环境监测方法原理习题课(光学分析部分).ppt

环境监测方法原理习题课（光学分析部分）,1摄谱仪由哪几部分组成?各组成部分的主要作用是什么?答:摄谱仪的组成及作用如下:照明系统:使光源产生的辐射均匀的照明于狭缝,并使感光板的谱线均匀;准光系统:将光源照射于狭缝的光平衡,均匀的照射于棱镜或光栅之上;分光系统:棱镜或光栅,作用是把光源发射的复合电磁辐射分解为按波长排列的光谱;投影系统:将色散后的单色光聚焦于感光板,而形成光谱,第五章发射光谱分析作业,2简述ICP的形成原理及其特点。答:ICP是感耦高频等离子焰炬的英文简写，是一种等离子体光源。ICP的形成原理：由高频发生器提供高频交变电流(530MHZ,2-4kW)给高频感应线圈(2-5匝空心铜管，空心水冷)，在炬管的内外形成强烈的振荡磁场。炬管内磁力线沿轴线方向，炬管外磁力线成椭圆闭合回路。工作气体Ar持续由石英炬管内通过，一旦炬管内气体开始电离（如用点火器），电子和离子则在高频磁场的作用下高速运动，与其它气体分子持续碰撞，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的截面上形成闭合环状的涡流。这个高频感应电流，产生大量的热能，瞬间可将气体加热到10000K高温，并在石英炬管的上部形成火炬状等离子体焰炬（外观与火焰相似）。由于趋肤效应的影响，离子体焰炬为环状结构，样品在雾化器内被雾化为雾滴，被载气Ar携带由内管进入高温等离子体内部的环状样品通道，完成样品的蒸发、原子化、激发。ICP光源的特点：工作温度高，检测限低，灵敏度高；光源稳定、自吸及自蚀效应小、线性范围宽；基体效应小；无电极污染；电离干扰小；化学干扰小；不足：对非金属测定的灵敏度低；仪器昂贵；维持费高。,3何谓元素的共振线、灵敏线、最后线、分析线?它们之间有何联系？答:共振线:由激发态直接跃迁到基态而发射出的谱线;灵敏线:指各元素谱线中最易激发或激发电位数低的谱线;最后线:随着元素含量的降低，谱线数量逐渐减少,最后消失的谱线称最后线;分析线:光谱分析中所选择的灵敏线称分析线。关系:分析线应为灵敏线,一般选最后线。灵敏线一定是共振线，最后线一定是灵敏线，一般应为第一共振线，也是最灵敏线.,4何谓自吸收，它对光谱分析一什么影响？答:自吸收：原子在高温时被激发，发射某一波长的谱线，而处于低温状态的同类原子又能吸收这一波长的辐射，这种现象称为自吸现象。自蚀:在自吸严重时，谱线中心强度几乎完全被吸收，这种现象称为自蚀。在发射光谱分析中，当使用电弧或火花光源时，光源中心温度高，原子在光源中心激发，产生原子的发射光谱，谱线向四周空间发射，由于光源外围较中心温度低，故外围原子多数处于基态或低能态，因而产生自吸收。自吸效应将使谱线的中心强度减弱，严重自吸时，发生自蚀，谱线中心强度几乎完全被吸收，形成双线。光谱定性分析中，发生自吸使谱线的中心强度减弱，自蚀时谱线中心强度几乎完全被吸收，还可能形成双线，从而影响定性分析的准确性。光谱定量分析中，自吸现象将严重影响谱线的强度，谱线强度与元素浓度的关系将偏离罗马金公式，从而限制分析的含量范围。,5光谱定性分析的基本原理是什么？进行光谱定性分析时可以有哪几种方法?说明各个方法的基本原理及适用场合。答:原子光谱定性分析原理:由于不同元素的原子结构不同,在光源的激发作用下,可以产生许多按一定波长顺序排列的谱线组-特征光谱,其波长由各元素原子结构(性质)不同所决定的.每一元素均有自己对应的特征光谱,通过检查试样光谱中的特征谱线来确定元素的存在,此即为元素的光谱定性分析.光谱定性主要有简记分析(指定元素分析)和全分析铁光谱比较法:把试样与铁并列摄谱,由元素标准光谱图中各元素的波长位置进行元素的定性分析;标样比较法:试样与被测元素的标样并列摄谱;波长测定法:由比长仪测出谱线波长,查谱线波长表.,7.光谱分析中元素标准光谱图起什么作用？答:元素标准光谱图是以铁的光谱为波长标尺，标明各元素的灵敏线相应位置及波长的一种标准图册。在光谱定性分析中，常采用铁光谱比较法。以铁的光谱为参比，将试样与纯铁在完全相同条件下并列紧挨着摄谱。摄得的谱片置于映谱仪上，与元素标准光谱图比较。当两个谱图上的铁光谱完全对准重叠后，若试样中未知元素的谱线与已标明的某元素谱线相重合，则该元素有存在的可能。通常可在光谱图中选择23条预测元素的特征灵敏线或线组进行比较，通过比较可判断出未知试样中存在的元素。故元素标准光谱图起到对照作用，可用来与试样谱图相比较，以判断未知元素是否存在。铁光谱比较法可同时进行多元素定性鉴定。,11.某合金中Pb的光谱定量测定，以Mg作为内标，实验测得数据如下：黑度计读数,根据上述数据，(1)绘制工作曲线，(2)求溶液A、B，C的浓度。,解：本题为AES内标法测定Pb，内标元素为Mg。由已知数据列表如下：,其中：S=S(Pb)-S(Mg)绘制lgCS曲线：,由lgCS曲线查得：溶液A：lgC(A)=-0.62C(A)=0.240mgmL-1溶液B：lgC(B)=-0.48C(B)=0.331mgmL-1溶液C：lgC(C)=-0.41C(C)=0.389mgmL-1,12.用内标法测定试液中镁的含量。用蒸馏水溶解MgCl2以配制标准镁溶液系列。在每一标准溶液和待测溶液中均含有25.0ngmL-1的钼。钼溶液用溶解钼酸铵而得。测定时吸取50L的溶液于铜电极上，溶液蒸发至干后摄谱，测量279.8nm处的镁谱线强度和281.6nm处的钼谱线强度，得下列数据。试据此确定试液中镁的浓度。,解：由已知数据列表如下：其中：,由内标法定量分析公式：lgR=klgC+A做lgClgR曲线：,由lgClgR曲线查得：当试液的lgR=0.143时，试液中镁的浓度C(Mg)：lgC(Mg)=0.75C(Mg)=5.62ngmL-1,第六章：原子吸收分光光度分析,1.简述原子吸收分光光度分析的基本原理，并从原理上比较发射光谱法和原子吸收分光光度法的区别？答：原子吸收分光光度分析中，被测试样在原子化中经雾化、蒸发、干燥、离解、原子化过程后，被测元素被转化为基态原子，由锐线光源辐射的锐线为被测元素所吸收而减弱，透过光线经单色器分光后而为检测器所接收，被测元素的吸光度与试样中的浓度成正比，此既为原子吸收分光光度分析的基本原理。,发射光谱与原子吸收光谱分析的比较：共同点：两者都是基于原子光谱现象进行分析的方法，都只能对元素（主要为金属元素）进行分析，两者都需破坏试样的结构，使试样转化为原子进行分析。不同点：发射光谱是基于原子发射光谱现象进行分析的方法，而原子吸收是基于原子吸收现象进行分析的方法，发射光谱测定的是激发态原子的总数，而原子吸收光谱测定的是基态原子的总数。因此，一般发射光谱分析的原子化条件要比原子吸收分析温度高些，原子吸收光谱要比发射光谱的谱线简单，干扰也较少，且较易克服。优点：分析速度快，灵敏度高，选择性好，检测限低，AAS较AES受原子化温度影响小，设备也较便宜，AES适合于多元素同时分析。,2何谓锐线光源，AAS为何使用锐线光源？答：锐线光源是指能辐射出半宽度很窄的发射线的光源。原子吸收光谱由于受谱线变宽的影响，谱线具有一定的轮廓，而试样中被测元素的基态原子总数是与积分吸收成正比的，但是由于谱线的半宽度太小，其积分吸收是不能直接测定的。但若使用锐线光源，由于其发射线宽度远小于吸收线宽度，而两者的中心频率是重合的，峰值吸收和积分吸收成正比，因此，可利用测量峰值吸收来代替积分吸收，此时峰值吸收与被测元素浓度成正比。,3在原子吸收分光光度计中，为什么不采用连续光源（例如钨丝灯或氘灯），而在分光光度计中则需要采用连续光源？答：原子吸收光谱为线状光谱，其半宽度很小，仅10-210-3nm，如要测量其积分吸收，则要求入射光的通带宽度应远小于原子吸收线的半宽度,若采用连续光源，则要求单色器的分辨率很高，至少应在五十万分之一，这在当前技术条件下难以作到。一般分光光度计的通带宽度均大于0.1nm，若直接测量原子吸收，则由于其通带宽度远大于原子吸收线的半宽度，由待测元素原子产生的吸收占通带内的入射光的比例很小（约1%以内），导致测量的误差太大，因此原子吸收分光光度法中，不采用连续光源，而采用空心阴极灯等锐线光源作光源，测量原子的峰值吸收。分子光谱为带状光谱，其谱带的半宽度较大，一般可达几十纳米，而分光光度计的光谱通带一般在0.15nm，远小于分子光谱的宽度，相对于分子光谱而言，其单色性很好。采用连续光源为光源，在分析光域范围内，其发射光强稳定，使用一般的单色器，即可很方便的选择入射光波长，便于制作光谱及分析波长进行定性及定量分析。,4在原子吸收分析中，若产生下列情况而导致误差，此时应采取什么措施来减免之：光源强度变化引起基线漂移，火焰发射的辐射进入检测器，待测元素吸收线和试样中共存元素的吸收线重叠。答：（1）光源强度变化引起基线漂移，可对仪器重新调零（即在空白条件下，调整吸光度等于零）。使用前对仪器充分预热，选择适宜的灯电流，并保持灯电流稳定均有利于基线的稳定。（2）火焰发射的辐射进入检测器，可采取对光源进行调制供电，或采取机械斩光器调制光源，使得光源辐射信号与火焰发射相区别。如果火焰背景发射过大，可采取适当增加灯电流提高光源发射强度来改善信噪比。（3）待测元素吸收线和试样中共存元素的吸收线重叠，可选择待测元素的其它吸收灵敏线作分析线，若其它吸收灵敏线的测定灵敏度过低，可采取分离干扰元素的方法解决。,5.原子吸收分析中若采用火焰原子化的方法，是否火焰温度越高，测定灵敏度越高？答：原子吸收分析中若采用火焰原子化方法，试样将在火焰中完成原子化的过程，火焰温度过高，则可能使试样中的被测元素激发，反而使被测元素的基态原子数减少，使得测定的灵敏度下降，因此，实际操作中，应选择适宜的火焰温度，对提高测定的灵敏度有益。特别是那些易挥发或电离电位较低的元素，应使用低温火焰。,6.石墨炉原子化法的工作原理是什么？与火焰原子化法比较，有什么优缺点？为什么？答：石墨炉原子化器是常用的无火焰原子化器，它是利用电加热石墨炉（812V的低电压和300600A的大电流），使石墨炉24秒内迅速加热，温度可达到3000C，从而实现元素的原子化。石墨炉原子化器可自动完成干燥、灰化、原子化、净化阶段的操作程序，应用非常方便。与火焰原子化法比较，石墨炉原子化器的优点：灵敏度高、检测限低因为试样直接注入石墨管内，样品几乎全部蒸发并参与吸收。试样原子化是在惰性气体保护下，还原性气的石墨管内进行的，有利于难熔氧化物的分解和自由原子的形成，自由原子在石墨管内平均滞留时间长，因此管内自由原子密度高，绝对灵敏度达10-1210-15克。原子化温度高。可用于那些较难挥发和原子化的元素的分析。在惰性气体气氛下原子化，对于那些易形成难解离氧化物的元素分析更为有利；,用样量少，试样可为液体、固体、粉末、均匀的乳浊液或悬浊液。通常固体样品为0.110毫克，液体试样为550微升。化学干扰小。排除了火焰原子化法中存在的火焰组份与被测组份之间的相互作用，减少了由此引起的化学干扰。可以测定共振吸收线位于真空紫外区的无金属元素I、P、S等。与火焰原子化法比较，石墨炉原子化器的缺点：精密度较差。管内温度不均匀，进样量、进样位置的变化，引起管内原子浓度的不均匀等因素所致；基体效应、化学干扰较严重，有记忆效应，背景吸收较强；仪器装置较复杂，价格较贵，需要水冷。,12.用波长为213.8nm，质量浓度为0.010gmL-1的Zn标准溶液和空白溶液交替连续测定10次，用记录仪记录的数据如下。计算该原子吸收分光光度计测定Zn的检出限。,解：平均吸光度：,=(13.5+13.0+14.8+14.8+14.5+14.0+14.0+14.8+14.0+14.2)/10=14.2,测定的相对标准偏差：,测定Zn的检出限：,13.测定血浆试样中锂的含量，将三份0.500mL的血浆样品分别加到5.00mL的水中，然后在这三份溶液中加入0L,10.0L,20.0L的0.0500molL-1的LiCl标准溶液，在原子吸收分光光度计上测得读数（任意单位）依次为23.0,45.3,68.0。计算此血浆中锂的浓度。解：本实验采用连续标准加入法测定，作图，,得Vx=10L锂的摩尔质量为MLi=6.94gmol-1已知LiCl标准溶液的浓度：C(Li+)=0.0500molL-1血浆样品的体积：V=0.500mL,因此，血浆样品中锂的浓度为：,14.以原子吸收光谱法测定尿试样中铜的含量，分析线324.8nm。测得的数据如下表所示，计算试样中铜的质量浓度。,解：本题为连续标准加入法测定，由已知数据做C(Cu2+)A曲线：,查表：试样中铜的质量浓度为：C(Cu2+)=3.4molL-1,补充：谱线变宽的种类有哪些？何种变宽的影响最大？答：谱线变宽的种类主要有：自然变宽，多普勒变宽，劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽，场致变宽等。其中影响最大的是多普勒变宽和劳伦兹变宽。多普勒变宽又称热变宽，它是由于热运动而导致的多普勒现象引起的，它与温度T成正比，由于原子吸收分析的温度较高，该谱线的变宽因素较大，为10-310-2nm。劳伦兹变宽是由于被测元素原子和原子化器中其它原子粒子碰撞而引起的变宽,由于原子器的粒子较多,碰撞的机会较多,变宽的因素也较多,它与多普勒变宽具有相同的数量级.,第七章：紫外及可见分光光度分析,1.试简述产生吸收光谱的原因。答：吸收光谱是指物质对不同波长的电磁辐射吸收能力的曲线，包括分子吸收光谱和原子吸收光谱。由于分子或原子中存在不同的能级，各能级的能量不同，处于基态的分子或原子在吸收了一定的电磁辐射后获得能量，产生能级间的跃迁，由于这种跃迁是由低能级向高能级的跃迁，因而表现为对电磁辐射的吸收，此外，由于不同原子或分子存在的各能级差是一定的，因此其吸收的电磁辐射也是量子化的，即对不同波长的电磁辐射的吸收是不一样的，此既为产生吸收光谱的原因。并且由于不同原子或分子的外层电子结构或分子结构不同，吸收电磁辐射的能量也有差异，从而得到不同的原子光谱或分子光谱。,2电子跃迁有哪几种类型？哪些类型的跃迁能在紫外及可见光区吸收光谱中反映出来？答：有机分子中的电子跃迁主要有以下四种形式的跃迁：*、n*、*、n*其中*跃迁的吸收光谱只出现在远紫外区；当分子中含有助色能力较强的原子时，n*跃迁的吸收光谱也可出现近紫外光区；*通常出现在近紫外光区，但当有共轭双键存在时，其吸收光谱也可出现在紫外可见区；n*跃迁的吸收光谱均出现在紫外可见区。无机分子中的电子跃迁主要有配位场跃迁和电荷迁移跃迁，其中配位场跃迁有dd和ff两种跃迁形式，主要在近紫外和可见光区，但一般吸收峰较小，无机分子中的电子电荷迁移跃迁，主要在可见光区，一般吸收系数较大。,3何谓助色团及生色团？试举例说明。答：助色团：能使吸收峰向长波长方向移动并增加其强度的杂原子基团或官能团。如X、NH2、OH、OR。生色团：指对波长较长的紫外可见光有吸收的具有低激发能价电子的官能团，多为含有键的不饱和基团，发生*、n*跃迁。如C=C、C=O等,4有机化合物的紫外吸收光谱中有那几种类型的吸收带？它们产生的原因是什么？有什么特点？答：有机物的紫外可见吸收光谱中主要有以下几种吸收带：K吸收带：由于共扼双键中的*跃迁所产生的吸收带称K吸收带。其特点是强度大，其max通常在10002000(104),其max在217280nm范围，它与共扼体系的数目、位置、取代基种类等有关。R吸收带：由于生色团及助色团中的n*跃迁所引起的吸收带，其特点是强度弱、max100,吸收波长较长，多在靠近可见光区。B吸收带：为苯环的精细结构特征吸收带，它是由于*跃迁及苯环的振动重叠引起的，多在230270nm范围，强度较弱（R吸收带，可用来辨认芳香族化合物。E1吸收带：max=185nm、max=4700,E2吸收带：max=204nm、max=7900,E吸收带是由苯环中的三个共扼环状体系跃迁产生的,苯环上有助色团时,E2吸收带向长波长方向移动,有生色团时，E2吸收带可与K吸收带合并并发生紫移。,5.在有机化合物的鉴定及结构推测上，紫外吸收光谱所提供的信息有什么特点？答：有机物的紫外可见吸收光谱比较简单且特征性不强，它主要反映的是有机化合物中生色团和助色团的性质，但由于很多生色团的吸收峰几乎不受分子中其他非吸收基团的影响，而且不少简单官能团在近紫外及可见光区没有吸收或吸收很弱，因此，紫外可见吸收光谱提供的结构信息有限，难以单独作为有机物定性分析及结构推测的方法。但是紫外可见吸收光谱吸收峰的max大，灵敏度高,对于不饱和有机化合物的判别，尤其是共轭体系及构型、构象的判断可提供有益的信息，可用于推测某些官能团，判断可能存在的同分异构体等。它可配合红外光谱法、核磁共振波谱法和质谱法等常用的结构分析法进行定量鉴定和结构分析，是不失为一种有用的辅助方法。,10.紫外可见分光光度计与可见分光光度计比较，有什么不同之处？为什么？答：紫外可见分光光度计与可见分光光度计比较，不同之处主要有光源。紫外可见分光光度计在紫外光区应使用氘灯或氢灯作为辐射光源，而可见分光光度计的光源一般为钨灯。因为氘灯或氢灯可发射160375nm的连续的紫外辐射光。而钨灯辐射的波长范围为3402500nm。分光元件：如使用棱镜作为分光元件，紫外可见分光光度计使用石英棱镜，其适用波长范围较宽，为1854000nm，因为玻璃会吸收紫外光，因此不能使用玻璃棱镜。而可见分光光度计使用玻璃棱镜。两种分光光度计均可使用光栅作色散元件。吸收池：紫外可见分光光度计使用石英比色皿，而可见分光光度计使用玻璃比色皿。,第十章红外光谱法习题解答,1.产生红外吸收的条件是什么?是否所有的分子振动都会产生红外吸收光谱?为什么?,答：分子吸收红外辐射的必要条件是：.照射分子的红外辐射的光子能量与发生分子振动跃迁所需的跃迁能量相等。.分子的振动必须能与红外辐射产生耦合作用。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有满足上述两个基本条件才能产生红外吸收光谱，即分子发生偶极矩变化(0)的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，这样的分子称为具有红外活性，=0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的。,2.以亚甲基为例说明分子的基本振动模式.,解:(1)对称与反对称伸缩振动:,(2)面内弯曲振动:,(3)面外弯曲振动:,3.何谓基团频率?它有什么重要用途?答:与一定结构单元相联系的振动频率称为基团频率。基团频率大多集中在4000-1350cm-1，称为基团频率区。基团频率不随分子构型的变化而出现较大的改变，都会在一个范围不大的频率区域内出现吸收峰。这种振动频率称为基团频率，光谱所处的位置称为特征吸收峰。基团频率和特征吸收峰物质的红外光谱是其分子结构的反映，红外光谱中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。因此可以可用作判断化学基团（官能团）或化学键的存在，从而确定分子的结构。,4.红外光谱定性分析的基本依据是什么？简要叙述红外定性分析的过程解：基本依据：红外对有机化合物的定性具有鲜明的特征性，因为每一化合物都有特征的红外光谱，光谱带的数目、位置、形状、强度均随化合物及其聚集态的不同而不同。定性分析的过程如下：(1)试样的分离和精制；(2)了解试样有关的资料；(3)谱图解析；(4)与标准谱图对照;(5)联机检索,5.影响基团频率的因素有哪些?,解:有内因和外因两个方面.内因:(1)电效应,包括诱导、共扼、偶极场效应；（2）氢键；（3）振动耦合；（4）费米共振；（5）立体障碍；（6）环张力。外因：试样状态，测试条件，溶剂效应，制样方法等。,6.何谓指纹区？它有什么特点和用途？,解：在IR光谱中，频率位于1350-650cm-1的低频区称为指纹区指纹区的主要价值在于表示整个分子的特征，因而适用于与标准谱图或已知物谱图的对照，以得出未知物与已知物是否相同的准确结论，任何两个化合物的指纹区特征都是不相同的,7.将800nm换算为（）波数；（）mm单位,解:,8.根据下列力常数k数据，计算各化学键的振动频率（cm-1).(1)乙烷C-H键，k=5.1N.cm-1；(2)乙炔C-H键，k=5.9N.cm-1;(3)乙烷C-C键，k=4.5N.cm-1;(4)苯C-C键，k=7.6N.cm-1;(5)CH3CN中的CN键，k=17.5N.cm-1(6)甲醛C-O键，k=12.3N.cm-1;由所得计算值，你认为可以说明一些什么问题？,解：（）乙烷C-H键:,(2)乙烷C-C键：同上，M=12x1/(12+1)=0.9237,s=3292cm-1.(3)乙烷C-C键：M=6,s=1128cm-1(4)苯C-C键：s=1466cm-1(5)CH3CN中的CN键：s=2144cm-1(6)甲醛C-O键：s=1745cm-1从以上数据可以看出，由于H的相对分子质量较小，所以C-H键均出现在高频区，而由同类原子组成的化学键，力常数越大，频率越高，同一类化合键振动频率相近，但在不同化合物中会有所区别,9.氯仿（CHCl3)的红外光谱说明C-H伸缩振动频率为3100cm-1,对于氘代氯仿（C2HCl3)，其C-2H振动频率是否会改变？如果变化的话，是向高波数还是低波数位移？为什么？,解：由于1H,2H的相对原子质量不同，所以其伸缩振动频率会发生变化CHCl3中，M=121/(12+1)=0.9237C2HCl3中.M=122/(12+2)=1.714,由于s与M平方根成反比，故氘代氯仿中，C-2H键振动频率会向低波数位移,10.和是同分异构体，如何应用红外光谱检测它们？,解：后者分子中存在-C=O，在1600cm-1会有一强吸收带，而前者则无此特征峰,11某化合物在3640-1740cm-1区间，IR光谱如下图所示该化合物应是氯苯(I),苯(II),或4叔丁基甲苯中()的哪一个？说明理由,解：应为III,因为IR中在1740-2000cm-1之间存在一个双峰，强度较弱，为对位双取代苯的特征谱带，而在2500-3640cm-1之间的两个中强峰，则为CH3-对称与不对称伸缩振动的特征谱带,