无机与分析化学：第九章 紫外-可见分光光度法

2022/10/27第九章紫外-可见分光光度法1、了解物质颜色与光的吸收关系；2、了解分光光度法的基本原理，测量误差和测量条件的选择；3、掌握朗伯-比耳定律；了解偏离朗伯-

比耳定律的原因；4、掌握分光光度法的有关计算2022/10/27第九章紫外-可见分光光度法第一节基本原理第二节显色反应与测量条件的选择第三节吸光光度分析的方法和仪器第四节应用实例2022/10/27第一节基本原理一、概述二、光的选择性吸收三、吸光分析基本定律返回2022/10/27一、概述1、定义：分光光度法是基于物质对光的选择吸收而建立起来的分析方法红橙黄绿青蓝

紫2022/10/27一、概述2、分类：(1)红外吸收光谱：属于分子振动光谱，吸收光波长范围在2.5～10um,主要用于有机化合物结构鉴定。(2)紫外吸收光谱：属于电子跃迁光谱，吸收光波长范围在200～400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。(3)可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400～750nm，主要用于有色物质的定量分析。2022/10/273、光的分类①白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光。②单色光：单波长的光（由具有相同能量的光子组成）远紫外光区：100～200nm（真空紫外区）近紫外区：200～400nm可见光区：400～750nm返回一、概述2022/10/27二、光的选择性吸收

如果将两种单色光按一定强度比例组合，也可成为白光，这两种光称为互补色光，处于对角线两端的两种色光为互补色光。1、互补色光如：绿光和紫光、黄光和蓝光。2022/10/27

当一束白光通过某一有色溶液时，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过，还有一些被器皿反射和散射（若被照射的是均匀溶液，则光的散射可忽略。透射光刺激人的视觉，使人感觉到颜色的存在。（若是不透明物质，则为反射光。）2、溶液颜色和光吸收的关系二、光的选择性吸收2022/10/27

显然透射光和吸收光是互补色光，如果溶液吸收了某一波长的光，这时溶液呈现的颜色就是透射光，即吸收光的互补色光，因为不同的物质对光的吸收情况不同，所以物质就呈现出各种颜色。例如：

CuSO4溶液吸收黄色光，呈现互补色光：蓝色

K2Cr2O7溶液吸收蓝色光，呈现互补色光黄色二、光的选择性吸收2022/10/273、物质对光的选择性吸收定义：指每一种物质仅吸收特定波长的光物质吸收光(获得能量)后，其分子或原子由基态跃迁至激发态：M

+

hν

→

M*

→M

+

热（+光）基态E1

激发态E2

基态E1二、光的选择性吸收2022/10/27能级差：△E=E2-E1=hν

只有当照射光的光子能量hν与被照射粒子的基态和激发态能级差相当时，才能发生吸收。不同的物质粒子由于结构不同，而具有不同的量子化能级，其能量差也不同，所以物质对光的吸收具有选择性返回二、光的选择性吸收2022/10/271.朗伯－比尔定律当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部分被溶液吸收，另一部分透过溶液，还有部分被器皿表面反射。

I0＝

Ia

＋It

＋Ir

入射光吸收光透射光反射光三、吸光分析基本定律2022/10/27若比色皿采用相同质料的光学玻璃制成，则：

Ir≈0∴I0≈Ia＋It

令：It/I0＝T（透光度），透光度取值范围：0～1。溶液的透光度愈大，则对光的吸收愈小；反之，T愈小，则吸收愈大。三、吸光分析基本定律2022/10/27

以A代表吸光度，定义A＝lg(1/T)＝lg(I0/It)

实验证明，有色溶液的吸光度A与该溶液的浓度c、液层厚度b和入射光强度I0有关。三、吸光分析基本定律2022/10/27(1)公式形式布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。

A∝b1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之间也具有类似的关系。

A∝c三、吸光分析基本定律2022/10/27

二者的结合称为朗伯-比耳定律，其数学表达式为：

A＝ε·b·c

或A＝a·b·c

ε—摩尔吸收系数，其值与入射光强度、波长、溶液性质和温度有关，单位L·mol-1·cm-1；

b—液层厚度，单位cm；

c—溶液浓度，单位mol·L-1。三、吸光分析基本定律2022/10/27ε是在单位液层厚度，单位浓度时，溶液对单色光的吸光度，此时A＝εε数值表达了二层含义：对光吸收程度的大小；测试方法灵敏度的大小三、吸光分析基本定律2022/10/27ε愈大，表示该物质对某波长的光吸收程度愈大，因而光度测定的灵敏度愈高。一般：103<ε＜104

，灵敏度低

104

＜ε＜105，中等灵敏度

ε＞105

，高灵敏度三、吸光分析基本定律2022/10/27例：浓度为的Cu2+溶液，于600nm处用2.0cm比色皿测得T=50.1%，求a和ε解：三、吸光分析基本定律2022/10/27例：某有色溶液，当用1cm比色皿时。其透光率为T，若改为2cm比色皿，求透光率？解：三、吸光分析基本定律2022/10/272.吸收曲线将物质用不同波长的单色光照射，测吸光度，以吸光度对应波长作图得到该物质的吸收曲线。（动画）

KMnO4

的吸收光谱A：1×10－5mg.mL－1；B：2×10－5mg.mL－1；C：4×10－5mg.mL－1；D：8×10－5mg.mL－1。三、吸光分析基本定律2022/10/27①KMnO4溶液对不同波长的光吸收情况不同，在525nm的处KMnO4的吸光能力最强，有一吸收高峰，对应λmax（最大吸收波长）；对420nm的紫光和680nm处的红光吸收很弱，而对波长为720nm以上的光则几乎不吸收，完全透过，所以溶液呈现紫红色。若在最大吸收波长处测吸光度，则灵敏度最高。因此，吸收曲线的作用是从中选择合适的入射光波长。②由图中还可看出，不同浓度的同一物质在吸收峰附近，吸光度A随浓度增大而增大，但最大吸收波长不变。三、吸光分析基本定律2022/10/27吸收曲线的讨论：

①由于物质结构的复杂性，同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。三、吸光分析基本定律2022/10/27③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。

④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A

有差异，在λmax处吸光度A

的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。

⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据返回三、吸光分析基本定律2022/10/27第二节显色反应与测量条件的选择一、显色反应的要求二、显色反应条件的选择三、光度测量的误差四、测量条件的选择

在比色分析时，对本身有颜色的物质，可在其最大吸收波长处测得其吸光度；但若被测物质的颜色很浅或着根本就没有颜色，则无法使测量仪器产生足够的信号。2022/10/27

显色反应：

为提高灵敏度，大多数物质的吸光测定都需要在被测物质的溶液中加入一种或几种适当的显色物质，使被测物质转变为颜色较深的有色物质来测定。这种使被测物质生成有色物质的化学反应叫做显色反应。

M待＋R显

→

MR

待测离子显色剂

显色剂：所用的反应物称为显色剂。一、显色反应的要求2022/10/271、定量进行

显色剂与被测物质的反应要定量进行，显色产物应具有固定的化学组成，符合一定的化学式。

例如：Fe3＋＋3ssal→Fe（ssal）33-

磺基水杨酸显色产物（黄色）2、选择性要好在显色条件下，显色剂尽可能不要与溶液中其它共存离子显色，如果其它离子也和显色剂反应，干扰离子的影响应容易消除。一、显色反应的要求2022/10/273、灵敏度要高

灵敏度可从摩尔吸光系数来判断，但灵敏度高不一定选择性好，应全面考虑。4、显色产物的化学性质稳定5、显色剂在测定波长处无明显吸收。这样，试剂空白值小，以提高测量准确度。一、显色反应的要求2022/10/27二、显色反应条件的选择1.显色剂用量显色反应：M待＋R显→MR根据溶液平衡原理，MR的K稳值越大，或显色剂用量越多，越有利于待测组分生成有色产物MR。但用量过多有时会引起副反应，因此，显色剂的用量必须通过实验确定。2022/10/27如图为吸光度A与显色剂用量CR关系的几种情况。显色剂的用量应选择在曲线变化平坦的范围内。而且对（b)要防止过量太多；对（c)必须严格控制显色剂用量。二、显色反应条件的选择2022/10/272.反应体系的酸度(1)酸度对显色剂浓度的影响大多数显色剂是有机弱酸(HR)，酸度提高，使溶液中的HR浓度↑，而R的实际浓度↓，不利于显色反应进行。此外，不同酸度下，R的浓度不同，将引起有色配合物配位数的改变。例如：

Fe3＋＋ssal

pH:1.8～2.5→红褐色Fe（ssal）＋

pH:4～8→褐色Fe（ssal）2－

pH:8～11.5

→黄色Fe（ssal）33－二、显色反应条件的选择2022/10/27(2)酸度对被测离子形态的影响对某些容易水解的被测金属离子，若酸度低于某一限度，被测离子形成羟基配合物，甚至生成氢氧化物沉淀。(3)酸度对显色剂颜色的影响例如：H2R→H+＋HR-→H+＋R2-

黄色pH:6.9橙色pH:12.4红色必须通过实验结果来确定显色反应的pH二、显色反应条件的选择2022/10/273.显色时间因显色反应的时间各不相同，所以应根据实际情况通过实验确定。显色后，分别在不同时间测定吸光度，作图得吸光度与时间变化曲线。一定时间后，吸光度不再随时间变化。此时的时间为显色反应时间。4.显色温度通过绘制A～T温度曲线确定适宜温度。二、显色反应条件的选择2022/10/27三、光度测量的误差1、读数误差（动画）不同的透光度读数，产生的误差大小不同：

一般要求T在20%～65%之间，吸光度A=0.70～0.20。2022/10/272、偏离吸收定律引起的误差根据朗伯－比耳定律，当一定波长的入射光强度I一定，比色皿或吸收池液层厚度b一定时，吸光度A∝有色溶液浓度c。测定中，我们将得到若干组数据标准溶液未知液

c1c2c3……c未

A1A2A3……A未三、光度测量的误差2022/10/27然后以吸光度为从坐标，标准溶液浓度为横坐标作图。这时将得到一条通过原点的直线，该直线称为标准曲线（或工作曲线）。

在相同条件下测得待测未知液的吸光度A未，从工作曲线上即可查得待测液的浓度。但是，在实际工作中，特别是在溶液浓度较高时，常会出现标准曲线不成直线的现象，这种现象称为偏离朗伯－比耳定律。三、光度测量的误差2022/10/27原因分析：(1)非单色光引起的偏离朗伯－比耳定律的基本假设条件是：入射光为单色光，但目前仪器所提供的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光。如果单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，则偏离愈严重。三、光度测量的误差2022/10/27(2)由溶液本身的的物理、化学因素引起的偏离①物理因素例如，被测溶液为非均匀介质，如：胶体溶液、悬浮液或乳浊液等。入射光将被微粒散射，而引起损失，使透光度减小，如果微粒发生沉淀，将使吸光度下降。溶液的折光指数，只有低浓度的溶液折光指数才为常数三、光度测量的误差2022/10/27②化学因素溶液中吸光组分发生化学变化，如缔合、离解、互变异构等，以及与溶剂的相互作用，都将导致偏离朗伯－比耳定律。

如果稀释溶液或增大溶液pH值，则平衡右移，Cr2O72-转变成CrO42-

，吸光组分发生变化，从而偏离朗伯－比耳定律。三、光度测量的误差2022/10/273、仪器误差

(1)仪器稳定性

(2)仪器精度

(3)杂散光的影响三、光度测量的误差2022/10/27四、测量条件的选择1.选择适当的入射光波长一般应该选择λmax为入射光波长，测定的灵敏度最高。但如果λmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。如下图中选λ3作为入射光波长较适宜。2022/10/272.控制适宜的吸光度（读数范围）（动画）测定时，应尽量使溶液透光度值在：

T=20%～65%(吸光度A=0.70～0.20)。3.选择合适的参比溶液参比溶液：又称空白溶液。在光度分析中，利用参比溶液调节仪器的吸光度零点，消除显色溶液中其它有色物质的干扰，抵消比色皿器壁及溶液对入射光的反射和器壁对光的吸收，使测得的吸光度能真正反映待测溶液吸光强度。四、测量条件的选择2022/10/27参比溶液的选择一般遵循以下原则：（1）若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；（2）若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。返回四、测量条件的选择2022/10/27第三节吸光光度分析的方法和仪器一、目视比色法二、光度分析法三、仪器四、分析方法2022/10/27一、目视比色法目视比色法：用眼睛比较溶液颜色的深浅来测定物质含量的方法。

常用标准系列法。使用一套由同种材料制成的，大小形状相同的平底玻璃管—比色管。管中分别放入一系列不同量的标准溶液和待测液。在实验条件相同的情况下，再加入等量的显色剂和其它试剂，稀释至一定刻度然后观察，比较待测液与标准溶液颜色的深浅，若待测液与某一标准溶液颜色深度一致，则两者浓度相等；若介于了两者之间，则取其浓度算术平均值。2022/10/27二、光度分析法光电比色法、吸光光度法统称为光度分析法。

光电比色法是使用光电比色计测定溶液吸光度以进行定量分析的方法；吸光光度法是使用吸光光度计测定溶液吸光度以进行定量分析的方法。2022/10/27二者测定原理相同，所不同的只是获得单色光的方法，前者采用滤光片，后者采用棱镜或光栅。光度分析法与目视比色法的区别在于：目视比色法比较的是试液透光率的大小；光度分析法比较的是试液对光吸收程度（吸光度）的大小。二、光度分析法2022/10/27三、仪器1、分光光度计的结构光电池＋检流计光源单色器吸收池检测系统721型可见分光光度计如图所示：（动画）2022/10/27三、仪器(1)光源可见光区：钨灯作光源，波长在320～2500nm紫外区：氢、氘灯作光源。波长在185～400nm的连续光谱。

光源必须发出检测光波长范围内的光，且强度稳定。随着钨丝温度不同，将发出不同波长的光，而钨丝灯的温度决定于电源电压，电压的微小变化会引起光强的很大波动，因此光源前需加稳压器。2022/10/27三、仪器(2)单色器单色器是将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。分光光度法使用棱镜或光栅作单色器a:棱镜原理：光通过入射狭缝，经透镜以一定角度射到棱镜上，在棱镜的两界面发生折射而色散。色散的光经过透镜被聚焦，在带有出射狭缝的表面上，移动棱镜或移动出射狭缝的位置，就可使所需波长的光通过狭缝射到试液上。2022/10/27入射狭缝准直透镜棱镜会聚透镜出射狭缝三、仪器2022/10/27三、仪器b:光栅光栅是利用光的衍射和干涉原理制成的色散元件，也是让所需波长的光经过狭缝照射到溶液中。要求铝片光洁度要很高，划痕非常多，可见光、紫外光区为15000～30000条，成本非常高。

划痕

铝片2022/10/27三、仪器(3)吸收池，又称比色皿，是用光学玻璃制成的无色透明的长方体容器，用来盛放待测溶液，比色皿有各种规格，如：0.5cm、1cm、2cm、3cm、5cm等（比色皿内壁之间的距离，即液层厚度）。若采用紫外区光度法须用石英制的吸收池。2022/10/27三、仪器(4)检测系统利用光电效应使光信号转变为电信号的装置，常用的有：光电池、光电管或光电信增管，另外采