仪器分析第二版(刘志广)部分课后答案

1.简述色谱基础理论中的塔板理论和速率理论
塔板理论是由以下四个假设构成的：1、在柱内一小段长度H内，组分可以在两相间迅速达到平衡。

这一小段柱长称为理论塔板高度H。

2、流动相（如载气）进入色谱柱不是连续进行的，而是脉动式，每次进气为一个塔板体积（ΔVm）。

3、所有组分开始时存在于第0号塔板上，而且试样沿轴（纵）向扩散可忽略。

4、分配系数在所有塔板上是常数，与组分在某一塔板上的量无关。

速率理论：是由荷兰学者范弟姆特等提出的。

结合塔板理论的概念，把影响塔板高度的动力学因素结合进去，导出的塔板高度H与载气线速度u的关系：Cu uBAH A 称为涡流扩散项，B 为分子扩散项，C 为传质阻力项涡流扩散项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。

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) ，D g 为组分在气相中的扩散系数。

分子扩散项与D g 的大小成正比，而D g 与组分及载气的性质有关：相对分子质量大的组分，其D g 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，D g 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。

传质项系数Cu C 包括气相传质阻力系数C g 和液相传质阻力系数C 1 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。

2. 色谱法区别于其他分析方法的主要特点是什么？
色谱法是以其高超的分离能力为特点，他的分离效率远远高于其他分离技术如蒸馏、萃取、离心等方法。

色谱法有许多优点：⑴分离效率高；⑵应用范围广；⑶分析速度快；⑷样品用量少；⑸灵敏度高；⑹分离和测定一次完成，可以和多种波谱分析仪器联用。

3.根据速率理论，提高色谱柱效的途径有哪些？
范氏方程式对于分离条件的选择具有指导意义，填充均匀程度，固定相（担体）粒度，载气种类，载气流速、柱温、固定相液膜厚度等因素对色谱柱效能，峰扩张程度都有影响。

组分在色谱柱内运行的多路径及浓度梯度造成的分子扩散和组分在气、液两相间的质量传递不能瞬间达到平衡，是造成色谱扩张、柱效能下降的主要原因。

4.色谱分离过程中的热力学和动力学因素分别由哪两个参数表现出来？两个色谱峰的保留时间较大就一定能够分离完全吗？
色谱分离过程中的热力学因数是是保留值之差，而区域宽度是色谱分离过程中的动力学因数，他们分别是通过分离度和分配系数这两个参数表现出来的。

不一定能分离完全，判断两个峰能否分离完全是用分离度来表现的，当分离度R=1.5时，分离程度达到99.7%，为相邻两峰完全分离的标准。

5. 某气相色谱柱的范第姆特方程式中的常数如下：A=0.01cm，B=0.57cm2·s－1，C=0.13s。

计算最小塔板高度和最佳线速度。

答：H= A + B/u + Cu,
H≥A + 2(BC)1/2，其中，B/u = Cu时，等式成立。

代入参数，
H=0.55cm ；u=2.09cm/s。

6.某物质色谱峰的保留时间为65秒，半峰宽为5.5秒。

若柱长为3米，则该柱子的理论塔板数多少？答：n = 5.54(t R/Y1/2)2，代入各数据，得n=774
7.某试样中，难分离物质对的保留时间分别为40秒和45秒，填充柱的塔板高度近似为1毫米。

假设两者的峰底宽度相等。

若要完全分离（R=1.5），柱长应为多少？
答：L = 16R2[r21/( r21 - 1)]2H有效，r21= 45/40，R=1.5, H有效= 1mm, 则
L=2916mm
8.气液色谱柱长2米。

当载气流量为15mL/min时，相应的理论塔板数为2450块。

而当载气流量为40mL/min时，相应的理论塔板数为2200块。

试计算最佳载气流速是多少？在最佳载气流速时色谱柱的理论塔板数是多少（A=0）？
答：气相色谱下，H= L/n=A + B/u + Cu = B/u + Cu，最佳载气流速为u=(B/C)1/2, 得200/2450= B’/15 + 15C’
200/2200= B’/40 + 40C’,
这里，V=60Au，B’= 60AB, C’= C/60A, A为柱截面积，V为流量
解得，B’=0.836 ,C’=1.75 x 10-3 ,60Au =(B’/C’) 1/2=V，
因此，V=22mL/min；H=0.0765cm →n=2614.
9.气相色谱仪的核心部件是什么？
色谱柱是气相色谱仪的核心部件。

多组分样品能否完全分离，主要决定于色谱柱的效能和选择性，色谱柱又可分为填充柱和空心毛细管柱。

毛细管柱一般内径为0.1～0.5mm，长30～300m，空心管壁涂有固定液，主要用于复杂混合物的分析。

其分离效能高，但柱容量较低。

10.气相色谱仪的检测类型有哪几种？各有什么特点？各适合哪类物质的分析？
气相色谱检测器按其原理不同可分为浓度型和质量型两大类：浓度型检测器的响应信号由进入检测器的组分浓度所决定，如热导池、电子捕获检测器等；而质量型检测器的响应信号则上单位时间内进入检测器的组分质量所决定，如氢焰、火焰光度检测器等等。

（1）热导池检测器（TCD）是一种应用很广泛的通用型检测器，它的结构简单，灵敏度适宜，稳定性较好，对所有物质都有响应。

（2）氢焰离子化检测器（FID）对大多数有机物有很高的灵敏度，结构简单、响应快、稳定性好，是目前应用最广的检测器之一。

（3）电子捕获检测器（ECD）是一种高灵敏度的选择性检测器，它只对具有电负性的物质（如含卤素，S，P，N，O的化合物）有响应，电负性越强，灵敏度越高，响应
信号与进入检测器的电负性物质浓度有关，ECD是浓度型检测器。

（4）火焰光度检测器（FPD）对硫、磷化合物的高选择性、高灵敏度的检测器，亦称硫磷检测器。

11.高效液相色谱中常用哪些检测器？各有什么特点？哪些适合梯度淋洗？
答：高效液相色谱要求检测器具有灵敏度高、重现性好，响应快、检测限低、线性范围宽、应用范围广等特性。

目前应用较广的有紫外光度检测器，差示折光检测器，荧光检测器等数种。

(1)紫外光度检测器：紫外光度检测器的作用原理是基于待测组分在流出色谱柱后对特定波长紫外光的选择性吸收的大小，待测组分的浓度与吸光度的关系遵从比尔定律。

这种检测器的灵敏度很高，其最小检测浓度可达10-9 g·mL-1 。

对温度和流速都不敏感，可用于梯度洗提，结构也较简单。

其缺点是不适用于对紫外光完全不吸收的试样，也不能使用对紫外光不透过的溶剂如苯等。

(2)荧光检测器：荧光检测器是利用许多物质在受到紫外光激发后能发射荧光的性质而制成的检测器。

被测物受强激发光照射后，辐射出比紫外光波长更长的荧光，荧光强度与被测物浓度成正比，通过荧光检测器采用光电倍增管使光信号转变为电信号检测出来。

荧光检测器的灵敏度一般要比紫外光度检测器高2个数量级，选择性也好．但其线性范围较差。

(3)差示折光检测器：差示折光检测器是利用连续测定工作池中试液折射率的变化，来测定试液浓度的检测器。

溶有被测组分的载液和单纯载液之间折射率之差，和被侧组分在试液中的浓度直接有关，因此可以根据折射率的改变，测定被测组分。

12.分离温度与组分保留时间有什么关系？温度升高，色谱峰形将发生什么改变？
分离温度直接影响分离度和组分的保留时间。

首先应使柱温控制在固定液的最高使用温度（超过该温度固定液易流失）和最低使用温度（低于此温度固定液以固体形式存在）范围之
内。

温度升高，被测组分在气相中的浓度增加，K变小，t R缩短，色谱峰变窄变高,分离度
增加；但对于低沸点组份峰易产生重叠，使分离度下降。

13.现代高效液相色谱的显著特征是什么？
高效液相色谱法的特点是高压、高效、高速、高灵敏度。

适用于高沸点、热不稳定及生化试样的分析。

（1）高压:在高效液相色谱中，为了获得高柱效而使用粒度很小的固定相（<10μm），液体流动相高速通过时，将产生很高的压力，其工作压力范围为150～350×105 Pa。

（2）高速。

高效液相色谱由于釆用了高压，流动相流速快，因而所需的分析时间较经典的柱色谱少得多。

（3）高效。

高效液相色谱分析的柱效能约可达3万塔板/米以上，气相色谱的柱效能只有约2 000塔板／米。

（4）高灵敏度。

由于采用了高灵敏度的检测器，最小检测量可达10-9 g，甚至10-11 g。

而所需试样量很少，微升数量级的试样就可以进行全分析。

（5）可用于高沸点的、不能气化的、热不稳定的以及具有生理活性物质的分析。

一般来说，沸点在450℃以下，相对分子质量小于450的有机物可用气相色谱分析，但这些物质只占有机物总数的15％～20％，而其余的80％～85％，原则上都可采用高效液相色谱分析。

在高效液相色谱中，为了获得高柱效而使用粒度很小的固定相（<10μm），液体流动相高速通过时，将产生很高的压力，其工作压力范围为150～350×105 Pa。

14.用甲苯为流动相时，不能使用哪些检测器？
答：紫外检测器，由于对无紫外可见吸收的祖坟不响应，而甲苯对紫外光吸收较大，则无法作为流动相使用，使流动相的选择受到一定限制，
15.离子色谱与质子交换色谱有什么差别？
答：区别是采用了特别的、具有极低交换容量的离子交换树脂作为固定相，采用了细颗粒柱填料和高压输液泵，柱效提高，使用特制低交换容量的柱填料，使分离离子与树脂间的作用力下降，可以用低浓度淋洗液洗脱，停留时间缩短，分析速度快，低浓度淋洗液的本底电导较小，在交换柱后可采用抑制装置来消除淋洗液的本底电导，为采用通用型电导检测器创造了条件，使检测灵敏度提高，通常采用全塑组件与玻璃分离性耐腐蚀，
16.正相色谱柱与反相色谱柱是如何界定的？各适合哪类物质的分离？
答：亲水性固定液常采用疏水性流动相，即流动相的极性小于固定相的极性，称为正相液液色谱法，极性柱也称正相柱。

适合极性化合物的分离，极性小的组分先流出，极性大的组分后流出。

若流动相的极性大于固定液的极性，则称为反相液液色谱，非极性柱也称为反相柱。

适用于非极性化合物的分离，出峰顺序与正相分配色谱相反。

17.连续抑制型离子色的抑制机理是什么？
答：连续抑制装置有电化学连续抑制装置和纤维管连续抑制装置等多种类型，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。

例如为了分离阴离子，常使用NaOH转化为电导值很小的H₂O，从而消除了背景电导的影响。

18.分离下列物质，宜采用何种分离模式？
（1）稠环芳烃混合物液—固吸附色谱
（2）脂肪醇混合物液—液吸附色谱
（3）有机酸离子色谱或离子交换色谱
（4）聚合物空间排阻
（5）过渡金属离子离子色谱
19.下列物质在正相和反相柱上的流出顺序
正相：乙醚硝基丁烷乙酸乙酯
正己烷苯正己醇
反相：乙酸乙酯硝基丁烷乙醚
正己醇苯正己烷
20.何谓基团频率?它有什么重要用途?
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 -1350 cm-1，称为基团频率区，基团频率可用于鉴定官能团
21.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
22.选择气相色谱固定液的基本原则是什么？如何判断化合物的出峰顺序？固定液通常中高沸点、难挥发的有机化合物或聚合物。

选择固定液的基本原则是“相似相溶”原理。

即根据试样的性质来选择与其相近或相似的固定液。

根据组分与固定液的极性来判断出峰顺序。

如果组分与固定液的极性相似，固定液和被测组分两种分子间的作用力就强，被测组分在固定液中的溶解度就大，分配系数就磊，就不能先出峰，即组分与固定液的极性相差较大的、分配系数小的先出峰，而分配系数大的后出峰。

23.HPLC分析法中为什么采用梯度洗脱？如果组分保留时间太长，可以采取什么措施调节？在气相色谱中，可以通过控制柱温来改善分离、调节出峰时间。

而在液相色谱中，分离温度必须保持在相对较低和恒定状态。

改善分离、调节出峰时间的目的，需通过改变流动相组成和极性的方法即梯度洗脱的方法改变，从而可以使一个复杂样品中的性质差异较大的组分能按各自适宜的容量因子k达到良好的分离目的。

如果组分保留时间太长，可以通过改变柱长，增加流速，改变流动相的极性来调节。

24. 简述光分析仪器的基本流程，并举例说明各基本单元所用的器件。

光分析仪器种类很多，原理各异，但均涉及以下过程：提供能量的能源及辐射控制、辐射能与待测物质之间的相互作用，信号发生、信号检测、信息处理与显示等。

（首先是被测物质与辐射能作用后，通过信号发生部分产生包含物质某些物理或化学性质信息的分析信号，再由信号检测部分将分析信号转变为易于测量处理的电信号，最后由信息处理与显示部分将信号和结果以展现出来，变成人们可以观看的形式。

）光分析仪器通常包括五个基本单元：光源、单色器、试样室、检测器、信息处理与显示装置。

（5分）光源：在光谱分析中通常根据方法特征采用不同的光源，如：可见光谱分析法中通常使用钨灯，而紫外光谱分析法中通常使用氢灯和氘灯，红外光谱分析法中经常使用能斯特灯。

单色器：作用是将多色光色散成光谱带，提供光谱带或单色光。

是光分析仪器的核心部件之一，其性能决定了光分析仪器的分辨率。

包括色散元件(光栅与棱镜)，狭缝、准直镜等元件。

检测器有光检测器和热检测器两种，光检测器可分为单道型检测器和阵列型（多道型）检测器，单道型检测顺有光电池检测器、光电管检测器和光电倍增管检测器等，阵列型检测器有光电二极管阵列检测器和电荷转移元件阵列检测器等。

热检测器有真空热电偶检测器和热电检测器。

信息处理与显示装置主要是计算机，配合专用的工作站进行数据处理并显示在计算机屏幕上。

25.光分析法与其他分析方法相比有什么突出优点？光分析法在分析过程不涉及混合物分离，某些方法可进行混合物选择性测量，仪器涉及大量光学器件，与其他分析方法相比，具有灵敏度高、选择性好、用途广泛等特点。

它涉及辐射能与待测物质间的相互作用及原子或分子内的能级跃迁，能提供化合物的大量结构信息，在研究待测物质组成、结构表征、表面分析等方面具有其他分析方法难以取代的地位。

26.为什么原子光谱通常为线状光谱而分子光谱通常为带状光谱？
原子光谱是由原子所产生的吸收，包括原子发射，原子吸收和原子荧光三种，都经过原子化的过程以后，利用原子能级之间跃迁实现检测的，根据量子力学基本原理，能级跃迁均是量子化的，且满足一定条件时才能有效发生，所以原子光谱是线状光谱，谱线宽度很窄，其半宽度约为10-3 nm。

（同时由于原子内部不存在振动和转动能级，所发生的仅仅是单一的电子能级跃进迁的缘故。

）分子光谱包括紫外-可见、红外和荧光三种，是通过分子价层电子能级跃迁而产生的，由于分子中广泛存在分子的振动、分子的转动，会叠加到电子能级之上，又由于其产生的振-转能级低于价电子能级，结果是价电子能级的展宽，最终表现为为带状光谱而不是线状光谱。

27. 为什么分子的荧光波长比激发光波长长？而磷光波长又比荧光波长长？两者有那些共性和不同？
1、分子吸收外界光辐射以后，价层电子吸收能量发生能级跃迁，从基态跃迁到激发态，高能态的电子不稳定需要释放多余的能量，可以通过多种途径实现，其中之一是以光辐射的形式释放能量，回到基态，
2、电子由第一激发单重态最低能级回到基态时发射的光称为荧光，而电子由第一激发三重态最低能级回到基态时发射的光称为磷光。

3、由于分子受到光激发以后，可能跃迁到高电子能级的各个振动能级上，而不是只有第一激发单重态的最低能级，由ΔE=hν和c=λν可知，荧光波长比激发光波长长，类似的，由于三重态对应的是自旋平行而单重态对应的是自旋相反，根据量子力学原理可知第一激发三重态比第一激发单重态的能级还要小一些，因此，磷光波长又比荧光波长长。

4、两者均属于分子从激发态回到基态的光子发射过程，都具有两个特征光谱——激发光谱和发射光谱，其不同之处除了波长不同以外，其发射时间也有不同——荧光大约在10-8s左右，而磷光则在10-4-100s之间。

28.分析线、灵敏线、最后线、共振线各表示什么意义？相互之间有什么关系？
分析线在测定某元素的含量或浓度时，所指定的某一特征波长的谱线，一般是从第一激发态状态下跃迁到基态时，所发射的谱线。

每一种元素都有一条或几条最强的谱线，即这几个能级间的跃迁最易发生，这样的谱线称为灵敏线，最后线也就是最灵敏线。

电子从基态跃迁到能量最低的激发态时要吸收一定频率的光，它再跃迁回基态时，则发射出同样频率的光，叫共振发射线，简称共振线。

29.已知某种化合物C10H12O2，其HNMR数据如下：δ7.3（5H，s），δ5.21（2H，s），δ2.3（2H，tetra），δ1.2（3H，tri）推断结构。

计算自由度：U=10-6+1=5，由δ=7.3ppm(5H，s)，推断可能含有一个苯环还可能含有一个双键。

结合其他数据，最后得出该化合物的结构为：H2COCCH2CH3 O。

30.分子式为C4H10O的化合物有两种同分异构体，请根据HNMR数据分别确定其结构，并标示出各组峰所对应的化学位移：结构（I）δ1.9（3H，三重峰），δ3.7（2H，四重峰）；结构（II）δ0.7（3H，三重峰），δ1.0（3H，二重峰），δ1.2（2H，五重峰），δ1.3（1H，单重峰），δ3.6（1H，六重峰）。

结构（I）应该为：CH3CH2OCH2CH3 结构（II）应该是：CH3CH2CH(CH3)OH 19、（10分）分子式为C4H8O2（M=88）的化合物有两种同分异构体，请根据下列数据分别确定其结构，并简要说明依据：结构（I）HNMR——δ2.2（3H，单峰），δ3.5（3H，单峰），δ4.1（2H，单峰）；MS——主要质谱峰有88，58，45，43 结构（II）FTIR——主要吸收峰有2985，1741，1464，1438，1357，1203cm-1；MS ——主要质谱峰有88，59，57，29 自由度为4-4+1=1 结构（I）应该为：CH3COCH2OCH3 质谱中88到58是脱去两个甲基所得的离子，而88-45是脱去CH3CO（43）所得。

结构（II）应该是：CH3CH2COOCH3，由红外图可以推知，其中含有：甲基，羰基等，同时结合质谱图可以得出其结构应为CH3CH2COOCH3。