大学无机及分析化学课件之(13)

1、2021/2/61光学分析法概述光学分析法概述 紫外紫外-可见吸光光度法可见吸光光度法第第 13 章章13.1 光学分析法概述光学分析法概述 13.1.1 光学分析法分类光学分析法分类13.1.2 光谱法概述光谱法概述 13.2 紫外紫外-可见吸光光度法可见吸光光度法13.2.1 电子能级的跃迁类型电子能级的跃迁类型13.2.2 光的吸收定律光的吸收定律朗伯朗伯-比尔比尔( Lambert-Beer )定律定律 2021/2/6213.2.3 吸光系数吸光系数13.2.4 偏离比尔定律的因素偏离比尔定律的因素13.2.5 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计13.2.6 仪器的测量误差仪器的

2、测量误差13.2.8 显色反应与显色条件的选择显色反应与显色条件的选择13.2.9 参比溶液的选择参比溶液的选择13.2.10 应用示例应用示例2021/2/633电磁波谱:电磁辐射按波长顺序排列,称。射线射线 X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波2021/2/6413.1.1 光学分析法分类光学分析法分类光学分析法是基于物质与电磁波相互作用而建立起来的一种分析方法,光学分析法分类如下: 光学分析法 光 谱 法: 所测量的信号是由物质内部能级发生跃迁所产生的发射光谱、吸收光谱、散射光谱的波长和强度 非光谱法: 所测量的电磁波信号不是由能级跃迁所产生,而是基于

3、电磁波与物质相互作用时电磁波发生了方向和物理性质的变化（折射、反射、散射、干涉、衍射、偏振等）。例如通过对化合物折射率、旋光度的测量可对化合物进行分析。2021/2/6513.1.2 光谱法概述光谱法概述 光谱法可分为发射光谱法、吸收光谱法、荧光光谱、拉曼光谱法根据分析对象又分为原子光谱和分子光谱 2021/2/66吸收光谱法吸收光谱法 由于被测物对电磁波能量的吸收,使得入射电磁波的强度有所降低,从而产生吸收光谱。因为只有在入射电磁波的能量（h）正好等于被测物（原子、分子、原子核）两个能级的能量差（E2 - E1）时,即 h = E2 - E1 才能产生吸收光谱,因此根据吸收光谱可获得被测物在

4、结构上的信息,从而对被测物进行定性分析。由于入射电磁波被吸收的程度与被测物的含量存在定量关系,因此将入射电磁波被吸收的程度作为测量信号就可对被测物进行定量分析。2021/2/67（1） 原子吸收光谱法 选择一定频率的入射光（h）照射被测元素的基态原子,若入射光的能量正好等于被测原子由基态向激发态跃迁的能量（h = E）,则被测原子就会吸收入射光的能量由基态向激发态跃迁,被测原子对入射光的吸收（吸光度）与被测元素基态原子的数目成正比。原子吸收光谱法就是基于被测基态原子对入射光的吸收而建立起来分析方法,在原子吸收光谱法中所使用的仪器称为原子吸收分光光度计,该仪器主要由光源、原子化器、单色器、检测器

5、、读数指示系统五大部件组成（见图13.4）。2021/2/68常用的原子化器有火焰原子化器和石墨炉原子化器,原子化器的作用是使被测物发生分解并使被测元素形成气态的基态原子,由于原子蒸气中基态原子的数目与试液中被测物的浓度成正比,因此通过测量原子蒸气对入射光的吸收（吸光度）即可测定被测试液中被测物的浓度。 2021/2/69紫外-可见吸光光度法。分子的电子能级间隔E其能量值落在紫外-可见光区。紫外-可见吸光光度法是利用溶液中被测物分子或基团对紫外-可见光区的吸收谱带进行定性、定量的分析方法,其吸收机理是分子的外层电子吸收紫外-可见光区的辐射能发生了由基态向激发态的电子能级跃迁。应该指出,在分子发

6、生电子能级跃迁时还同时伴有分子的振动、转动能级跃迁,因此分子的紫外-可见吸收光谱是带状光谱。 图13.6是紫外-可见分光光度计的结构示意图。分子吸收光谱法分子吸收光谱法(紫外紫外-可见吸收光谱和红外吸收光谱可见吸收光谱和红外吸收光谱) 2021/2/610图13.4 原子吸收分光光度计示意图 被测试液 读数指示系统 （实线：发射线；虚线：吸收线） 光源 （空心阴极灯， 发射被测元素 的特征谱线。 ） 单色器 检测器 火焰原子化器 光源 单色器 吸收池 （被测试液） 检测器 读数指示系统 图13.6 紫外-可见分光光度计示意图2021/2/61113.2.1 电子能级的跃迁类型电子能级的跃迁类型

7、 紫外-可见吸光光度法是基于分子的电子能级跃迁而建立起来的一种分析方法,分子的电子能级跃迁主要有以下几种类型。1. * 跃迁和n * 跃迁 饱和有机化合物例如甲烷、乙烷等可发生 * 跃迁（见图13.10）,由于 * 跃迁所需能量大,吸收峰的波长处在真空紫外区,例如甲烷的max（最大吸收波长）为125nm,乙烷的max 为135nm。 * n 图 13.10 2021/2/612 分子中未参与成键的电子所在的轨道是非键轨道（用n表示）,n * 跃迁是指电子由非键轨道n向* 轨道跃迁。例如在含有杂原子（N、S、O、P、卤素等）的饱和有机化合物中,杂原子上的孤对电子是非键轨道（n）的电子,因此可发生

8、n * 跃迁（见图13.10）。 由于n * 跃迁所需能量也较大,大多数吸收峰的波长也处在真空紫外区。 * 跃迁和n * 跃迁所产生的吸收光谱一般需要真空紫外装置才能观察到,因此实用意义不大。2021/2/6132. * 跃迁和n * 跃迁 不饱和有机化合物例如含有 CC、CC、CO基团的化合物都可发生 * 跃迁。 * 跃迁所需能量较小,其吸收峰一般处在近紫外区（波长大于200nm）。对于含有共轭键（大键）化合物,由于 * 跃迁所需能量更小,因此其吸收峰向长波方向移动（红移）,甚至可落在可见区。 在含有杂原子的不饱和有机化合物中,除了存在 * 跃迁外还可发生n * 跃迁,例如丙酮分子的 * 跃

9、迁（见图13.11）和n * 跃迁（见图13.12）。n * 跃迁所需能量较小,其吸收峰甚至可落在可见区。2021/2/614 分子中能够发生 *、n * 跃迁,吸收紫外、可见光的不饱和基团称为生生色团色团。 分子中某些含有孤对电子的基团其本身并不产生吸收峰,但与生色团相连时孤对电子能使生色团 * 跃迁的能量降低,使生色团的吸收峰产生红移并使吸收的强度增大,这类基团称为助色团助色团（例如NH2、OH、NR2、OR、SH、SR、Cl、Br等）。2021/2/6153. 电荷转移 跃迁 在某些分中存在着电子给予体和电子接受体两部分,例如配合物中的配体是电子给予体,中心离子是电子接受体。在紫外-可见

10、光的照射下电子可以从电子给予体的外层轨道向电子接受体跃迁,这种跃迁称为电荷转移 跃迁（分子内氧化还原反应）,例如 某些有机化合物也可以产生电荷转移光谱,例如在 分子中苯环作为电子给予体,氧原子作为电子接受体,在紫外-可见光的照射下发生电荷转移。 CR O Fe3+SCN+Fe2+SCN h CR O CR O + 2021/2/6164. 配合物中心离子 的d d（f f）跃迁配合物中心离子的d（或f）轨道在配位体场的作用下发生了能级分裂,因此可以产生d d （或f f）跃迁。例如在八面体场的作用下,五重简并的d轨道分裂为两组（eg 和t2g轨道）,分裂能O落在紫外-可见光区,因此可以产生d

11、d 跃迁从而产生紫外-可见吸收光谱。eg t2g d O 2021/2/617在分子中各原子存在不同类型的振动运动,同时分子自身还存在转动运动,分子的振动、转动能量也是量子化的。分子的振动能级间隔E,其能量值落在红外光区,因此分子在进行振动（同时伴有转动运动）时可吸收红外光的能量使分子发生振动能级的跃迁。利用分子的红外吸收光谱可进行物质的成分和结构分析。图13.5是分子的电子能级（电子跃迁）、振动能级、转动能级的示意图。应该指出,在分子中并非所有的振动都会产生红外吸收,只有那些在振动过程中分子偶极矩的大小也随之发生交替变化的分子才能引起红外吸收,这是因为分子振动的红外吸收是基于分子偶极矩与入射

12、光交变电磁场之间的相互作用,当分子偶极矩的变化频率与红外辐射电磁场变化的频率相匹配时就会发生能量转移使分子发生振动能级的跃迁。例如 CO、OH、CX等极性基团的振动可引起偶极矩的变化,因此是红外活性的。 红外光谱法红外光谱法2021/2/618转动能级 振动能级 转动能级 电子能级 r3 r1 v1 v2 v3 r3 r1 r3 r1 s1 s2 s0 v0 v1 v2 v0 v3 E 图13.5 分子中电子能级、振动能级、转动能级的示意图2021/2/619原子荧光光谱法。采用一定的方法将被测物分解为气态原子（例如用火焰）,用一束光照射被测物气态原子,气态原子吸收一定频率的光能后被激发到激发

13、态（光致激发）,在回到基态时辐射出紫外-可见荧光。激发光称为一次光,所发射的原子荧光称为二次光。在与一次光相垂直的方向上测量荧光的强度,可进行元素的定量分析。图13.3是原子荧光光谱仪的结构示意图。 荧光光谱荧光光谱2021/2/620分子荧光光谱法。用一束紫外光照射被测物质,被测物分子吸收一定频率的光而成为激发态分子,激发态分子回到基态时所发射的分子荧光可用于被测物的定性、定量分析。样品 光源 单色器 检测器 读数指示系统 荧光光谱仪示意图2021/2/621发射光谱法发射光谱法 使用不同方法（电致激发、热致激发、光致激发）将被测物质从基态激发到激发态 M + 能量 M 由于激发态不稳定,物

14、质从能量较高的激发态跃迁到低能态时,多余的能量以电磁波的形式发射出来 M M + h 由于不同物质具有不同的特征谱线,因此通过测量发射光谱的频率（或波长）可进行定性分析。因为谱线强度与被测物质的含量有关,因此通过测量发射光的强度可进行定量分析。电致激发:通过被电场加速的电子的轰击而激发。热致激发:通过热运动的粒子的碰撞而激发。光致激发:通过吸收一定频率的光而激发。 2021/2/622（1） 原子发射光谱法。将被测物质导入火焰、电弧、等离子炬等激发源,被测物质分解成气态原子（或气态离子）,气态原子（或气态离子）的外层电子被激发到较高能级。由于原子（或离子）的激发态不稳定,在回到基态时发射出原子

15、（或离子）的特征光谱。利用原子（或离子）的特征光谱可进行元素的定性分析,通过测量谱线的强度可进行元素的定量分析。图13.2是原子发射光谱仪的结构示意图。（注:本文在各类光谱仪的示意图中均用棱镜表示单色器,在实际仪器中常采用光栅作为单色器。） 2021/2/623样品溶液 光源（等离子炬） 单色器 狭缝 检测器 读数指示系统 炬管 图13.2 原子发射光谱仪的示意图 2021/2/62413.2.2 光的吸收定律光的吸收定律朗伯朗伯-比尔（比尔（Lambert-Beer）定律）定律设一束强度为设一束强度为I0 的单色平行光束的单色平行光束穿过截面积为穿过截面积为S、长度为长度为l 吸收介质吸收介

16、质（设介质中只含（设介质中只含一种吸光物质）一种吸光物质）,由于介质中吸光由于介质中吸光分子对入射光的分子对入射光的吸收吸收,透射光强度透射光强度减弱为减弱为It（见图（见图13.13）。）。 I0 It S dl l Ix 图 13.13 光吸收示意图 2021/2/625在吸收介质中设入射光照射到某一厚度为在吸收介质中设入射光照射到某一厚度为dl的薄层时光的强的薄层时光的强度为度为Ix ,通过该薄层后光的强度减弱了通过该薄层后光的强度减弱了dIx ,-dIx/Ix为该薄层对光为该薄层对光的吸收率。由于薄层厚度的吸收率。由于薄层厚度dIx无限小无限小,所以横截面上所有吸光分所以横截面上所有吸

17、光分子的截面积之和（子的截面积之和（dS）与横截面积（）与横截面积（S）之比（）之比（dS / S）可作）可作为光子通过该横截面时被俘获的几率为光子通过该横截面时被俘获的几率,光子被俘获的几率应该光子被俘获的几率应该等于该薄层对光的吸收率等于该薄层对光的吸收率,即即-dIx/Ix = dS / S （13.1） 又因为又因为dS与薄层内吸光分子的总数目与薄层内吸光分子的总数目dn成正比（设比例系数成正比（设比例系数为为）,即即 dS = dn （13.2） 2021/2/626将式（13.2）代入式（13.1）中,得-dIx/Ix = dn / S 积分上式, I0 I - dIx / Ix

18、= 0 n dn / S 得 -ln（It / I0）= n / S-lg（It / I0）= 0.434 n / S （13.3）换成常用对数,得 t2021/2/627因为吸收介质的截面积 S = V / l （13.4） 吸光分子的浓度c = 1000 n /（6.021023 V）,则吸收介质的总体积 V = 1000 n /（6.021023 c） （13.5） 式中:l 的单位为cm;V 的单位为cm-3 将式（13.4）、式（13.5）代入式（13.3）中并合并常数项,得 -lg（It / I0）= l c （13.6） lg（1/T）= l c （13.7） -lg T = l

19、 c2021/2/628A = lg（1/T）= l c (13.8 )其中T = It / I0,T 称为透射比（或称为透光率）; 是常数项,称为摩尔吸光系数。显然透射比T增大,1/T 减小,lg（1/T）同步减小;又因为透射比越大则表明吸收介质对光的吸收越小,因此lg（1/T）可表示吸收介质对光的吸收程度,如果定义lg（1/T）为吸光度并用A表示,即 (13.8)式即为光吸收定律的数学表达式,该定律称为朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。 2021/2/629溶液的吸光度与液层的厚度成正比（A = k l）称为朗伯定律朗伯定律（吸光物质的浓度不变）。 溶液的吸光度与吸光物质的浓度成

20、正比（A = kc）称为比尔比尔定律定律（液层的厚度不变）。比尔定律是吸光光度法进行定量分析的依据。 若吸收介质含有m种吸光物质,吸收介质对入射光总的吸光度等于各吸光物质吸光度之和, A = i l ci i =1 m A = A1+ A2+Am即吸光度具有加和性。2021/2/6301Lamber-Beer定律的适用条件（前提） 入射光为单色光 溶液是稀溶液2该定律适用于固体、液体和气体样品3在同一波长下,各组分吸光度具有加和性 应用:多组分测定2021/2/63113.2.3 吸光系数吸光系数在式（13.8）中若液层厚度（l）以cm为单位,浓度以gL-1为单位,则比例系数用a表示,a称为吸

21、光系数吸光系数（单位为Lg-1cm-1）,式（13.8）写成A = a l c （13.9）若液层厚度（l）以cm为单位,浓度以molL-1为单位,则比例系数用表示,称为摩尔吸光系数摩尔吸光系数（单位为Lmol-1cm-1）。的物理意义是:当吸光物质的浓度为1 molL-1,液层厚度为1cm时溶液的吸光度。的大小反映了吸光物质的吸光能力,也反映了吸光光度法测定吸光物质的灵敏度,例如为104数量级时,灵敏度较高,可检测到浓度为10-610-5 molL-1的吸光物质。摩尔吸光系数与入射光的波长有关,在应用时应注明波长 。2021/2/632 讨论讨论: 1） =f（组分性质,温度,溶剂,） 当组

22、分性质、温度和溶剂一定, =f（） 2）不同物质在同一波长下可能不同（选择性吸收） 同一物质在不同波长下一定不同 3） ,物质对光吸收能力, 定量测定灵敏度 定性、定量依据AC l2021/2/63313.2.4 偏离比尔定律的因素偏离比尔定律的因素 比尔定律的偏离比尔定律通常只适用于稀溶液,当溶液浓度较高时吸光度与溶液浓度之间会偏离线性的关系,一般以负偏离居多（见图13.16）,这主要由以下几方面原因所造成。A c 图 13.16 比尔定律的偏离 2021/2/6341.非单色光的影响严格讲朗伯-比尔定律只适用于单色光,但在实际仪器中为保证照射溶液的入射光有足够的强度,单色器的狭缝必须有一定

23、的宽度,因此入射光并非是一纯的单色光而是一波长范围很小的复合光。由于溶液对不同波长入射光的吸收能力不同,即不同,因此造成对比尔定律的偏离。例如选择图13.17中的谱带作为入射光就容易产生对比尔定律的偏离。A 图 13.17 分析谱带的选择 2021/2/6352. 化学反应的影响按照比尔定律,溶液的吸光度应该正比于吸光分子的数目,但由于被测溶液中化学反应的存在,当增大吸光分子的浓度时,吸光分子的型体发生变化,吸光分子数目并未正比增加,因此造成对比尔定律的偏离。如在一定酸度条件下于350nm波长处测量Cr2O72-溶液的吸光度,由于Cr2O72-与CrO42-存在下列平衡 Cr2O72- + H

24、2O 2CrO42- + 2H+又因为Cr2O72-和CrO42-在此波长下对光的吸收能力不同（不同）,因此当增大Cr2O72-的浓度时会造成对比尔定律的偏离。 2021/2/63613.2.5 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计各种型号的紫外-可见分光光度计一般都是由光源、单色器、吸收池、检测器、读数指示系统五大部件组成。图13.18是72型分光光度计的光路图。图13.18 72型分光光度计的光路图 2021/2/6371.光源目前紫外-可见分光光度计的光源有钨丝灯、卤钨灯、氢灯和氘灯。钨丝灯是用于可见光区的连续光源。卤钨灯是用于可见区和近红外区的连续光源。氢灯和氘灯是用于紫外光区的连续

25、光源。2. 单色器单色器主要由入射狭缝、出射狭缝、透镜和棱镜（或光栅）组成,其核心元件是棱镜（或光栅）。单色器的作用是使光源发出的连续辐射发生色散,为被测溶液提供单色的入射光。 用于盛放被测溶液,在可见光区使用玻璃吸收池,在紫外光区使用石英吸收池。3. 吸收池2021/2/6384. 检测器检测器的作用是将光信号转换为电信号,目前常用的检测器有硒光电池、光电管或光电倍增管。硒光电池由三层物质组成（见图13.19）,底层是铁（或铝）片,中层是具有光电效应的半导体材料硒,上层是可以透光的金属薄膜（银或金）。当光穿过金属薄膜照射到硒的表面上时,在光子的作用下硒表面发生光电效应有电子逸出,由于硒的半导

26、体性质,逸出的电子只能单向移动到上层金属薄膜,使上层金属薄膜带负电成为光电池的负极。由于电子从硒的表面逸出,底层铁片中的电子流向硒层,使底层铁片带正电而成为光电池的正极,从而在光电池的外电路中产生光电流,光电流的大小与入射光的强度成正比。所产生的光电流可用检流计进行测量。 2021/2/639硒光电池对光的敏感范围是300800nm,在500600nm波长范围内最灵敏。硒光电池结构简单,价格便宜,容易更换,但缺点是容易出现“疲劳现象”。因此在使用过程中不宜用强光照射或长时间用光照射。 5.读数指示系统读数指示系统的作用是将检测器产生的信号进行采集并以适当方式给予指示或记录。常用装置有直流检流计

27、、电位调节指零装置以及自动记录和数字显示装置等。读数指示系统最后显示的是透射比和吸光度（见图13.20） 2021/2/64013.2.6 仪器的测量误差仪器的测量误差任何光度计都存在一定的测量误差,例如光源不稳定、读数不准确等都可产生测量误差（T）,测量误差的存在一定会引起分析结果的误差（c）,尤其在试液浓度较大和较小时对分析结果的影响较大。根据朗伯-比尔定律A = -lgT = l c可得 d lgT =0.434 dT T = - l dc 或 （13.10） 0.434 T T - l c 2021/2/641根据朗伯-比尔定律,将l =(-lgT)/ c代入到（13.10）式中,可得

28、 0.434T T lgT c/c = （13.11）对某台光度计而言,T为定值（0.22）,可见分析结果的相对误差c/c是透光率（T）的函数。对（13.11）式进行一阶求导,并令其等于零,可得到c/c的最小值。 2021/2/642 0.434T（lgT+0.434） （T lgT）2 （c/c）= = 0 解得lgT = -0.434 即T = 36.8 或 A = 0.434由测量误差（T）引起的浓度相对误差（c/c）最小。 在实际工作中为使分析结果的相对误差（c/c）小于5,通常控制溶液的吸光度落在0.151.00（或透光率为7010）范围内。 2021/2/64313.2.8 显色反

29、应与显色条件的选择显色反应与显色条件的选择1.显色反应紫外-可见吸光光度法虽可对物质进行定性分析、结构分析,但应用最广泛的是对物质的定量分析。凡是对紫外光、可见光有吸收的物质都有可能采用紫外-可见吸光光度法进行定量分析。具有共轭双键（大键）的有机化合物对紫外光一般都有较大的吸收,因此可采用紫外吸光光度法直接测定。在无机分析中最常用的是可见吸光光度法,许多水合金属离子虽然对可见光有一定的吸收而显某种颜色,但由于吸收系数较小,因此很少直接利用水合金属离子对可见光的吸收进行光度分析,对无机离子的光度分析一般要加入含有生色团和助色团的有机试剂（或称显色剂）,使被测离子与显色剂发生显色反应生成颜色较深的

30、化合物再对其进行测定。 2021/2/644例如无色的Al3+溶液对可见光基本无吸收,无法在可见光区使用吸光光度法对其进行测定,但Al3+在pH=5.6的条件下可以和显色剂“铬天青S”形成的蓝色配合物,该蓝色配合物对585nm的黄色光有最大吸收,摩尔吸光系数=5104,从而可以用585nm的黄色光作为入射光对所生成的蓝色配合物进行测定。 2. 显色剂的用量为了使显色反应进行完全,一般需加入过量显色剂。应该指出,有的配合物其最高配位数的型体并非颜色最深（不是最大）,对此,显色剂的用量不是越多越好,应调节显色剂的用量使颜色最深（最大）的那种配合物型体的分布系数达到最大。例如Mo5+和SCN形成的配

31、合物中, Mo(SCN)5型体是红色（较大）,而Mo(SCN)6型体是浅红色（较小）,因此显色剂SCN的用量过多时,反而减小。显色剂的用量一般可通过实验来确定。 2021/2/6453. 溶液的酸度大多数显色剂是有机弱酸（碱）,它与金属离子发生显色反应时通常作为配位体使用,因此酸度过高时由于酸效应的影响会使显色反应不完全。酸度过低时还会引起金属离子的水解。在进行显色反应时溶液的酸度是一个很重要的反应条件,溶液的酸度条件可通过实验来确定。4. 显色温度和时间 大多数显色反应可在室温下迅速完成。对在室温下反应速率较慢的反应可加热进行,但应注意有些显色反应的产物在温度较高时容易分解,适宜的反应温度可通过实验来确定。对反应速率快、反应产物稳定的显色反应,一般在显色后不久即可进行测定,显色时间对测定影响不大。对反应速率较慢、反应产物容易分解的显色反应,显色时间需通过实验来确定。 2021/2/64613.2.9 参比溶液的选择参比溶液的选择在测量样品溶液吸光度时若溶液中的溶剂、所加入的试剂或试样基体等对入射光也有吸收,就会给测量结果造成误差。选择合适的参比溶液可消除溶剂、试剂以及试样基体对测定的影响。 1. 溶剂参比若试样的组成较