑制型离子色谱及非抑制型离子色谱?

试述它们的基本原理。

解:

在离子色谱中检测器为电导检测器,以电解质溶液作为流动相,为了消除强电解质背景对电导检测器的干扰,通常除了分析柱外,还增加一根抑制柱,这种双柱型离子色谱法称为化学抑制型离子色谱法.

例如为了分离阴离子,常使用NaOH溶液为流动相，钠离子的干扰非常严重，这时可在分析柱后加一根抑制柱，其中装填高容量H+型阳离子交换树脂，通过离子交换，使NaOH转化为电导值很小的H2O，从而消除了背景电导的影响．

但是如果选用低电导的流动相（如１×10-４~5×10-4M的苯甲酸盐或邻苯二甲酸盐），则由于背景电导较低，不干扰样品的检测，这时候不必加抑制柱，只使用分析柱，称为非抑制型离子色谱法。

８．何谓梯度洗提？

它与气相色谱中的程序升温有何异同之处？

解：

在一个分析周期内，按一定程序不断改变流动相的组成或浓度配比，称为梯度洗提．是改进液相色谱分离的重要手段。

梯度洗脱与气相色谱中的程序升温类似，但是前者连续改变的是流动相的极性、pH或离子强度，而后者改变的温度。

程序升温也是改进气相色谱分离的重要手段．

９．高效液相色谱进样技术与气相色谱进样技术有和不同之处？

解：

在液相色谱中为了承受高压，常常采用停流进样与高压定量进样阀进样的方式，而气相色谱一般采用直接将样品诸如