第九章-分光光度法

第九章分光光度法《分析化学》第九章分光光度法什么是分光光度法？

基于物质分子对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。包括比色法、可见分光光度法、紫外分光光度法。使用中用到分光光度计，因此是一种仪器分析方法化学分析：常量组分(>1%),Er0.1%～0.2%

依据化学反应,使用玻璃仪器

化学分析法与仪器分析方法有什么不同？仪器分析：微量组分(<1%),Er1%～5%

依据物理或物理化学性质,需要特殊的仪器例:含Fe约0.05%的样品,称0.2g,则m(Fe)≈0.1mg重量法

m(Fe2O3)≈0.14mg,称不准容量法

V(K2Cr2O7)≈0.02mL,测不准光度法结果0.048%～0.052%,满足要求准确度高灵敏度高《分析化学》第九章分光光度法1.光的基本性质电磁波的波粒二象性

c－真空中光速2.99792458×108m/s ~3.0×108m/sλ－波长，单位：m,cm,mm,m,nm,Å

1m=10-6m,1nm=10-9m,1Å=10-10mν－频率，单位：赫兹（周）Hz次/秒

n－折射率，真空中为1光的传播速度:波动性《分析化学》第九章分光光度法微粒性

h－普朗克(Planck)常数6.626×10-34J·s

－频率

E－光量子具有的能量单位：J(焦耳)，eV(电子伏特)光量子，具有能量。《分析化学》第九章分光光度法波粒二象性结论:一定波长的光具有一定的能量，波长越长(频率越低)，光量子的能量越低。单色光：具有相同能量(相同波长)的光。混合光：具有不同能量(不同波长)的光复合在一起。真空中:《分析化学》第九章分光光度法当白光通过某一有色溶液时，该溶液会选择性地吸收某些波长(wavelength)的光而让未被吸收的光透射过，即溶液呈现透射光的颜色，亦即呈现的是它吸收光的互补光的颜色。9.1.1物质对光的选择性吸收《分析化学》第九章分光光度法§9.1吸光光度法基本原理光的互补：蓝黄/nm颜色互补光400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿不同颜色的可见光波长及其互补光《分析化学》第九章分光光度法M+热M+荧光或磷光M+

h

M

*基态激发态E1

（△E）E2

E=E2-

E1=h

能级结构的量子化:物质只能吸收某些特定波长的光;

分子或原子间能级结构个性化:不同物质吸收不同波长的光《分析化学》第九章分光光度法当一束光照射到物质或其溶液上时:M可以是分子,原子,或离子电子能级的越迁电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。《分析化学》第九章分光光度法注意体会:紫外可见吸收光谱,红外光谱,原子吸收等吸收光谱的来源吸收光谱or吸收曲线分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同，用不同波长的单色光照射，测吸光度A，画图。Aλ《分析化学》第九章分光光度法吸收曲线与最大吸收波长在最大吸收波长处测定吸光度，则灵敏度最高。不同物质吸收光谱的形状以及max不同——定性分析的基础。同一物质，浓度不同时，吸收光谱的形状相同，Amax

不同——定量分析的基础。《分析化学》第九章分光光度法400500600700/nm300525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350440nmCr2O72-、MnO4-的吸收光谱

(AbsorptionspectraofCr2O72-、MnO4-)《分析化学》第九章分光光度法9.1.2光的吸收基本定律

─朗伯-比耳（Lambert-Beer）定律A=lg(I0/It)=εbc朗伯定律(1760)A=lg(I0/It)=k1b比尔定律(1852)A=lg(I0/It)=k2c吸光度介质厚度(cm)《分析化学》第九章分光光度法注意量纲式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-１；

ε

：摩尔吸收系数，单位L·mol-１·cm-１；或:A=lg(I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L-１

a：吸收系数，单位L·g-１·cm-１

a与ε的关系为：

a=ε

/M（M为摩尔质量）

朗伯—比耳定律数学表达式《分析化学》第九章分光光度法（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）与浓度无关。（3）ε与吸收物质本身的性质有关，与波长有关,与温度有关；（4）在最大吸收波长λmax处的摩尔吸收系数ε

max:

表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度:

摩尔吸收系数ε的讨论《分析化学》第九章分光光度法

ε

max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。

ε

>105：超高灵敏；

ε

=(6～10）×104：高灵敏；

ε

=104～103：中等灵敏；

ε

<103：不灵敏。（6）可作为定性鉴定的参数。摩尔吸收系数ε的讨论《分析化学》第九章分光光度法透射比T:描述入射光透过溶液的程度

T=I

/I0吸光度A与透射比T的关系:透射比T及吸光度的加和性吸光度具有加和性(即同一入射波长下,多个物质有吸收时,总吸光度为各个物质吸光度之和)。《分析化学》第九章分光光度法9.1.3偏离郎伯-比耳定律的原因1.现象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），这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。2.引起偏离的因素（两大类）

（1）物理性因素，即仪器的非理想引起的；

（2）化学性因素。《分析化学》第九章分光光度法物理性因素：难以获得真正的纯单色光。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—比耳定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。

《分析化学》第九章分光光度法非单色光作为入射光引起的偏离：假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：

A1＝lg（Ｉ01/Ｉt1）＝ε

1

bc

A2＝lg(Ｉ02/Ｉt2）＝ε

2bc故：式中：Ｉ01、Ｉ02分别为λ1、λ2的入射光强度；

Ｉt1

、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；

ε

1、ε

2分别为λ1、λ2的摩尔吸收系数；《分析化学》第九章分光光度法

A总=lg（Ｉ0总/Ｉt总)=lg(I01

+Ｉ02)/(Ｉt1

+Ｉt2

）

=lg(I01

+Ｉo2)/(Ｉ01

10-ε

1bc

+Ｉ02

10-ε

2bc

）令：ε

1-ε

2=ε

；设：Ｉ01

=Ｉ02

A总=lg(2I01)/Ｉt1(1+10-ε

bc

）

=

A1+lg2-lg(1+10-ε

bc

)

因实际上只能测总吸光度A总，故《分析化学》第九章分光光度法讨论：

A总=A1+lg2-lg(1＋10－ε

bc

)

(1)ε

=0；即：ε

1=ε

2=ε

则：

A总

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝ε

bc(2)ε

≠0

若ε

<0；即ε

2>ε

1；－ε

bc>0,

lg(1＋10ε

bc)值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。《分析化学》第九章分光光度法讨论：

(3)｜ε

｜很小时，即ε

1≈ε

2：

可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使｜ε

｜很小，A总≠Ａ1，且随着c值增大，

A总与A1的差异愈大，表现为A-c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。(4)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。《分析化学》第九章分光光度法讨论：

选用谱带a的复合光进行测量，得到右图的工作曲线，A与c基本呈直线关系。选用谱带b的复合光进行测量，ε的变化较大，则A随波长的变化较明显，得到的工作曲线明显偏离线性。《分析化学》第九章分光光度法(2)化学性因素朗伯—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；仅在稀溶液(c<10-2mol·L-1)时才基本符合。当溶液浓度c>10-2

mol·L-1时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。

故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。

溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时,使吸光质点的浓度发生变化,注意保持测定条件的一致。

例：CrO42-+2H+

=Cr2O72-+H2O《分析化学》第九章分光光度法§9.2光度计及其基本部件1.分光光度计《分析化学》第九章分光光度法9.2.1

基本组成光源单色器样品室检测器显示《分析化学》第九章分光光度法9.2.2分光光度计的主要部件

1.光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。

可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。《分析化学》第九章分光光度法2.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意波长单色光的光学系统。入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光红紫λ1λ2800600500400棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同《分析化学》第九章分光光度法光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。M1M2出射狭缝光屏透镜平面透射光栅光栅衍射示意图原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光.《分析化学》第九章分光光度法3.样品池样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。《分析化学》第九章分光光度法4.检测系统将光强度转换成电流来进行测量。光电检测器。要求：对测定波长范围内的光有快速、灵敏的响应，产生的光电流应与照射于检测器上的光强度成正比。(1)光电管碱金属光敏阴极Ni环（片）h《分析化学》第九章分光光度法(2)光电二极管阵列电容器再次充电的电量与每个二极管检测到的光子数目成正比，而光子数又与光强成正比。通过测量整个波长范围内光强的变化就可得到吸收光谱。电容器充电电容器放电光照射再次充电测量周期《分析化学》第九章分光光度法§9.3显色反应与条件的选择为什么要进行显色反应？光度分析中，对于本身无吸收的待测组分，先要通过显色反应将待测组分转变成有色化合物，然后测定吸光度或吸收曲线。与待测组分形成有色化合物的试剂称为显色剂。

Fe2++3橘红色《分析化学》第九章分光光度法9.3.1

显色反应的选择1.灵敏度高2.选择性高3.生成物稳定4.显色剂在测定波长处无明显吸收(两种有色物最大吸收波长之差,即“对比度”，要求△>60nm)。《分析化学》第九章分光光度法9.3.2

显色反应条件的选择1.显色剂用量

吸光度A与显色剂用量cR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。2.反应体系的酸度

在相同实验条件下，分别测定不同pH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的平坦区所对应的pH范围。3.显色时间与温度

实验确定4.溶剂《分析化学》第九章分光光度法9.3.3

显色剂无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵等。有机显色剂：种类繁多偶氮类显色剂：性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大，应用最广泛。偶氮胂III、PAR等。三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等《分析化学》第九章分光光度法9.3.4

三元配合物在光度分析中的应用特性简介

由一种金属离子同时与两种不同的配位体形成的三元配合物具有下列分析特性：1.稳定，可提高分析测定的准确度和重现性

例:Ti-EDTA-H2O2三元配合物的稳定性，比Ti-EDTA和Ti-H2O2二元配合物的稳定性，分别增强约1000倍和100倍。2.比二元配合物具有更高的灵敏度和更大的对比度

灵敏度通常可提高1~2倍，有时甚至提高5倍以上。3.比二元体系具有更高的选择性

减少了金属离子形成类似配合物的可能性。《分析化学》第九章分光光度法§9.4吸光度测量条件的选择9.4.1选择适当的入射波长一般应该选择λmax为入射光波长如果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。

例:如图,该如何选工作波长?《分析化学》第九章分光光度法9.4.2参比溶液的选择

为什么需要使用参比溶液？

以通过参比池的光强度I参比代替入射光强度I0的,以消除比色皿器壁对光的反射,非待测物质对光的吸收等。相当于在待测溶液的吸光度中减去非待测溶液引起的吸光度值

选择参比溶液所遵循的一般原则：谁干扰以谁为参比⑴若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；《分析化学》第九章分光光度法⑵若显色剂或其他所加试剂在测定波长处略有吸收,而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液；⑶若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液；⑷若显色剂、试液中其他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。《分析化学》第九章分光光度法9.4.3吸光度读数范围的选择不同的透射比读数，产生的误差大小不同：A=－lgT=ε

bc(1)微分：(2)(2)式除以(1)式得：Δc/c不仅与仪器的透射比读数误差ΔT有关，而且与其透射比读数T的值也有关。是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？《分析化学》第九章分光光度法最佳读数范围与最佳值:当：ΔT=0.5%，Δc/c~T关系曲线最佳读数范围:T在70%～10%,A在0.1~1.0之间时,浓度相对误差约小于2%浓度相对误差最小时的透射比Tmin为：

Tmin＝36.8%,Amin＝0.434如何保证使吸光度读数处在适宜范围:

通过改变吸收池厚度待测液浓度《分析化学》第九章分光光度法§9.5吸光光度法的应用9.5.1普通分光光度法1.单组分的测定

A-c

标准曲线法定量测定。2.多组分的同时测定

⑴各组分的吸收曲线不重叠

⑵各组分的吸收曲线互有重叠根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。

Aλ1=ε

aλ1bca＋ε

bλ1bcb

Aλ2=ε

aλ2bca＋ε

bλ2bcb

《分析化学》第九章分光光度法9.5.2高含量组分的测定──示差法设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs<cx)。则：

Ax=ε

b

cx

As=ε

bcs

Ar=ΔＡ=Ａx－Ａs=ε

b(cx－cs）=ε

bΔc绘制Ar~Δc工作曲线，再根据cx=cs+Δc计算试样浓度。实际中,是以标准溶液cs为参比,则测得的Ax实际为ΔＡ《分析化学》第九章分光光度法示差法为什么能较准确地测定高浓度组分呢？普通光度法:

cs:Ts=10%，cx:Tx=5%，示差法:

cs:Ts=100%，cx:Tr=50%，

透射比读数标尺扩大了十倍。读数落入适宜读数范围内，提高了测量的准确度。《分析化学》第九章分光光度法9.5.3光度滴定

光度测量用来确定滴定终点。灵敏，并可克服目视滴定法中的干扰。终点由直线外推法得到，可用于平衡常数较小的滴定反应。《分析化学》第九章分光光度法9.5.4酸碱离解常数的测定用于测定对光有吸收的弱酸（碱）的离解常数。

HL=H++L-

(1)配制一系列总浓度(c)相等，而pH不同的HL溶液(2)测定各溶液的pH值。(3)在酸式(HL)或碱式(L-)最大吸收波长处，测吸光度。《分析化学》第九章分光光度法根据分布系数的概念(4)假设高酸度时，弱酸全部以酸式形式存在，则:

AHL=ε

HLc(5)在低酸度时，弱酸全部以碱式形式存在，则:

AL=ε

Lc《分析化学》第九章分光光度法光度法测定一元弱酸离解常数的基本公式。《分析化学》第九章分光光度法实验过程:每改变一个pH,测定一个吸光度A;思考:AL和AHL如何得到?9.5.5配合物组成及稳定常数的测定摩尔比法

M+nL=MLn(1)测定金属离子浓度cM固定，而配位体浓度cL逐渐改变的不同溶液的吸光度。作图(2)当cL/cM＜n时，配位不完全当cL/cM＞n时，配位完全《分析化学》第九章分光光度法思考:吸光光度法测定配合物组成的条件是什么?9.5.6双波长分光光度法两束光交替照射：试液本身作参比液。主要应用：(1)多组分混合物的测定(2)混浊样品的测定(3)反应动力学过程研究《分析化学》第九章分光光度法§9.6紫外吸收光谱法简介9.6.1有机化合物电子跃迁的类型

有机化合物三种价电子：σ、π、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道→反键轨道。外层电子均处于分子轨道的基态(成键或非键轨道)。外层电子吸收紫外或可见辐射后，从基态向激发态(反键轨道)跃迁。四种跃迁:

n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊《分析化学》第九章分光光度法1.σ→σ＊跃迁

所需能量最大。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(λmax<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。2.n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，远紫外区。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λmax分别为173nm、183nm和227nm。《分析化学》第九章分光光度法3.

π→π＊跃迁所需能量较小，近紫外区，ε

max>104L·mol-1·cm-1以上，强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳类均可发生该类跃迁。乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，ε

max为:1×104L·mol-1·cm-1共轭烯炔中的跃迁的吸收峰称K吸收带。苯环上的跃迁产生三个谱带：E1带（λmax~180nm，ε

max＞104），E2带（λmax~200nm，ε

max~104）和B带（λmax~278nm，ε

max=10~103）。用于芳香化合物的鉴别。《分析化学》第九章分光光度法4.n→π＊跃迁需能量最低，吸收波长λmax>200nm。属禁阻跃迁。摩尔吸收系数：10～100L·mol-1·