第三章 紫外-可见分光光度分析法

1、第三章第三章 紫外紫外- -可见分光光度法可见分光光度法 颜色的产生颜色的产生 白光白光(太阳光太阳光)：由各种单色光组成的复合光：由各种单色光组成的复合光 单色光单色光：单波长的光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成) 可见光区可见光区：400-750 nm 紫外光区紫外光区：近紫外区：近紫外区200 - 400 nm 远紫外区远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区）真空紫外区） 有色物质的不同颜色是由于吸有色物质的不同颜色是由于吸 收了不同波长的光所致。溶液能选收了不同波长的光所致。溶液能选 择性地吸收某些波长的光，而让其择性地吸收某些波长的光，而让其 他波

2、长的光透过，这时溶液呈现出他波长的光透过，这时溶液呈现出 透过光的颜色。透过光的颜色。 透过光的颜色是溶液吸收透过光的颜色是溶液吸收 光的互补色。光的互补色。 在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起 来的分析方法称为来的分析方法称为吸光光度法吸光光度法, ,主要有主要有: : 红外吸收光谱：红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围分子振动光谱，吸收光波长范围 2.52.5 10001000 m m，主要用于有机化合物结构鉴定。，主要用于有机化合物结构鉴定。 紫外吸收光谱：紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围电子跃迁光谱，吸收光波长范

3、围 200200 400400nmnm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。 可见吸收光谱：可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围电子跃迁光谱，吸收光波长范围 400400 750750nmnm，主要用于有色物质的定量分析。主要用于有色物质的定量分析。 紫外紫外可见光分光光度法可见光分光光度法是利用某些物质是利用某些物质 的分子吸收的分子吸收200-800nm光谱区的辐射来进行分光谱区的辐射来进行分 析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电价电 子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁子和分子轨道上的电子在电子能级间

4、的跃迁， 广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。 1、物质内部三种运动形式、物质内部三种运动形式 （1 1）电子相对于原子核的运动）电子相对于原子核的运动 （2 2）原子核在其平衡位置附近的相对振动）原子核在其平衡位置附近的相对振动 （3 3）分子本身绕其重心的转动）分子本身绕其重心的转动 3.1.1分子吸收光谱的形成分子吸收光谱的形成 分子三种不同能级：分子三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量 分子内能：分子内能：电子能量电子能量E

5、e 、振动能量振动能量Ev 、转动能量、转动能量Er 即即 EEe+Ev+Er evr 2 2、能级跃迁、能级跃迁 紫外紫外- -可见光谱属于电子可见光谱属于电子 跃迁光谱。跃迁光谱。 电子能级电子能级间跃迁的同时间跃迁的同时 总伴随有振动和转动能级间总伴随有振动和转动能级间 的跃迁。即电子光谱中总包的跃迁。即电子光谱中总包 含有振动能级和转动能级间含有振动能级和转动能级间 跃迁产生的若干谱线而呈现跃迁产生的若干谱线而呈现 宽谱带。宽谱带。 1（1）电子能级的能量差）电子能级的能量差Ee较大较大120eV。电子跃迁产生电子跃迁产生 的吸收光谱在紫外的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光区，紫外可

6、见光谱或分子的电可见光谱或分子的电 子光谱；子光谱； 1（2 2）分子振动能级的能量差（能级间隔）分子振动能级的能量差（能级间隔）E Ev v约为：约为： 0.050.05eVeV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或 分子振动光谱；分子振动光谱； 1（3）转动能级间的能量差）转动能级间的能量差Er：0.0050.050eV，跃迁产跃迁产 生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱 1（4 4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级 间的能量差所决定，反

7、映了分子内部能级分布状况，是间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是 物质定性的依据。物质定性的依据。 1（5）物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力，）物质对不同波长的光线具有不同的吸收能力， 物质也只能选择吸收那些能量相当于该分子能量物质也只能选择吸收那些能量相当于该分子能量 （e、v、r ）总和的辐射；）总和的辐射； 1（6 6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正 比，定量分析的依据。比，定量分析的依据。 3 3有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见光谱可见光谱 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价可见吸收光

8、谱，是其分子中外层价 电子跃迁的结果（三种）：电子跃迁的结果（三种）：电子、电子、电子、电子、n电子电子。 分子轨道理论分子轨道理论：一个成键轨道一个成键轨道 必定有一个相应的反键轨道。通必定有一个相应的反键轨道。通 常外层电子均处于分子轨道的基常外层电子均处于分子轨道的基 态，即成键轨道或非键轨道上。态，即成键轨道或非键轨道上。 外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态( (反键轨道反键轨道) ) 跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为大小顺序为： n n n n 11 跃迁 跃迁 所需能量最大，所需能量最大，电

9、子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱饱 和烷烃和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长吸收波长200nm。一般发生在近紫外区，吸收强一般发生在近紫外区，吸收强 度弱。分子中孤对电子和度弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生键同时存在时发生n 跃迁。丙酮 跃迁。丙酮n 跃迁的 跃迁的为为275nm. 4.4.常用术语常用术语 （1 1）生色团：）生色团： 最有用的紫外最有用的紫外可见光谱是由可见光谱是由 和 和n 跃迁产生的、能在紫 跃迁产生的、能在紫 外可见光范围内产生吸收的集团。这两种跃迁均要求有机物分子中含有外可见光

10、范围内产生吸收的集团。这两种跃迁均要求有机物分子中含有 不饱和基团。这类含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双 键或叁键体系组成，键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN。 （2 2）助色团：）助色团： 有一些含有有一些含有n n电子的基团电子的基团(如如OH、OR、NH 、 、NHR、X 等等)，它们本身没有生色功能它们本身没有生色功能( (不能吸收不能吸收200nm200nm的光的光) )，但当它们与生色，但当它们与生色 团相连时，就会发生团相连时，就会发生n n共轭作用，增强生

11、色团的生色能力共轭作用，增强生色团的生色能力( (吸收波长吸收波长 向长波方向移动，且吸收强度增加向长波方向移动，且吸收强度增加) )，这样的基团称为助色团。，这样的基团称为助色团。 （3 3）红移与蓝移）红移与蓝移 maxmax向长波方向移动称为红移，向长波方向移动称为红移， 向短波方向移动称为蓝移向短波方向移动称为蓝移 ( (或紫移或紫移) )。 （4）增色效应和减色效应）增色效应和减色效应 由于化合物结构改变或其他原因，由于化合物结构改变或其他原因， 使吸收强度（摩尔吸光系数使吸收强度（摩尔吸光系数）增强，增强， 称增色效应；使吸收强度减弱，称为称增色效应；使吸收强度减弱，称为 减色效应

12、。减色效应。 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶 剂使最大吸收波长剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化: 3.1.23.1.2光吸收基本定律光吸收基本定律 一、透射比和吸光度一、透射比和吸光度 当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一 部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反 射。如果入射光的强度为射。如果入射光的强度为I I0 0，吸收光的强度为，吸收光的强度为I Ia a，透过光，透过光 的强度为的强度为

13、I It t，反射光的强度为，反射光的强度为I Ir r 则则: :I I0 0I Ia a I It t I Ir r 在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量， 反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消， 上式可简化为上式可简化为: :I I0 0I Ia a I It t 透过光的强度透过光的强度I It t与入射光的强度与入射光的强度I Io o之比称为之比称为透光度透光度 或透光率或透光率，用，用T T表示。表示。 T T I It t/I/Io o 溶液的透射比越大，表示它对光的

14、吸收越小；反溶液的透射比越大，表示它对光的吸收越小；反 之，透射比越小，表示它对光的吸收越大。常用吸之，透射比越小，表示它对光的吸收越大。常用吸 光度来表示物质对光的吸收程度，吸光度光度来表示物质对光的吸收程度，吸光度A与透光度与透光度 T的关系的关系: A lg1/T = lgT = lg Io/It 二、朗伯朗伯比耳定律比耳定律 1 1、朗伯定律、朗伯定律 布格布格(Bouguer)和朗伯和朗伯(Lambert)先后于先后于1729年和年和1760 年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。当用适当年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。当用适当 波长的单色光照射一固定浓度的溶液时，其吸光度

15、与光波长的单色光照射一固定浓度的溶液时，其吸光度与光 透过的液层厚度呈正比，此即朗伯定律，透过的液层厚度呈正比，此即朗伯定律， 其数学表达式其数学表达式 为：为： A=kl k为比例系数，为比例系数，l为液层厚度（即样品的光程长度）为液层厚度（即样品的光程长度） 朗伯定律适用于任何非散射的均匀介质，但它不能朗伯定律适用于任何非散射的均匀介质，但它不能 阐明吸光度与溶液浓度的关系。阐明吸光度与溶液浓度的关系。 例例1. 有一单色光通过厚度为有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液的有色溶液, 其强度减弱其强度减弱20%。若通过。若通过5cm厚度的相同溶厚度的相同溶 液液, 其强度减弱百分之几其强度减

16、弱百分之几? 解：解： lgT1 l1 = lgT2 5l1 lgT2 = 5lgT1= 5lg0.80 = - 0.485 T2= 32.7% , 即减弱即减弱67.3% 2 2、比耳定律、比耳定律 1852 1852年比耳年比耳( (Beer)Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓又提出了光的吸收程度和吸收物浓 度之间也具有类似的关系。度之间也具有类似的关系。当用一适当波长的单色光照射当用一适当波长的单色光照射 厚度一定的均匀溶液时，吸光度与溶液浓度呈正比，厚度一定的均匀溶液时，吸光度与溶液浓度呈正比， 即：即：A=kc 式中：式中：c为溶液浓度，为溶液浓度，k为比例系数。为比例系数。

17、例例2. 一符合比尔定律的有色溶液，当浓度为一符合比尔定律的有色溶液，当浓度为c时，透射时，透射 比为比为T，若其它条件不变，浓度为若其它条件不变，浓度为c/3时，时，T为为 _，浓度为，浓度为2c时，时，T为为_。 解解: T1/3 T2 这说明浓度与透射比这说明浓度与透射比T 的是指数关系。的是指数关系。 Alg（I0/It)= b c 式中式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；吸光度；描述溶液对光的吸收程度； b：液层厚度液层厚度(光程长度光程长度)，通常以，通常以cm为单位；为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位溶液的摩尔浓度，单位molL ； ； ：摩尔吸光系数，单位摩尔吸光系数，单位

18、Lmol cm； ； 或或: Alg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位溶液的浓度，单位gL a： ：吸光系数，单位吸光系数，单位Lg cm a与与的关系为：的关系为： a =/M （M为摩尔质量）为摩尔质量） 3 3、朗伯、朗伯比耳定律比耳定律 透光度透光度透光度透光度透光度透光度( ( ( ( ( (透光率透光率透光率透光率透光率透光率) ) ) ) ) )T T T T T T 透过度透过度T : 描述入射光透过溶液的程度描述入射光透过溶液的程度: T = I t / I0 吸光度吸光度A与透光度与透光度T的关系的关系: A lg T 朗伯朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础

19、和定量测定的比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的 依据。应用于各种光度法的吸收测量；依据。应用于各种光度法的吸收测量； 摩尔吸光系数摩尔吸光系数在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度液层厚度 为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；时该溶液在某一波长下的吸光度； 吸光系数吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为相当于浓度为1 g/L、液层厚度液层厚度 为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。 4 4、摩尔吸光系数、摩尔吸光系数的特征的特征 （1 1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数特征常数；

20、（2 2）不随浓度不随浓度c c和光程长度和光程长度b b的改变而改变的改变而改变。在温度和。在温度和 波长等条件一定时，波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与仅与吸收物质本身的性质有关，与 待测物浓度无关；待测物浓度无关； （3 3）同一吸收物质在不同波长下的同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在值是不同的。在 最大吸收波长最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以处的摩尔吸光系数，常以max表示。表示。max 表明了该表明了该吸收物质最大限度的吸光能力吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法，也反映了光度法 测定该物质可能达到的最大灵敏度。测定该物质可能达到的最大灵敏度。 （4

21、 4）可作为定性鉴定的参数；）可作为定性鉴定的参数； （5 5）max max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度 越大表明该物质的吸光能力越强，用光度 法测定该物质的灵敏度越高。法测定该物质的灵敏度越高。 10 105 5：超高灵敏；：超高灵敏； =(6=(61010）10104 4 ：高灵敏；：高灵敏； 2210104 4 ：不灵敏。：不灵敏。 （6 6）在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1 1mol/Lmol/L、液层厚度为液层厚度为1 1cmcm 时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。 三、偏离朗伯三、偏离朗伯比耳定律的原因比耳定律的原因 标准曲线法测定未知溶液

22、的浓度时，发现：标准曲线标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线 常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对 朗伯朗伯比耳定律的偏离。比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：引起这种偏离的因素（两大类）： （1 1）物理性因素物理性因素，即仪器的非理想，即仪器的非理想 引起的；引起的； （2 2）化学性因素，化学性因素，与样品溶液有关与样品溶液有关。 （1 1）物理性因素）物理性因素难以获得真正的纯单色光难以获得真正的纯单色光 朗朗比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。 分光光度计

23、只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导 致对朗伯致对朗伯比耳定律的正或负偏离。比耳定律的正或负偏离。 为克服非单色光引起的偏离，首为克服非单色光引起的偏离，首 先应选择比较好的单色器。此外还应先应选择比较好的单色器。此外还应 将入射波长选定在待测物质的最大吸将入射波长选定在待测物质的最大吸 收波长且吸收曲线较平坦处。收波长且吸收曲线较平坦处。 (2) (2) 化学性因素化学性因素 朗伯朗伯比耳定律的假定：所有的吸光质比耳定律的假定：所有的吸光质 点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液 (c 60nm。 2.

24、选择显色反应时，应考虑的因素选择显色反应时，应考虑的因素 某些元素的氧化态，如某些元素的氧化态，如Mn（）、）、Cr（）在紫外或在紫外或 可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行 显色后测定。显色后测定。 例如：钢中微量锰的测定，例如：钢中微量锰的测定，Mn2 不能直接进行光度测定 不能直接进行光度测定 2 Mn2 5 S2O82-8 H2O =2 MnO4 + 10 SO42- 16H+ 将将Mn2 氧化成紫红色的 氧化成紫红色的MnO4 后 后，在在525 nm处进行测定处进行测定 3. 氧化还原显色反应氧化还原显色反应 4.

25、4.显色剂显色剂 无机显色剂：无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。 有机显色剂：有机显色剂：种类繁多种类繁多 偶氮类显色剂：偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物后，颜本身是有色物质，生成配合物后，颜 色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选 择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂、PARPAR 三苯甲烷类：三苯甲烷类：铬天青铬天青S S、二甲酚橙等、二甲酚橙等 1.1.显色剂用量显色剂用量 吸光度吸光度A A与显色剂用量与显色剂用量C CR

26、R 的关系会出现如图所示的几种的关系会出现如图所示的几种 情况。选择曲线变化平坦处。情况。选择曲线变化平坦处。 2.2.显色时间与温度显色时间与温度 实验确定实验确定 二、显色反应条件的选择二、显色反应条件的选择 3.3.反应体系的酸度反应体系的酸度 在相同实验条件下，分别测定不同在相同实验条件下，分别测定不同pHpH值条件下值条件下 显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定 的平坦区所对应的的平坦区所对应的pHpH范围。范围。 4.4.溶剂溶剂 一般尽量采用水相测定一般尽量采用水相测定 三、共存离子干扰的消除三、共存离子干扰的消除 体系内存在的

27、干扰物质的影响有以下几种：体系内存在的干扰物质的影响有以下几种： 干扰物质本身有颜色或与显色剂形成有色化合物，在测干扰物质本身有颜色或与显色剂形成有色化合物，在测 定条件下也有吸收；定条件下也有吸收； 在显色条件下，干扰物质水解，析出沉淀使溶液浑浊，在显色条件下，干扰物质水解，析出沉淀使溶液浑浊， 致使吸光度的测定无法进行；致使吸光度的测定无法进行； 与待测离子或显色剂形成更稳定的配合物，使显色反应与待测离子或显色剂形成更稳定的配合物，使显色反应 不能进行完全。不能进行完全。 三、共存离子干扰的消除三、共存离子干扰的消除 1.1.加入掩蔽剂加入掩蔽剂 选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩蔽剂本身及选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分