第三章紫外-可见分光光度分析法

第三章紫外-可见分光光度法颜色的产生白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光

单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成)

可见光区：400-750nm

紫外光区：近紫外区200-400nm远紫外区10-200nm（真空紫外区）

有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。

在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:

红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000m，主要用于有机化合物结构鉴定。

紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。

可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm，主要用于有色物质的定量分析。紫外—可见光分光光度法是利用某些物质的分子吸收200-800nm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价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，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（1）电子相对于原子核的运动（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动（3）分子本身绕其重心的转动3.1基本原理3.1.1分子吸收光谱的形成分子三种不同能级：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分子内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即E＝Ee+Ev+ErΔΕe>ΔΕv>ΔΕr2、能级跃迁

紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。

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。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。（1）电子能级的能量差ΔEe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱；（2）分子振动能级的能量差（能级间隔）ΔEv约为：0.05～１eV，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；（3）转动能级间的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，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（4）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，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。（5）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（ΔΕe、ΔΕv、ΔΕr

）总和的辐射；（6）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。3．有机化合物的紫外—可见光谱

有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。

分子轨道理论：一个成键轨道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(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：

n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

⑴σ→σ＊跃迁

所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm⑵n→σ＊跃迁

所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。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λ分别为173nm、183nm和227nm。⑶π→π＊跃迁

所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区。孤立的π→π*跃迁一般在200nm左右，但具有共轭双键的化合物，随着共轭体系的延长，π→π＊跃迁的吸收带将明显向长波长方向移动，吸收强度也随之增强。如乙烯的λ为162nm。⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。一般发生在近紫外区，吸收强度弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊

跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nm.4.常用术语（1）生色团：

最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊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不饱和基团。这类含有π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，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—。（2）助色团：

有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。（3）红移与蓝移λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。（4）增色效应和减色效应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ε）增强，称增色效应；使吸收强度减弱，称为减色效应。有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:3.1.2光吸收基本定律一、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I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir则:I0＝Ia＋It＋Ir

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，上式可简化为:I0＝Ia＋It

透过光的强度It与入射光的强度Io之比称为透光度或透光率，用T表示。

T＝It/Io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。常用吸光度来表示物质对光的吸收程度，吸光度A与透光度T的关系:A＝lg1/T=－lgT=lgIo/It二、朗伯—比耳定律1、朗伯定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729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，其数学表达式为：A=k′lk′为比例系数，l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，但它不能阐明吸光度与溶液浓度的关系。例1.有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液,其强度减弱20%。若通过5cm厚度的相同溶液,其强度减弱百分之几?解：lgT1

l1

─────=───lgT25l1

lgT2=5lgT1=5×lg0.80=-0.485T2=32.7%,即减弱67.3%

2、比耳定律1852年比耳(Beer)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。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，即：A=k″c式中：c为溶液浓度，k″为比例系数。例2.一符合比尔定律的有色溶液，当浓度为c时，透射比为T，若其它条件不变，浓度为c/3时，T为_________，浓度为2c时，T为__________。

解:T1/3T2这说明浓度与透射比T

的是指数关系。

A＝lg（I0/It)=εbc

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：摩尔吸光系数，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：吸光系数，单位L·g－１·cm－１

a与ε的关系为：

a=ε/M（M为摩尔质量）3、朗伯—比耳定律透光度(透光率)T透过度T:描述入射光透过溶液的程度:

T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lgT

朗伯—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；

摩尔吸光系数ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。4、摩尔吸光系数ε的特征

（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和光程长度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）同一吸收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，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。

（4）可作为定性鉴定的参数；（5）εmax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<2×104

：不灵敏。（6）ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。三、偏离朗伯—比耳定律的原因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。引起这种偏离的因素（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，与样品溶液有关。（1）物理性因素——难以获得真正的纯单色光

朗—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。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。

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。(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；假定只有在稀溶液(c<10-2mol/L)时才基本符合。①朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。②试液中各组分之间的相互作用。③试剂对吸收光谱的影响。④试样为胶体、乳状液或有悬浮物质时的影响。

6.2紫外-可见分光光度计可见分光光度计紫外-可见分光光度计一、基本组成光源单色器样品室检测器显示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。

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波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；

④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。光栅和棱镜分光原理3.样品室

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。4.检测器

利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。5.结果显示记录系统数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。二、分光光度计的类型1.单光束经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描。2.双光束双光束分光光度计经单色器分光后经反射镜分解为相等的两束光，一束通过参比池，另一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。3.双波长双波长分光光度计是由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值。对于多组分混合物、浑浊试样分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。6.3显色与测量条件的选择

一、显色反应的选择1.显色反应在无机分析中，很少利用金属离子本身的颜色进行光度分析，因为它们的吸光系数值都比较小。一般都要选用适当的试剂，与待测离子反应生成对紫外或可见光有较大吸收的物质再进行测定。这种反应称为显色反应，所用的试剂称为显色剂。

①反应的生成物必须在紫外，可见光区有较强的吸光能力，即摩尔吸光系数较大，反应有较高的选择性；②反应生成物应当组成恒定、稳定性好，显色条件易于控制等，这样才能保证测量结果有良好的重现性；③显色剂在测定波长处无明显吸收，显色剂与有色配合物的最大吸收波长之差（对比度），要求△>60nm。2.选择显色反应时，应考虑的因素某些元素的氧化态，如Mn（Ⅶ）、Cr（Ⅵ）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显色后测定。

例如：钢中微量锰的测定，Mn2＋不能直接进行光度测定

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4＋+10SO42-＋16H+将Mn2＋

氧化成紫红色的MnO4＋后，在525nm处进行测定3.氧化还原显色反应4.显色剂

无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。

有机显色剂：种类繁多偶氮类显色剂：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、选择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂Ⅲ、PAR三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等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.显色时间与温度