分析化学分光光度法

仪器分析1第一页，共93页。绪论

什么是仪器分析仪器分析与化学分析的关系仪器分析的分类仪器分析的特点2第二页，共93页。1什么是仪器分析

仪器分析是以物质的物理和物理化学性质为根底建立起来的一类分析方法，测定时，常常需要使用比较复杂的仪器。3第三页，共93页。2仪器分析与化学分析的关系①联系：仪器分析是在化学分析的根底上开展起来的。②区别：化学分析—以化学反响为根底，通过人的感觉来实现的。仪器分析—将化学反响的信息转变为物理信号，然后检测该信号，从而确定其含量。4第四页，共93页。3仪器分析的分类

光谱分析法：建立在物质对光的选择性吸收根底上的方法。电化学分析法：建立在研究物质及其溶液所组成电池的电化学性质根底上的方法。色谱分析法：利用物质在两相中分配情况的差异建立起来的方法。5第五页，共93页。原子光谱分子光谱原子吸收光谱(AAS)原子发射光谱(AES)原子荧光光谱(AFS)可见分光光度法400-800nm紫外分光光度法(UV)200-400nm红外分光光度法(IR)>800nm光谱分析法6第六页，共93页。电化学分析法电位分析法库仑分析法伏安法电位滴定法7第七页，共93页。色谱分析法气相色谱法液相色谱法8第八页，共93页。4仪器分析的特点化学分析仪器分析灵敏度准确度速度自动化程度本钱常量分析〔〕微量分析〔〕误差≤0.1%误差∈〔1％，10％〕几天几分钟小高小大9第九页，共93页。第一章吸光光度法1-1概述10第十页，共93页。许多物质是有颜色的——例如高锰酸钾在水溶液中呈深紫色，Cu2+在水溶液中呈蓝色。这些有色溶液颜色的深浅与这些物质的浓度有关。浓度愈大，颜色愈深。因此，可以用比较颜色的深浅来测定物质的浓度，这种测定分析方法称为比色析分法。C11第十一页，共93页。一、吸光光度法1、定义：基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。它包括比色法，可见分光光度法，紫外分光光度法及红外分光光度法。12第十二页，共93页。2、特点：〔1〕灵敏度高：常用于测量1%~1‰的微量组分，还可测定10－4~10－6的痕量组分。〔2〕准确度高：比色分析，相对误差5~10%，分光光度法，2~5%，1~2%；〔3〕应用广泛：可测定几乎所有无机物和许多有机物；〔4〕操作简便，仪器设备易普及。13第十三页，共93页。二、物质对光的选择性吸收1几个概念①复合光：不同波长的单色光按照一定比例混合而成的光。14第十四页，共93页。②单色光：只有一种波长的光。③互补光：适当波长的光按照一定比例混合形成白光，这几种单色光就叫互补光，对应的颜色叫互补色。15第十五页，共93页。16第十六页，共93页。2物质对光吸收的本质当一束光照射到某物质时，组成该物质的分子、原子或离子与光子发生碰撞，光子的能量就转移到分子、原子上，使这些粒子由最低能态〔基态〕跃迁到激发态：M+hv→M*17第十七页，共93页。——分子、原子或离子具有不联系的量子化能级，仅当照射光光子的能级与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相等时才会发生吸收。——不同的物质粒子由于结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差值也不相同。因此，物质对光的吸收具有选择性。18第十八页，共93页。3物质的颜色：

19第十九页，共93页。4吸收曲线：测量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，得到的一条吸收光谱曲线。结论：①任何有色溶液都有自身的最大吸收波长；②比照3组曲线，不同浓度的溶液它的最大吸收波长一样；③λmax附近，最大，最小。所以选λmax为入射光波长。4005006000.3000.2000.100nmⅠⅡⅢ1,10-邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线20第二十页，共93页。1-2光的吸收定律一、朗伯-比尔定律1、朗伯定律〔Lambert’sLaw〕：1760Lambert通过实验发现电磁被物质吸收时，透过能量呈指数减少。假定一辐射能通过光路后被吸收25%，再通过下一个光路时被吸收0.75×25%，剩56.25%,依次类推，在无限大的光路中将吸收全部辐射能写成指数形式T=I/I0=10-kbT称为透光率lgT=lgI/I0=-kb21第二十一页，共93页。

2、比尔定律(Beer’sLaw):1852BeerandBermard发现类似定律，T和吸光物质的浓度有关：T=I/I0=10-k’clgT=lgI/I0=-k’c3、朗伯－比尔定律：合并上述两个定律为朗伯-比尔定律T=I/I0=10–abca是k和k’合并常数lgT=lgI/I0=-abcA=-lgT=lg1/T=lgI0/I=abc,a是吸收系数；A是吸光度，大小取决于波长和吸光物质的性质如果c以摩尔浓度表示，那么A=κbc，κ单位L·mol-1·cm-1，表示物质的量浓度为1mol·L-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。22第二十二页，共93页。4朗伯－比尔定律的物理意义：——物理意义：当一束单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。前题条件入射光是单色光；

吸收发生在均匀介质中；

吸收过程中，吸光物质不发生相互作用。

23第二十三页，共93页。①k是吸光物质在特定波长和溶剂的情况下的一个特征常数。数值上等于１mol/L吸光物质在１cm光程中的吸光度，是吸光物质吸光能力的量度。可作为定性鉴定的参数，也可以用来估量定量方法的灵敏度(k越大，灵敏度越高；k:103-105)。②实验测出的k是用总浓度代替吸光物质的浓度计算得出，因此称为表观摩尔吸光系数。③k与a的关系

k=M·a(L·mol-1·cm-1)(g·mol-1)(L·g-1·cm-1)5κ的含义〔也可用ε表示〕24第二十四页，共93页。6.A和T的关系:透光率T=I/I0

A=-lgT=lg1/T=lgI0/I=abc百分透光率T%=I/I0×100%AT%对于多组分体系，假设吸光物质间无相互作用，那么：A总＝A1+A2+…An25第二十五页，共93页。7例题铁〔Ⅱ〕浓度为5.0×10-4g·L-1的溶液，与1,10-邻二氮杂菲反响，生成橙红色络合物。该络合物在波长508nm，比色皿厚度为2cm时，测得A=0.19。计算1，10-邻二氮杂菲亚铁的a及κ。需要知两个公式A=abc以及κ=Ma解：先求a，再求κMa=A/bc=0.19/2×5.0×10-4=190L·g-1·cm-1κ=Ma=55.85×190=1.1×104L·mol-1·cm-126第二十六页，共93页。27第二十七页，共93页。28第二十八页，共93页。二偏离比尔定律的原因1、非单色光引起的偏离假设入射光由λ1和λ2组成对于λ1，对于λ2复合光入射强度为〔I0’+I0’’〕透射光强度为〔I1+I2〕29第二十九页，共93页。图9-8复合光比照尔定律的影响30第三十页，共93页。2、化学因素引起的偏离：①溶液浓度过大〔>0.01mol·L-1〕；②介质不均匀；③吸光组分的解离、缔合、形成化合物或互变异构；Cr2O72-+H2O2H++2CrO42-〔橙色〕〔黄色〕31第三十一页，共93页。练习题1、人眼能感觉到的光称为可见光，其波长范围是A。400-800nmB。200-320nmC。200-800nmD。200-1000nm答案：A2、符合比尔定律的一有色溶液，当其浓度增大时，最大吸收波长和吸光度分别是A。不变，增加B。不变，减少C。增加，不变D。减少，不变答案：A32第三十二页，共93页。3、以下表述不正确的选项是A。吸收光谱曲线，说明了吸光度随波长的变化关系B。吸收光谱曲线中,最大吸收处的波长为最大吸收波长C。吸收光谱曲线，以波长为纵坐标,以吸光度为横坐标D。吸收光谱曲线，说明了吸光物质的吸收特性答案：C4、影响有色物质摩尔吸收系数的因素是A。吸收池厚度B。入射光波长C。有色物质溶液的浓度D。入射光的强度答案：B33第三十三页，共93页。

5、某有色物质溶液，遵守比尔定律，当其浓度为c时，吸光度A=0.30，那么当浓度为2c时，该溶液的吸光度A=。6、某有色物质溶液，遵守比尔定律，当其浓度为cT，当浓度减小为0.50c时，在同样条件下测定，其透光率应为A。T2B。2TC。T1/2D。T/2答案：c34第三十四页，共93页。1-3目视比色法及光度计的根本部件一、目视比色法1、定义：用眼睛比较溶液颜色深浅以测定物质含量的方法。2、测定方法：标准系列法。标准溶液梯度待测溶液条件：相同比色管等量显色剂35第三十五页，共93页。3、优点：设备简单，操作方便，不要求严格遵守比尔定律。4、用途:用在要求不高的常规分析中。5、缺点：准确度不高，标准系列制作麻烦，容易受干扰。36第三十六页，共93页。二、光电比色法和分光光度法1与目视比色法比较：〔1〕是用仪器代替人眼进行测量，消除了人的主观误差，提高了准确度；〔2〕待测溶液中有其它有色物质共存时，可以选择适当的单色光和参比溶液来消除干扰，因而提高选择性；〔3〕在分析大批试样时，使用标准曲线法可以简化手续，加快分析速度。37第三十七页，共93页。2根本组成光源—单色器—吸收池—检测系统0.575光源单色器吸收池检测器显示38第三十八页，共93页。3光电比色法与分光光度法的区别光电比色法：滤光片分光光度法：棱镜、光栅39第三十九页，共93页。6010紫外/可见分光光度计722分光光度计40第四十页，共93页。4各部件的特点(1)光源：要求稳定，强度高，常用6~12V钨灯，发320nm~2500nm的连续光谱，覆盖整个可见光区400~800nm;氢灯或氘灯，发射光谱为200-400nm，紫外区41第四十一页，共93页。(2)单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置，分为滤光片，棱镜和光栅。a滤光片：由玻璃或石英构成，滤掉对溶液吸光度不高的光线，选择有色溶液最大吸收波长的光作为入射光。滤光片的颜色应与溶液是互补色。42第四十二页，共93页。T%：最大透光度“半宽度〞〔Ws〕：当最大透光度一半时曲线宽度。Ws越小，单色性能越好，通常为30－100nmWsT%λ可见光区：玻璃滤光片紫外区：石英滤光片43第四十三页，共93页。b棱镜：根据光的折射原理而将复合光色散为不同波长的单色光，然后让所需波长的光通过一个很窄的狭缝照射到吸收池上。分辨率比滤光片大，通常为5-10nm的单色光。玻璃棱镜：400－700nm石英棱镜：200－1000nm44第四十四页，共93页。利用光的衍射和干预原理，将复合光分为单色光。光栅的分辨率比棱镜大，可到达。c光栅：45第四十五页，共93页。〔3〕比色皿：也称吸收池，长方体，两面透明，有玻璃和石英玻璃两种，规格有0.5，1.0，2.0，3.0,5.0cm等；46第四十六页，共93页。〔4〕检测器：a光电转换器作用是接受从吸收池发出的透射光并转换成电信号进行测量。分为光电池、光电管、光电倍增管和光电二极管阵列。47第四十七页，共93页。b显示器作用是把放大的电信号以吸光度A或透射比T的方式显示或记录下来。常用的显示装置是检流计、微安表、数字显示记录仪。48第四十八页，共93页。49第四十九页，共93页。显色反响：将待测组分转变为有色化合物的反响。显色剂：与待测组分形成有色化合物的试剂。+显色剂1-4显色反响及显色条件的选择50第五十页，共93页。一、显色反响的选择：1、显色反响的类型：配位反响和氧化复原反响。2、对显色反响的要求：⑴灵敏度足够高:κ在104~105为高灵敏，κ＜103不灵敏51第五十一页，共93页。Cu与不同显色剂52第五十二页，共93页。⑵显色剂在测定波长处无明显吸收，试剂空白小。比照度：两有色物质最大吸收波长之差Δλ=|λMAXMR-λMAXR|≥60nm⑶有色化合物组成及化学性质稳定，选择性好，干扰小。53第五十三页，共93页。二、显色剂1、无机显色剂：应用不多，因其生成络合物不稳定，灵敏度选择性也不高。目前有使用价值的主要有：硫氰酸盐：测定Fe3+、Mo(Ⅵ)、W(Ⅴ)、Nb5+等。钼酸铵：测定P、Si、W等。过氧化氢：测定V5+、Ti4+等54第五十四页，共93页。2、有机显色剂：⑴特点：有机显色剂大多能与金属离子生成极其稳定的螯合物，具有特征颜色，其选择性，灵敏度均高。不少螯合物易溶于有机溶剂，可以进行萃取比色。有机显色剂多是含有生色团和助色团的化合物。⑵生色团：可以吸收光子产生跃迁的原子基团。一般含有不饱和键的基团，如-N=N-,＞C=C＜,-N=O,＞C=O,＞C=S、醌基等。⑶助色团：某些含有孤对电子的基团,它们与生色团上的不饱和键相互作用,影响其吸收,使颜色加深〔红移〕。如-OH,-RH,-NH2,-NHR,-SH,-Cl,-Br,-I等。⑷类型：①偶氮类：偶氮胂Ⅲ，偶氮氯膦，二苯硫腙(PAR)等；②三苯甲烷类：铬天青S，二甲酚橙，结晶紫等；55第五十五页，共93页。三、多元络合物多元络合物是由三种或三种以上的组分所形成的络合物。目前应用较多的是由一种金属离子与两种配位体所组成的三元络合物〔V-H2O2-PAR〕，三元络合物在吸光光度分析中应用较普遍。主要特点为；1、稳定性强；2、比照度和灵敏度高；3、选择性好。56第五十六页，共93页。四、显色条件的选择1、显色剂的用量：

M+RMR待测组分显色剂有色配合物57第五十七页，共93页。2、溶液的酸度：M+HRMR+H+

⑴影响显色剂浓度和颜色；⑵影响Mn+的存在状态;⑶影响配合物的组成。间苯二酚，pH<6时，黄色；pH:7~12，橙色；pH>13时，红色磺基水杨酸与铁〔Ⅲ〕pH：1:11:21:3

紫红色棕褐色黄色58第五十八页，共93页。3、显色温度的选择：一般在室温，有时需加热，通过实验确定59第五十九页，共93页。4、显色反响时间：制作吸光度-时间曲线5、溶剂：降低有色化合物离解度，增加灵敏度如在Fe(SCN)3的溶液中参加与水混溶的有机试剂〔如丙酮〕，由于降低了Fe(SCN)3的解离度而使颜色加深，提高了测定灵敏度。6、干扰及其消除：〔1〕控制溶液酸度；〔2〕参加络合掩蔽剂或氧化复原掩蔽剂；〔3〕利用氧化复原反响改变离子的状态；〔4〕选择适当的波长，要求吸收大，干扰小；〔5〕选择适宜的参比溶液；〔6〕采用适当的预先别离的方法。60第六十页，共93页。1、紫外可见分光光度计在可见区测量时所用光源是A氢灯B钨灯C空心阴极灯D红外灯答案：

B2、在光度计的检流计上刻有A和T，二者关系为A=-lgT=lg1/T。练习题61第六十一页，共93页。3、吸光光度法进行定量分析的依据是,用公式表示为,式中各项符号分别表示;其中吸光系数可表示为和，其单位各为和。4、分光光度计与比色计主要差异是〔〕不同；分光光度计主要由〔〕，〔〕，〔〕，〔〕，〔〕五局部组成。62第六十二页，共93页。1-5吸光度测量条件的选择一、入射光波长的选择1、原那么：“吸收最大，干扰最小〞，κ大，A变化小的区域。选500nm进行测定63第六十三页，共93页。二、参比溶液的选择选择参比液目的：使试液的吸光度真正反映待测物的浓度。在测量A时，利用参比溶液来调整仪器的零点，消除由于吸收池壁及溶剂对入射光的反射和吸收带来的误差。选择参比液的原那么①仅MR有色→纯溶剂作参比。M、R均无色，在水体系中，选用蒸馏水作参比。②显色剂R或其它试剂有吸收→试剂空白作参比。(即不加试样的溶液)

64第六十四页，共93页。③试样中其它组分N有吸收，但不与R反响。a：那么当R无吸收时——试样溶液作参比。

即：N、MR有吸收——含N，不含MR的作参比，即不加显色剂的溶液作参比。

b：当R、N、MR均有吸收，在试样中参加掩蔽剂，将待测组分M掩蔽后再加显色剂，作参比。即：掩蔽M后用含R、N的溶液作参比。65第六十五页，共93页。三、吸光度读数范围的选择A=-lgT=κbc,(1)dA=-dlgTTT/T=κbdc(2)=(2)÷(1)

以有限值表示：=一般光度计ΔT约为±0.2%~±2%。假定为0.5%，代入上式计算不同浓度相对误差如以下图。66第六十六页，共93页。△C/C最小(1.36%)。当T在10%~70%，A在～1.0△C/C<2.2%67第六十七页，共93页。例题有一化合物在醇溶液中的λmax=240nm，其k=1.7×104，问假设用b=1cm的比色皿时，应配置什么浓度范围测定含量时适宜？解：吸光度在0.15~1.0之间时分光光度法适宜。A=kbcc=A/(kb)下限:C下=0.15/(1.7×104×1)=0.88×10-5mol/L上限:C上=1.0/(1.7×104×1)=5.88×10-5mol/L68第六十八页，共93页。1-6吸光光度法的应用一、微量组分的测定１．绝对法cx=A/κ·b２．直接比较法As=κbcsAx=κbcx两者κ，b值相同，所以cx＝Ax/As·cs３．参加法Ax=κbcx〔1〕As=κbcs〔2〕根据加合性Ax＋s=Ax+As=Ax+κbcs〔3〕那么Ax＋s－Ax=κbcs〔4〕两式相除〔1〕÷〔4〕,得cx＝Axcs/(Ax＋s－Ax)４．标准曲线法〔5〕69第六十九页，共93页。二、高含量组分的测定－示差法与普通分光光度法比较主要不同之处：用一个稍低于试液的标准溶液作参比，与未知浓度的试样溶液比较，克服普通分光光度法在测定组分浓度过高时产生较大误差的缺乏。原理：设待测液为cx，标液浓度cs(cx＞cs)，调T=100%,测试液的吸光度Ar根据比尔定律得到：Ax=κbcxAs=κbcs两式相减，得Ar=ΔA=Ax－As=κb〔cx－cs〕=κbΔc70第七十页，共93页。ΔA=κbΔc△C△A△Ax△Cx071第七十一页，共93页。示差法准确测定高浓度组分的原因在普通分光光度法中，以空白溶液作参比，假设浓度为CX的溶液透光度TX=7%(不属于10%~70%)，CS→TS=10%，在示差法中以CS作参比，调节TS=100%，那么TR=70%(属于10%~70%)。72第七十二页，共93页。示差法的浓度相对误差公式为4.03.02.01.0020406080100Tr%E％(a)(b)(c)(d)%TS100804020随参比溶液浓度增加，即TS减小，浓度相对误差减小。73第七十三页，共93页。普通法：对于透光度为5%的溶液，用普通法和示差法测量的误差分别为74第七十四页，共93页。三、多组分分析：以两组分为例1、吸收光谱不重叠：同单组分2、吸收光谱重叠：列方程组求解

Aλ1=κx1bcx+κy1bcyAλ2=κx2bcx+κy2bcyXXXYYY75第七十五页，共93页。双波长吸光光度法λλ2λ1XYA光源单色器λ1单色器λ2切光器吸收池检测器优点：只用一个比色皿，消除了两个吸收池之间的差异及试液与参比液的差异76第七十六页，共93页。四、光度滴定1、定义：在定量滴定分析中，假设被测组分、滴定剂、或反响产物在紫外或可见区有特征吸收，就可通过滴定体系的吸光度变化来指示滴定过程和滴定终点，这就是分光光度滴定。2、几种指示终点的情况：77第七十七页，共93页。〔1〕滴定产物有特征吸收mLof5.00×10-3mol·L-1Cu2+titrationwith5.00×10-3mol·L-1EDTA78第七十八页，共93页。〔2〕滴定剂有特征吸收mLof1.00×10-3mol·L-1Fe2+titrationwith2.00×10-3mol·L-1KMnO479第七十九页，共93页。〔3〕被测物有特征吸收AV终点〔4〕滴定剂和被测物均有特征吸收AV终点80第八十页，共93页。〔5〕连续滴定81第八十一页，共93页。五、配合物组成及其稳定常数的测定摩尔比法求配合物组成：M+nLMLn固定金属离子浓度cM而逐渐改变配位体浓度cL，测定一系列cM一定、cL不同的溶液的吸光度。以吸光度A为纵坐标，cL/cM为横坐标作图。82第八十二页，共93页。稳定常数的测定如形成1：1的配合物时，根据物料平衡cM=[M]+[ML]cL=[L]+[ML]A=kML[ML](b=1cm)(假定金属离子和配位体在测定波长无吸收)kML=A0/CM解联立方程，求得[M]、[L]、[ML]，那么K=[ML]/[M][L]M+L→ML83第八十三页，共93页。某金属离子M2+能与过量的络合剂X-生成络离子MX3-,并在350nm处有最大吸收。今有两份含M2+及X-的溶液,M2+的总浓度均为5.0×10-4mol/L,而X-的总浓度分别为0.20mol/L及2.50×10-3mol/L,用1.0cm比色皿于350nm处分别测得其吸光度为0.80和0.64。设在第一种情况下,M2+完全被络合,求MX3-的总稳定常数。84第八十四页，共93页。练习题1、在光度分析中，选择参比溶液的原那么是A。一般选蒸馏水B。一般选试剂溶液C。根据参加试剂和被测试液的颜色性质选择D。一般选褪色溶液答案：C2、某有色物质溶液的吸光度值较小时，那么说明A。该物质的浓度较小B。该物质摩尔吸收系数较小C。所用比色皿较薄D。上述三者都可能答案：D85第八十五页，共93页。3、为使某待测物质测定的灵敏度较高，那么应选择A。较高浓度的待测溶液B。采用具有较大吸收系数的体系C。在较长的波长下进行D。用较强的光源答案：B4、高浓度有色物质的光度法测定常用的方法是A。示差法B。摩尔比法C。光度滴定法D。目视比色法答案：A86第八十六页，共93页。5、用普通分光光度法测得标液c1的透光率为20%，试液的透光率为12%，假设以示差法测定，以c1为参比，那么试液的透光率为A。40%B。50%C。60%D。70%答案：C6.浓