基础化学实验III(仪器分析部分)

实验一 紫外吸收光谱法测定双组分混合物

一、实验目的

1、 掌握单波长双光束紫外可见分光光度计的使用。

2、 学会用解联立方程组的方法，定量测定吸收曲线相互重叠的二元混合物。 二、方法原理

根据朗伯—比尔定律，用紫外--可见分光光度法很容易定量测定在此光谱区内有吸收的单一成分。由两种组分组成的混合物中，若彼此都不影响另一种物质的光吸收性质，可根据相互间光谱重叠的程度，采用相对的方法来进行定量测定。如：当两组分吸收峰部分重叠时，选择适当的波长，仍可按测定单一组分的方法处理；当两组分吸收峰大部分重叠时（见图1），则宜采用解联立方程组或双波长法等方法进行测定。

图1 高锰酸钾、重铬酸钾标准溶液吸收曲线

解联立方程组的方法是以朗伯--比尔定律及吸光度的加和性为基础，同时测定吸收光谱曲线相互重叠的二元组分的一种方法。

从图2可看出，混合组分在λ1处的吸收等于A组分和B组分分别在λ1处的吸光度之和A

λ1

A+B

，即：

A

A+Bλ1

= κ

Aλ1

bc+ κ

A Bλ1bc

B

同理，混合组分在λ2处吸光度之和A

A

A+B

λ2应为：

Aλ2

A+Bλ2

= κbc+ κ

A Bλ2bc

B

若先用A、B组分的标样，分别测得A、B两组分在λ1和λ2处的摩尔吸收系数κ

1

Aλ1

、κ

Aλ2

和κ

Bλ

、κ

Bλ2

；当测得未知试样在λ1和λ2的吸光度A

AA

A+Bλ1 A+Bλ2

A+B

λ1

A

和A

A+Bλ2后，解下列二元一次方程组：

B

= κ= κ

Aλ1 Aλ2

b c+ κb c+ κ

A

Bλ1 Bλ2

b c b c

B

即可求得A、B两组分各自的浓度c和c。

c= (Ac= (A

BA

A+Bλ1 A+Bλ1

AB

· κ- κ

A

Bλ2

- A

A+Bλ2 A

· κ

B

Bλ1

) / ( κ

Aλ1

· κ

Bλ2

- κ

Aλ2

· κ

Bλ1)

λ1

· c) / κ

λ1

一般来说，为了提高检测的灵敏度，λ1和λ2宜分别选择在A、B两组分最大吸收峰处或其附近。

图2 高锰酸钾、重铬酸钾标准溶液及混合溶液的吸收曲线

三、仪器和试剂

1．紫外可见分光光度计（UV/VIS 916型）；1cm比色皿； 2．容量瓶、移液管、烧杯；

3．0.0200mol/L KMnO4标准溶液（其中含H2SO4 0.5mol/L，含KIO4 2g/L）； 4．0.0200mol/L K2Cr2O7标准溶液（其中含H2SO4 0.5mol/L，含KIO4 2g/L）。 四、实验步骤

1．分别吸取一定量的0.0200mol/L K2Cr2O7标准溶液，稀释配制成浓度为0.0008 mol/L、0.0016 mol/L、0.0024 mol/L、0.0032 mol/L、0.0040 mol/L的系列标准溶液。编号1~5。

2．分别吸取一定量的0.0200mol/L KMnO4标准溶液，稀释配制成浓度为0.0008 mol/L、0.0016 mol/L、0.0024 mol/L、0.0032 mol/L、0.0040 mol/L的系列标准溶液。编号6~10。 3．按照分光光度计操作规程，开启仪器。

4．绘制标准溶液在375～625nm范围内的吸收光谱图，找到最大吸收波长（λ1和λ2）。并测定它们在最大吸收波长（λ1和λ2）处的吸光度。 操作步骤： 4.1 波长扫描(定性)

A．用去离子水作为空白，做基线；

B．放入KMnO4标准溶液，在375～625nm范围内进行扫描，得到吸收光谱曲线1，在光谱图上标出最大吸收波长（λ1=545nm）；

C．放入K2Cr2O7标准溶液，在375～625nm范围内进行扫描，得到吸收光谱曲线2，在光谱图上标出最大吸收波长（λ2=440nm）；

D．放入试样溶液，在375～625nm范围内进行扫描，得到吸收光谱曲线3； E．将标准样品及试样的吸收曲线(1～3)叠在一张图上打印出来。见图2。 4.2 固定波长(定量)

F．输入波长545和440，并以逗号隔开，用去离子水作为空白，调零； G．分别放入待测溶液，读取吸光度的值并填入下表。

表1 标准溶液及混合液在两个波长处的吸光度（ABS）

波长/nm 545 440 五、数据处理

1．由标准溶液测定的吸光度，分别求得KMnO4和K2Cr2O7在545nm和440nm处的摩尔吸收系数κκ

A440

A545

标准溶液1 标准溶液2 ?? 混合液 、

和κ

B545

、κ

B440。

A+B

545

2．由试样测定的吸光度A六、问题讨论

和A

A+B440，列出二元一次方程组，求得c和c的浓度。

AB

1、今有吸收光谱曲线相互重叠的三元体系混合物，能否用解联立方程组的方法测定它们各自的含量？

2、设计一个用双波长法测定本实验内容的实验方案。

实验二 分子荧光光度法测定二氯荧光素

一、实验目的

1、 了解荧光光度法的基本原理

2、 掌握荧光分光光度计的结构及使用方法 3、 熟悉荧光分光光度计的应用 二、方法原理

当分子在紫外或可见光的照射下，吸收了辐射能后，形成激发态分子，分子外层的电子在10s 内返回基态，在返回基态的过程中，部分能量通过碰撞以热能形式释放，跃至第一激发态的最低振动能级，其它的能量以辐射形式释放出来。这种分子在光的照射下，分子外层电子从第一激发态的最低振动能级跃至基态时，发射出来的光称为分子荧光。它是由于光致发光而产生的，通常分子荧光具有比照射光较长的波长。分子荧光强度可用下式表示：

-8

I F＝2.3K’κbcI 0

当I 0一定时

I F ＝Kc

式中K’取决于荧光效率，κ是荧光分子的摩尔吸光系数，b是液槽厚度，c是荧光物质的浓度。由此可见在一定条件下，荧光强度与物质的浓度呈线形关系。又因荧光物质的猝灭效应，此法仅适用于痕量物质分析。下面简要介绍一下我们实验室所用的荧光分光光度计。

分子发光光度计（LS－50B型，美国Pekin-Elmer公司）。它是将分子荧光和分子磷光测量一体化装置，通过计算机选择测量方式。以氙灯为光源，发射200~800nm波长范围连续光谱，采取激发光和发射光和发射光成直角的光路。它的工作原理为：光源光束经激发单色器色散，获得一定波长单色光照射于试样上，由试样发出的荧光经发射单色器色散后照射光电倍增管，将荧光强度信号转变为电信号，放大后于记录器记录或读出信号，PE LS—50B型分子发光光度计工作原理如图2—1—15所示（书本123页）。 三、仪器和试剂

1、仪器 PE LS－50B型分子发光光度计；100mL容量瓶，10mL、5mL、2mL、1mL吸量管。 2、试剂

⑴100.0μg·m L二氯荧光素标准储备液：准确称取 0.0100g 二氯荧光素（A .R），加入 1m o l ·L NaOH 5m L，再加 3m L 1mo L·L HCl溶解后，用二次蒸馏水定容至100 ml；取0.5ml上述溶液，转移至100ml容量瓶中稀释至刻度，配成0.50μg ·m L标准溶液供配制标准系列用。 ⑵1m o l ·L NaOH溶液 ⑶1mo L·L HCl溶液 ⑷待测试样溶液。 四、实验步骤

1、系列标准溶液的配制 分别吸取 0.50μg ·m L二氯荧光素标准储备液 0.0 , 2.0m L , 4.0m L ,6.0mL,8.0m L和10.0m L放入6个100 m L容量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，备用。

2、制激发光谱和荧光发射光谱 发射和激发狭缝宽度均为5nm，扫描速度500nm/min，选用激发光波长484nm，荧光波长510nm，在荧光分光光度计上记录485～620nm的荧光光谱和400～600nm的荧光激发光谱。

-1

-1

-1

-1

-1

-1

-1

3、定标准曲线 将激发波长固定在484nm，荧光发射波长固定在510nm，测量系列标准溶液的荧光强度。

4、标准系列溶液同样的条件下，测量试样溶液的荧光发射强度。

5、标准系列溶液的荧光强度及对应的浓度绘制 I f ~C曲线，并以试样的荧光强度在标准曲线上查出相应的含量。 五、问题讨论

1、试说明分子荧光法的基本原理及影响因素。 2、如何绘制激发光谱和荧光发射光谱？ 3、哪些因数可能会对二氯荧光素荧光产生影响？

实验三 原子吸收法测定水中钙含量

一、实验目的：

1.掌握原子吸收分光光度法的基本原理和原子吸收分光光度计的使用方法； 2.利用原子吸收分光光度法测定水中钙含量。 二、实验原理：

原子吸收分光光度法是利用锐线光源所发出的所测定元素第一共振线的锐线光，去照射用原子化器将样品中被测组分转变成的原子蒸气，由于在一定条件下，原子蒸气对光吸收满足朗伯-比耳定律，以标准样品的吸收与被测样品进行对比，确定样品中被测组分的浓度。原子吸收分光光度法一般用于微量组分或痕量组分的分析。

原子吸收分光光度法中所使用的锐线光源为空心阴极灯。所采用的原子化器通常有火焰原子化器和无火焰原子化器两种。本实验使用产生空气-乙炔的火焰原子化器实现原子化。

本实验的定量分析方法采用标准曲线法。先测定含钙浓度为4~16ppm的标准溶液的吸光度，作出标准曲线，再根据样品的吸光度在标准曲线上求出样品中钙含量。 仪器、试剂：

岛津AA6601型原子吸收分光光度计；火焰原子化器、钙空心阴极灯；空气压缩机；乙炔钢瓶。

钙标准溶液；二次蒸馏水。 三、实验内容： 1． 开机：

打开主机电源开关和计算机电源开关，打开乙炔钢瓶的钢瓶阀，调整气体压力为0.1MPa，打开空气压缩机的电源开关。

双击计算机显示屏上的“AAPC”图标，在弹出的元素周期表中双击要测定的元素符号。在参数选择窗口选择参数项1，单击“Select”按钮。 2． 设置测量条件：

在“View”菜单上选择“Experiment Conditions”项，弹出测量条件设置窗口。设置如下条件：

Lamp turret number: 2. Lamp current value: 8mA. Analysis line wavelength: 422.7nm. Slit width: 0.5nm. Lamp mode: NO-BGC mode.

3.用色谱法进行定性分析的任务是确定色谱图上每一个峰所代表的物质。在色谱条件一定时，任何一种物质都有确定的保留值、保留时间、保留体积、保留指数、及相对保留参数。因此，在相同的色谱操作条件下，通过比较已知纯样、未知物的保留参数或在固定相上的位置，即可确定未知物为何种物质。

4.用已知物进行定性可采用单柱比较法、峰高加入法或双柱比较法。单柱比较法是在相同的色谱条件下，分别对已知纯样及待测试样进行色谱分析，得到两张色谱图，然后比较其保留参数。当两者的数值相等时，即可认为待测试样中有纯样组分存在。 三、仪器和试剂

1． 气相色谱仪、FID检测器 2． 氮气源

3． 色谱柱：毛细管柱

4． 正己烷、环己烷、苯（A.R） 四、实验步骤

1． 通氮气，启动主机。 2． 调节色谱条件：

柱温：80℃；检测器：120℃；气化室温度：120℃； 载气流速：H2:40ml/min

进未知混合试样0.5ul，记录色谱图上各峰的保留时间。

3． 分别注射、环己烷、苯等纯试剂0.2ul，记录色谱图上各峰的保留时间。 五、数据记录

试 剂 保留时间（min） 保留时间（min） 保留时间（min） 六、结果处理

采用单柱比较法，对已知纯样及待测试样进行色谱分析，比较其保留时间，当两者的数值相等时，来确认待测试样中的组分存在。并计算两峰的分辨率。 七：问题讨论

1． 本实验中，进样量是否需要非常准确？ 2． 实验中注意哪些操作？

正己烷 环己烷 苯

实验十 气相色谱归一化定量分析

一、实验目的

1、进一步掌握气相色谱仪的操作要点 2、了解气相色谱各种定量方法的优缺点

3、进一步熟练掌握根据保留值，用已知物对照定性的分析方法 4、掌握用归一化法测定混合物中各组分的含量 二、实验原理

气相色谱的定量分析：峰面积百分比法、归一化法、内标法和外标法等。峰面积百分比法适用于分析响应因子十分接近的组分的含量，要求样品中所有组分均出峰。归一化法定量准确，但它不仅要求样品中所有组分均出峰，而且要求具备所有组分的标准品，以便于测定校正因子。内标法是精密度最高的色谱定量方法，但要选择一个或几个合适的内标物并不总是易事，而且在分析样品前必须将内标物加入样品中。外标法简便易行，定量精密度相对较低，而且对操作条件的重现性要求较严。本实验采用归一化法。

定量分析的依据：被测组分的质量与其色谱峰面积成正比。即 峰面积 A 的测量：

；fi 为比例常数，是定量校正因子，一般色谱手册中提供有

许多物质的相对校正因子，可直接使用。

定量分析的步骤：

第一步，先进行定性分析：化合物在一定的色谱操作条件下，每种物质都有一确定的保留值，故作为定性分析的依据；在相同的色谱条件下对已知样品和待测试样进行色谱分析，分别测量各组分峰的保留值，若某组分峰与已知样品相同，则可认为二者是同一物质。从而确定各个色谱峰代表的组分。

第二步，归一化法测定含量：若试样中含有n个组分，且各组分均能洗出色谱峰，则其中某个组分i的质量分数为 Wi 可按照下式计算：

归一化法的优点是简便、准确，定量结果与进样量无关，操作条件对结果影响较小；缺点是试样中所有组分必须全部出峰，某些不需要定量的组分也要测出其校正因子和峰面积。 三、仪器和试剂

1、仪器：GC-9790气相色谱仪（温岭福立分析仪器有限公司）；FID；毛细管柱，微量进样器

2、试剂：己烷，庚烷，辛烷，壬烷 四、实验步骤

1、气相色谱仪的基本操作流程

（1）开启：a、开启载气N2钢瓶的阀门；

b、将气体净化器打到“开”的位置； c、打开色谱仪的电源； d、打开色谱工作站；

（2）实验条件如下：柱温100℃，汽化室温度：150℃，检测器温度：180℃；

N2流速：45mL/min；H2 40mL/min；空气：450mL/min；纸速：10cm/min

（3）待检测器FID温度达到的时候，开启H2钢瓶的阀门及打开空气源的电源，点燃FID； （4）运行程序一次并用丙酮进样清洗色谱柱； （5）进样，运行；

（6）结束时，再用丙酮进样清洗色谱柱，设置程序。辅助I：50℃；column：50℃；FID：50℃。

先关闭氢气、空气源。等到温度降至该设置温度时，方可关闭色谱仪电源，最后关闭载气阀门。 2、混合物的分析 （1）纯样保留时间的测定

分别用微量注射器移取纯样（己烷到壬烷）溶液0.2μL，依次进样分析，分别测定出各色谱峰的保留时间 tR。 （2）混合物试液的分析

用微量注射器移取0.2μL混合物试液进行分析，连续记录各组分色谱峰的保留时间，记录各色谱峰的峰面积。 五、结果处理

1、将混合物试液各组分色谱峰的调整保留时间与标准样品进行对照，对各色谱峰所代表的组分

作出定性判断。

2、根据峰面积和校正因子，用归一化法计算混合物试液中各组分的质量分数。各组分的 fi 值见下表： 组分 fi 保留时间 峰面积 质量分数 ''

己烷 庚烷 辛烷 壬烷 3、实验完毕，按照要求关闭色谱仪。

六、注意事项

1、测定时，取样准确，进样要求迅速，瞬间快速取出注射器；注入试样溶液时，不应有气泡。 2、进样后根据混合物溶液中各组分出峰高低情况，调整进样量，使得出峰最高的约占记录纸宽度的80％左右。

3、测定时，严格控制实验条件恒定，这是实验成功的关键。

4、为了保护色谱柱，要求载气首先打开，然后开机，结束时先关机，后关载气；严格按照要求的顺序开启和关闭色谱仪。 七、思考题

1、进样操作应注意哪些事项？在一定的条件下进样量的大小是否会影响色谱峰的保留时间和半峰宽度？

2、色谱定量方法有哪几种，各有什么优缺点？

3、色谱归一化法有何特点，使用该方法应具备什么条件？ 附：进样操作

（1）进样时要求注射器垂直于进样口，左手扶着针头以防弯曲，右手拿着注射器，右手食指卡在注射器芯子和注射器管的交界处，这样可以避免当针进到气路中由于载气压力较高把芯子顶出，影响正确进样。

（2）注射器取样时，应先用被测试液洗涤5～6次，然后缓慢抽取一定量试液，并不带有气泡。 （3）进样时，要求操作稳当、连贯、迅速，进针位置及速度，针尖停留和拔出速度都会影响进样重现性。

（4）要经常注意更换进样器上的硅橡胶密封垫片，防止漏气。

实验十一 阳极溶出伏安法测定水中微量铅和镉

一、实验目的

1：熟悉溶出伏安法的基本原理。 2：掌握汞膜电极的使用方法。

3：了解一些新技术在溶出伏安法中的应用。 二、方法原理

溶出伏安法的测定包含两个基本过程。即首先将工作电极控制在某一条件下，使被测定物质在电极上富集，然后施加线性变化电压于工作电极上，使被测物质溶出，同时记录电流与电极电位的关系曲线，根据溶出峰电流的大小来确定被测定物质的含量。

溶出伏安法主要分为阳极溶出伏安法，阴极溶出伏安法和吸附溶出伏安法。本实验采用阳极溶出伏安法测定水中Cd(Ⅱ),其过程表示为： Cd + 2e+ Hg = Cd(Hg)

2+

-

本法使用汞膜电极为工作电极，铂电极为辅助电极，甘汞电极为参比电极。在被测物质所加电压下富集时，汞与被测物质在工作电极的表面上形成汞齐，然后在反向电位扫描时，被测物质从汞中“溶出”，而产生“溶出”电流峰。

在酸性介质中，当电极电位控制为-1.0v（SV.SCE）时,Cd(Pb)在工作电极上富集形成汞齐膜,然后当阳极化扫描至-0.1v时，可得到清晰的溶出电流峰。镉(铅)的波峰电位约为-0.6v（-0.4v）左右（SV.SCE）。 三、仪器和试剂 1：电化学分析仪

2：汞膜电极作工作电极，甘汞电极作参比电极及铂辅助电极组成三电极系统。 3：1.0×10mol\\L镉离子标准溶液、1.0×10mol\\L铅离子标准溶液 4：1mol/LHCl 5：0.02%抗坏血溶液 6：1mol/LKCl溶液 7：容量瓶100ml若干 四、实验步骤 1：配制试液：

取两份50.00ml水样置于2个100ml容量瓶中，分别加入1ml/LHCl10ml，0.5ml抗坏血酸，在其中一个容量瓶中加入1.0×10mol/l的镉离子标准溶液0.5ml,均用蒸馏水稀释至刻度,摇匀。

2：将未添加Cd（(Pb)）标准溶液的水样置电解池中，放入清洁的搅拌磁子，插入电极系统。

1） 准备： 置准备位置，起始。

2） 清洗：置清洗位置，调节清洗电位为+3v，计时为30秒至1分钟，清洗完毕，退回工

作置准备。

3） 富集：拨回初始，校正电位，开机搅拌，在置工作的同时，计时3分钟至5分钟，“富

集”完毕。

4） 静止：将旋转搅拌停止，使溶液静止1分钟左右。 5） 溶出：静止完毕，记录伏安图。

6） 清洗:将电极在-0.1v电位停留,起动搅拌1min,解脱电极上的残留物,如上述重复测定

一次。

按上述操作手续，测定加入Cd标准溶液的水样，同样进行两次测定。测定完成后，置工作电极电位在+0.V处，开动电磁搅拌器，清洗电极3min，以除掉电位上的汞，取下电极清洗干净。 五、结果处理

1：列表记录所测定的实验结果。

2：取两次测定的平均峰高，按公式计算水样中Cd的浓度。 CsVsH

Cx = ______________________________ H(Vx +vs) - hxVx 式中：h：测得水样的峰电流高度 H：水样加入标准溶液后测得的总高度。 Cs：标准溶液的浓度。（mol/l） Vs：标准溶液的体积。（ml） V：取水样的体积。 （ml） 注意：

2+

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