第二章有机元素分析

第二章-有机元素分析

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第二篇有机及金属元素分析ﻬ

第二章有机元素分析

有机元素通常是指在有机化合物中分布较广和较为常见的元素，如碳(Ｃ)、氢(H)、氧（O)、氮(N)、硫(S）等元素。通过测定有机化合物中各有机元素的含量，可确定化合物中各元素的组成比例进而得到该化合物的实验式。

有机元素分析最早出现在１9世纪3０年代，李比希首先建立燃烧方法测定样品中碳和氢两种元素的含量，他首先将样品充分燃烧，使碳和氢分别转化为二氧化碳和水蒸气,然后分别以氢氧化钾溶液和氧化钙吸收,根据各吸收管的重量变化分别计算出碳和氢的含量。

目前,元素的一般分析法有化学法、光谱法、能谱法等，其中化学法是最经典的分析方法。传统的化学元素分析方法，具有分析时间长、工作量大等不足。随着科学技术的不断发展，自动化技术和计算机控制技术日趋成熟，元素分析自动化便随之应运而生。有机元素分析的自动化仪器最早出现于２0世纪６0年代，后经不断改进,配备了微机和微处理器进行条件控制和数据处理,方法简便迅速，逐渐成为元素分析的主要方法手段。目前，有机元素分析仪上常用检测方法主要有：示差热导法、反应气相色谱法、电量法和电导法几种。

2.1 基本原理

以德国Eｌementar公司生产的Varｉo EL Ⅲ型元素分析仪为例,该仪器主要采用微量燃烧法等实现多样品的自动分析。通过自动在线测定和计算可提供数据处理、计算、报告、打印及存储等功能。仪器有ＣHN模式、CHＮS模式和O模式3种工作模式，主要测定固体样品。仪器状态稳定后,

可实现每９min即可完成一次样品测定，同时给出所测定元素在样品中的百分含量,且仪器可自动连续进样。该仪器具有所需样品量少(几毫克）、分析速度快、适合进行大批量分析的特点,其主要性能指标如下：

1) 3种工作模式：ＣＨＮ模式、CHＮＳ模式和O模式；

2) 空白基线(He 载气）：C:± 30；Ｈ:±100；N：±１6;S：±20;O:±５０；

3）Ｋ因子检测（Ｈe 载气）:C：± 0．15；H：± 3.75;Ｎ：±０.16;Ｓ：±０.1５;Ｏ：± 0．16；

4) 元素测量准确度:Ｃ、H、Ｎ、S、Ｏ的误差均≤0．3％；

5）元素测量精确度：Ｃ、H、Ｎ、S、O的误差均≤０.2%。

本实验主要利用高温燃烧法测定原理来分析样品中常规有机元素含量。有机物中常见的元素有碳(C)、氢（H)、氧(Ｏ)、氮(Ｎ)、硫（S）等。在高温有氧条件下,有机物均可发生燃烧,燃烧后其中的有机元素分别转化为相应稳定形态，如CO2、H2Ｏ、N2、ＳO２等。

C x H y N z S t u O2x CO2y / 2H2O z / 2N2t SO2

因此,在已知样品质量的前提下,通过测定样品完全燃烧后生成气态产物的多少,并进行换算即可求得试样中各元素的含量。

2.２元素分析仪的基本构成及其工作原理

有机元素分析的工作原理是Ｆ. 普雷格尔测碳、氢的方法与J.-B.-A．杜马测氮的方法。在分解样品时通过一定量的氧气助燃,以氦气为载气,将燃烧气体带过燃烧管和还原管，二管内分别装有氧化剂和还原铜，并填充银丝以去除干扰物质（如卤素等)，最后从还原管流出气体除氦气以外只有二氧化碳、水和氮气。在一定体积的容器中混匀后,由载气带此气体通过高氯酸镁以去除水分。在吸收管前后各有一个热导池检测器,由二者响应信号之差给出水的含量。除去水分后的气体再通入烧碱石棉吸收管中,由吸收管前后热导池信号之差再求出二氧化碳含量。最后一组热导池则测量纯氦气与含氮的载气的信号差，得出氮的含量。

氧/硫分析仪：现代的测碳、氢、氮的仪器，在换用燃烧热解管后都可测定氧或硫。测定氧时,其前处理方法与经典法相似。将样品在高温管内热解，由氦气将热解产物携带通过涂有镍或铂的活性炭填充床，使氧全部转化成一氧化碳，混合气体通过分子筛柱，将各组分分离,通过热导池检测器检测一氧化碳气体而进行定量分析。另一种方法使热解气体通过氧化铜柱，将一氧化碳转化成二氧化碳,用烧碱石棉吸收后由热导示差的信号测定，或者利用库仑分析法测定。测定硫时,在热解管内填充氧化钨等氧化剂,并通过氧气帮助氧化，硫则通常被氧化成二氧化硫，生成的二氧化硫可用多种仪器方法测定。例如，可通过分子筛柱用气相色谱法测量；也可通过氧化银吸收管,由吸收前后热导差示响应求出含量;也可通过库仑滴定法,将二氧化硫吸收氧化成硫酸，吸收液的pH将改变,电解产生氢氧银离子,将和质子中和，使pＨ再恢复至原来数值,由电量求得硫含量。

下面针对本实验用到的CHN模式工作原理进行具体说明。整个实验流程如图2-1所示。

图2-１实验流程示意图

１－旋转式进样盘;２-球阀;3-燃烧试管;4-可容３个试管的加热炉；5-O2通入口；６－灰坩埚；7-还原管；８-干燥管;9-气体控制插入；10-流量控制器；１１-(TCD)热导仪；1２-节流阀;１3-干燥管（Ｈｅ)；14－量表,测气体入口压力;15－用于O2和He的流量表；16-气体清洁管;１7-压力传感器；1８-干燥管(O2)；1９-用于O2加入的针形阀;Ａ-SＯ2吸附柱;Ｂ-H2O吸附柱;C-CO２吸附柱;V2、Ｖ3-用于解吸附SO２的通道阀;V4-O2输入阀;V7-Ｈe输入阀；V8、V9－用于解吸附H2O的通道阀。

在CHN工作模式下，含有碳(Ｃ）、氢(H)、氮(N)元素的样品，经精确称量后(用百万分之一电子分析天平称取)，由自动进样器自动加入到CHＮ模式热解-还原管,如图２-2所示,在氧化剂、催化剂以及950℃的工作温度共同作用下，样品充分燃烧,其中的有机元素分别转化为相应稳定形态,如C Ｏ2、H2O、N２等。

1 保护管

2 灰分管

3 Al2O3颗粒填充，3 mm

4 WO3 颗粒填充，5

5 mm

5 石英棉填充，10 mm

6 支撑管，65 mm

7 石英棉填充，15 mm