第十二章 紫外-可见分光光度法

第十二章紫外—可见分光光度法

§1基本原理§2光度法的误差§3显色反应及显色条件的选择§4紫外可见分光光度计§5定性与定量分析方法§6紫外可见吸收光谱与分子结构的关系2/5/2023§1基本原理

利用被测物质的分子对紫外-可见光具有选择性吸收的特性而建立的分析方法。一、紫外－可见吸光光度法的特点（1）具有较高的灵敏度。（2）有一定的准确度，该方法相对误差为2%-5%，可满足对微量组分测定的要求。（3）操作简便、快速、选择性好、仪器设备简单。（4）应用广泛2/5/2023单色光：只具有一种波长的光。混合光：由两种以上波长组成的光，如白光。二、物质对光的选择性吸收白光青蓝青绿黄橙红紫蓝1、光的互补性与物质的颜色2/5/2023

物质的颜色是由于物质对不同波长的光具有选择性的吸收作用而产生的，物质的颜色由透过光的波长决定。例：硫酸铜溶液吸收白光中的黄色光而呈蓝色；高锰酸钾溶液因吸白光中的绿色光而呈紫色。

如果两种适当颜色的光按一定的强度比例混合可以得白光，这两种光就叫互为补色光。物质呈现的颜色和吸收的光颜色之间是互补关系。2/5/2023不同颜色的可见光波长及其互补光白光青蓝青绿黄橙红紫蓝2/5/20232、吸收光谱或吸收曲线

吸收曲线：测定某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。KMnO4的吸收曲线最大吸收波长，max定量分析的基础：某一波长下测得的吸光度与物质浓度关系的有关2/5/20232/5/2023300400500600350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光谱350光谱定性分析基础：吸收曲线的形状和最大吸收波长2/5/2023光的吸收定律—朗伯－比尔定律I0：入射光强度I：透过光强度c：溶液的浓度b：液层宽度T－透光率（透射比）A－吸光度2/5/2023

κ与入射光波长、溶液的性质及温度有关。当这些条件一定时，κ代表单位浓度的有色溶液放在单位宽度的比色皿中的吸光度。

c的单位为g·L-1，b的单位为cm时，κ以a表示，称为吸光系数，其单位为L·g-1·cm-1，A=abc。

c的单位为mol·L-1，b的单位为cm，κ用ε表示。称为摩尔吸光系数，其单位为L·mol-1·cm-1，A=εbc。2/5/2023摩尔吸光系数ε的讨论（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数（2）不随浓度c和液层厚度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）同一吸光物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示

εmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力。2/5/2023例1浓度为25.0μg/50mL的Cu2+溶液，用双环已酮草酰二腙分光光度法测定，于波长600nm处，用2.0cm比色皿测得T=50.1%，求吸光系数a和摩尔吸光系数ε。已知M(Cu)=64.0。解已知T=0.501，则A=－lgT=0.300，b=2.0cm,则根据朗伯—比尔定律A=abc，而ε=Ma=64.0g·mol-1×3.00×102L·g-1·cm-1=1.92×104(L·mol-1·cm-1)2/5/2023解:由A=-lgT=abc可得

T=10-abc

当b1=1cm时，T1=10-ac=T

当b2=2cm时，T2=10-2ac=T2例2某有色溶液，当用1cm比色皿时，其透光度为T，若改用2cm比色皿，则透光度应为多少？2/5/2023定量分析时，通常液层厚度是相同的，按照比尔定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过直角坐标原点的直线。但在实际工作中，往往会偏离线性而发生弯曲。§2

光度法的误差

01234mg/mLA。。。。*0.80.60.40.20工作曲线2/5/2023一、物理因素(1)比尔定律的局限性比耳定律假设了吸收粒子之间是无相互作用的，因此仅在稀溶液（c<10-2mol/L)的情况下才适用。(2)非单色光引起的偏离

朗伯一比尔定律只对一定波长的单色光才能成立，但在实际工作中，入射光是具有一定波长范围的。2/5/2023二、化学因素溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化也会引起偏离。例：测定时，在大部分波长处，Cr2O72-的k值与CrO42-的k值是很不相同的。A与c不成线性关系。例：显色剂KSCN与Fe3+形成红色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：

Fe(SCN)3Fe3++3SCN－溶液稀释时一倍时，上述平衡向右，离解度增大。所以Fe(SCN)3的浓度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，导致偏离朗伯—比尔定律。2/5/2023测量的误差和测量条件的选择误差来源：入射光源不稳定吸收池玻璃的厚度不均匀池壁不平行，表面有水迹，油污或划痕光电池不灵敏，光电流测量不准确误差影响：透光度读数误差一、仪器测量误差2/5/2023二、测量条件的选择1、入射光波长的选择

测量的入射光波长：最大吸收波长λmax。若干扰物在λmax处也有吸收，在干扰最小的条件下选择吸光度最大的波长。2、吸光度范围的选择两式相除：2/5/2023不同透光率时测定浓度的相对误差ΔcB/cB(ΔT=0.01)测定相对误差与透光率的关系在T=36.8%(A=0.434)时，浓度测定的相对误差最小。在实际测定时，常将吸光度控制在0.2~0.7(T=20%~65%)之间。2/5/20233、参比溶液的选择I0参比样品未考虑吸收池和溶剂对光子的作用原则:使试液的吸光度能真正反映待测物的浓度。利用空白试验来消除因溶剂或器皿对入射光反射和吸收带来的误差。2/5/2023（1）如果仅待测物与显色剂的反应产物有吸收，可用纯溶剂（或蒸馏水）作参比溶液（2）如果显色剂或其他试剂略有吸收，应用空白溶液（包括显色剂或其它试剂不加待测试样溶液）作为参比溶液。（3）如试样中其它组分有吸收，但不与显色剂反应，则当显色剂无吸收时，可用试样溶液作为参比溶液；当显色剂略有吸收时，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，以此溶液作参比溶液。2/5/2023

显色剂§3

显色反应及其影响因素显色反应：将被测组分转变成有色化合物的化学反应。显色剂：能与被测组分反应使之生成有色化合物的试剂。2/5/2023

选择性好所用的显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色，或其它组分干扰少。灵敏度足够高有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般应有104~105数量级。

有色配合物的组成要恒定显色剂与被测物质的反应要定量进行。

生成的有色配合物稳定性好

色差大有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。一、对显色反应的要求2/5/2023二、影响显色反应的因素1、显色剂的用量M+RMR2/5/2023

2、溶液的酸度（2）对显色剂的平衡浓度和颜色的影响（3）对有色化合物组成的影响不同的显色反应的适宜pH是通过实验确定的。（1）对被测组分存在状态的影响2/5/2023pH与吸光度的关系曲线2/5/20233、显色温度：要求标准溶液和被测溶液在测定过程中温度一致。4、显色时间：通过实验确定合适的显色时间，并在一定的时间范围内进行比色测定。5、溶剂：有机溶剂降低有色化合物的解离度，提高显色反应的灵敏度。6、共存离子的影响

2/5/2023§4紫外—可见分光光度计光源单色器吸收池检测器和信号显示系统2/5/2023作用：从连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光束常用的元件：棱镜、光栅二、单色器2/5/2023作用：提供能量，激发被测物质分子，使之产生电子谱带要求：发射足够强的连续光谱，有良好的稳定性及足够的适用寿命类型：可见与近红外区：钨灯400~1100nm紫外区：氢灯或氘灯180~400nm一、光源2/5/2023功能：用于盛放试样，完成样品中待测试样对光的吸收常用的吸收池：石英（紫外区）玻璃（可见区）吸收池光程：1cm、2cm、3cm等注意：为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。吸收池要挑选配对，因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。三、吸收池2/5/2023作用：接受、记录信号组成：检测器、放大器和读数和记录系统常用检测器：光电管和光电倍增管蓝敏（锑铯）光电管210~625nm红敏（氧化铯）光电管625~1000nm四、检测系统2/5/2023单光束分光光度计双光束分光光度计双波长分光光度计（相互重叠多组分分析）五、仪器类型2/5/2023单光束分光光度计优点：结构简单，价格便宜缺点：受光源影响波动大可见:721360~800nm，电表读数722330~800nm，数字显示7230330~900nm，带微处理器，配打印机紫外、可见：752200~800nm754200~800nm，带微处理器，配打印机UV758190~900nm，扫描功能紫外、可见及近红外751G200~1000nmUV755B200~100nm，带微处理器，配打印机2/5/2023一、定性分析1.制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照；2.利用Woodward-Fieser和Scott经验规则求最大吸收波长。即，当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可通过此类规则估算最大吸收波长并与实测值对比。Woodward-Fieser规则§5

定性与定量分析方法2/5/2023Woodward-Fieser规则估算最大吸收波长的几个实例：四2/5/2023二、定量分析1.单组份定量方法1）标准曲线法（略）2）标准对比法：该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。2/5/20232.多组分定量方法由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。设试样中有两组份X和Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：

图a)：X,Y组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。图b)和c)：X,Y相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度：其中，X,Y组份在波长1和2处的摩尔吸光系数可由已知浓度的X,Y纯溶液测得。解上述方程组可求得cx及cy。2/5/20233.双波长法---等吸收点法当混合物的吸收曲线重迭时，如右下图所示，可利用双波长法来测定。具体做法：将a视为干扰组份，现要测定b组份。a)

分别绘制各自的吸收曲线；b)

画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点，并与b组分相交；c)

以交于a上一点所对应的波长1

为参比波长，另一点对应的为测量波长2，并对混合液进行测量，得到：A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若两波长处的背景吸收相同，即A1s=A2s二式相减，得，A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a组份在两波长处的吸光度相等，因此，A=(A2b-A1b)=(2b-1b)lcb从中可求出cb同理，可求出ca.2/5/2023例：用光程为1cm的吸收池，在两个测定波长处测定含有K2Cr2O7和KMnO4两种物质溶液的吸光度。混合物在450nm处的吸光度为0.38，在530nm处的吸光度为0.71，求混合物的组成。已知1.010-3mol/L的K2Cr2O7在450nm处吸光度为0.20，而在530nm处为0.05；1.010-4mol/L的KMnO4在450nm处无吸收，在530nm处吸光度为0.42。2/5/2023KMnO4K2Cr2O7450nm530nm530nm2/5/2023有机化合物的紫外吸收光谱饱和碳氢化合物：→*，短，远紫外区§6紫外—可见吸收光谱与分子结构的关系2/5/2023不饱和脂肪族化合物孤立双键：CH2=CH2(max=193nm)共轭双键：CH2=CH—CH=CH2(max=220nm,>104)E>E最低占有轨道最高空轨道→跃迁几率↑→↑C=C共轭C=C(→*);E↓→↑2/5/2023含孤立助色团和生色团的饱和有机化合物孤立助色团：n→*跃迁，长孤立生色团：n→*(275~295nm),n→*

(~190nm),

→*(150~180nm)

α、β-不饱和醛、酮、酸和酯共轭C=C：K带(max=200~260nm，>104)C=O：R带(max=310~350nm，<100)共轭→K带、R带都长移酸、酯的K带比醛、酮长移得多酸、酯的R带比醛、酮长移得少2/5/2023芳香族化合物苯和取代苯苯取代→吸收带长移，B带精细结构消失单取代苯助色团取代：n→*共轭，E带、B带↑→↑生色团取代：E带和K带合并↑，↑

B带↑，有时被K带掩盖

C=O→R带→极性溶剂↓2/5/2023不同溶剂对苯酚吸收光谱的影响环己烷己醇NaOH(0.1mol/L)2/5/2023双取代苯各种取代基长移效应强弱次序：邻、对位定位基：N(CH3)2>NHCOCH3>O->NH2>OCH3>OH>Br>Cl>CH3间位定位基：NO2>CHO>COCH3>COOH>COO-,CN->SO2NH2>NH3+

对位二取代~200nm381nm，=181nm>>52+30=82nm265nm，只比硝基苯(252nm)长13nm邻、对位基间位基252nm,=52nm230nm,=30nm2/5/2023邻、间位二取代

317.5nm273.5nm278.5nm芳杂环类（五元或六元）：饱和：<200nm不饱和：n→*

、→*2/5/2023推断官能团（可能性）有机化合物分子结构研究220~800nm无吸收峰：脂肪族饱和化合物或仅含一个双键的烯烃

270~350nm弱吸收：羰基250~300nm中等强度吸收，重心~256nm：苯环210~250nm强吸收：含有两个双键的共轭系统260~350nm强吸收：3~5个共轭系统化合物有色：共轭生色团≥5吸收峰延伸至可见光区：长链共轭或稠环化合物2/5/2