分析化学第七章吸光光度分析法

分析化学第七章吸光光度分析法1第1页，课件共61页，创作于2023年2月

§7-1吸光光度法基本原理

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。

2第2页，课件共61页，创作于2023年2月可见吸收光谱：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。吸光光度法的特点：（1）灵敏度高；（2）准确度高；（3）操作简便快速；（4）应用广泛。3第3页，课件共61页，创作于2023年2月光的基本性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：

=c；波数=1/=/c光是由光子流组成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常数：h=6.626×10-34J×S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。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）4第4页，课件共61页，创作于2023年2月一、物质的颜色

物质的颜色是由于物质对不同波长的光具有选择性吸收而产生的。表8-1物质的颜色与吸收光颜色的互补关系5第5页，课件共61页，创作于2023年2月6第6页，课件共61页，创作于2023年2月二、物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+

h

M*M+热M+荧光或磷光基态激发态E1

（△E）E2E=E2-

E1=h

量子化；选择性吸收;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—

吸收曲线与最大吸收波长

max；光的互补：蓝黄7第7页，课件共61页，创作于2023年2月光吸收曲线

用不同波长的单色光照射某一物质测定吸光度，以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标，绘制曲线，描述物质对不同波长光的吸收能力。图8-1吸收曲线8第8页，课件共61页，创作于2023年2月吸收曲线的讨论：（1）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λmax（2）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。（3）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。9第9页，课件共61页，创作于2023年2月

（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。10第10页，课件共61页，创作于2023年2月

三、光吸收的基本定律1.朗伯—比耳定律

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。A∝b

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。A∝c二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：11第11页，课件共61页，创作于2023年2月朗伯-比耳定律的数学表达式为：

A＝lg（I0/I)=εbc

或:A＝lg（I0/I)=abc

式中A：吸光度；I0

：入射光强度；I：透射光强度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；ε：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1；溶液的浓度c单位mol·L-1；a：吸光系数，单位L·g-1·cm-1；

溶液的浓度c单位g·L-1。

12第12页，课件共61页，创作于2023年2月

ε与a的关系为：

ε=Ma

（M为物质的摩尔质量）摩尔吸光系数ε(L·mol-1·cm-1)在数值上等于浓度为1mol·L-1、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-1，液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。13第13页，课件共61页，创作于2023年2月吸光度A描述溶液对光的吸收程度：

A＝lg（I0/I)透过度T描述入射光透过溶液的程度:

T=I0/It吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lgT

A、T、c三者的关系如右图所示。吸光度A具有加合性：A总=A1+A2A1、A2分别为两种吸光物质的吸光度。ATATC图8-3A，T，C关系曲线14第14页，课件共61页，创作于2023年2月

朗伯-比耳定律的物理意义：当平行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。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。广泛地应用于紫外光、可见光、红外光区的吸收测量，也适用于原子吸收测量。15第15页，课件共61页，创作于2023年2月2.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）可作为定性鉴定的参数；（4）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。16第16页，课件共61页，创作于2023年2月（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=(2～6）×104：中等灵敏；

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。

17第17页，课件共61页，创作于2023年2月3.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。

18第18页，课件共61页，创作于2023年2月（1）物理性因素难以获得真正的纯单色光。

朗伯—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。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。

图8-4-1工作曲线19第19页，课件共61页，创作于2023年2月

｜Δε｜很小时，则可近似认为是单色光。为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射光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-比耳定律假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用，实验证明，这种假定只有在稀溶液时才基本符合。

20第20页，课件共61页，创作于2023年2月

当溶液浓度c>10-2mol·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。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，影响吸光度。

(3)工作曲线不过原点存在系统误差：吸收池不完全一样；参比溶液选择不当等。图8-4-2工作曲线21第21页，课件共61页，创作于2023年2月

§7-2光度计及其基本部件

一、主要部件光源单色器样品室检测器显示

1．光源在整个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。钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。22第22页，课件共61页，创作于2023年2月23第23页，课件共61页，创作于2023年2月

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任一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。24第24页，课件共61页，创作于2023年2月

3.样品室样品室放置各种类型的吸收池和相应的池架附件。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.信号显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。25第25页，课件共61页，创作于2023年2月图8-5光电管示意图图8-6光电倍增管示意图26第26页，课件共61页，创作于2023年2月二、分光光度计的类型简介

1.单光束分光光度计：简单，价廉，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，要求光源和检测器具有很高的稳定性。27第27页，课件共61页，创作于2023年2月

2.双光束分光光度计：自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。28第28页，课件共61页，创作于2023年2月

3.双波长分光光度计：

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快速交替通过同一吸收池而后到达检测器，产生交流信号，无需参比池。两波长同时扫描（=1～2nm）即可获得导数光谱。图8-9分光光度计的类型29第29页，课件共61页，创作于2023年2月

§7-3显色反应及显色条件的选择一、显色反应的选择

选择显色剂选择显色反应时应考虑的因素：灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收，与有色物最大吸收波长之差（对比度），应满足>60nm。常用配位显色反应或氧化还原显色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，可将其氧化成紫红色的Mn(Ⅶ)，在525nm处

30第30页，课件共61页，创作于2023年2月进行测定。常用的无机显色剂有：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。有机显色剂种类繁多：如三苯甲烷类有铬天青S、二甲酚橙等；偶氮类有偶氮胂Ⅲ、PAR等。

31第31页，课件共61页，创作于2023年2月二、显色条件的选择1.显色剂用量：吸光度A与显色剂用量

cR的关系曲线如图12-8所示。选择曲线变化平坦处作为显色条件。2.溶液的pH值在相同实验条件下，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.显色时间与温度显色反应一般在室温下进行，有的反应需加热，应通过实验找出适宜的温度范围。图8-10吸光度与显色剂用量关系曲线cRcRcRAAA32第32页，课件共61页，创作于2023年2月pHA

图8-11吸光度与pH关系曲线三、干扰的消除

1.加入掩蔽剂选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分的测定。例：测定Ti4＋，33第33页，课件共61页，创作于2023年2月

加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色)成为［Fe(PO４)2］3-(无色)，消除Fe3+的干扰；又如用铬天菁S光度法测定Al3+时，加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为Fe2+，消除Fe3+的干扰。

2.选择适当的显色反应条件通过控制适宜的显色条件，消除干扰组分的影响。

3.选择适宜的波长避开干扰物的最大吸收，配制适当的参比液，消除干扰组分的影响。

34第34页，课件共61页，创作于2023年2月

4.提高显色反应的选择性利用被测物能形成三元络合物的特点，提高显色反应的选择性。

5.分离干扰离子

采用适当的分离方法预先除去干扰物质。35第35页，课件共61页，创作于2023年2月§7-4吸光光度测量条件的选择1.选择适当的入射波长一般应该选择λmax为入射光波长。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。2.选择适当的参比溶液吸收池表面对入射光有反射和吸收作用；溶液的不均匀性所引起的散射；过量显色剂、其它试剂、溶剂等引起的吸收，这些因素影响待测组分透光度或吸光度的测量。采用参36第36页，课件共61页，创作于2023年2月

比溶液校正的方法消除或减小这些影响。在相同的吸收池中装入参比溶液(又称空白溶液)，调节仪器使透过参比池的吸光度为零(称为工作零点)。在此条件下测得的待测溶液的吸光度才真正反映其吸光强度。37第37页，课件共61页，创作于2023年2月图8-12吸光度测定条件的选择曲线A为钴络合物的吸收曲线曲线B为显色剂的吸收曲线38第38页，课件共61页，创作于2023年2月

参比溶液的选择一般遵循以下原则：⑴若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；⑵若显色剂或其它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。39第39页，课件共61页，创作于2023年2月3.控制适宜的吸光度读数范围不同的透光度读数，产生的误差大小不同：

－lgT=εbc微分：－dlgT＝－0.434dlnT=-0.434T-1dT=εbdc两式相除得：40第40页，课件共61页，创作于2023年2月dc/c=（0.434/TlgT）dT

以有限值表示可得：Δc/c=（0.434/TlgT）ΔT

浓度测量值的相对误差（Δc/c）不仅与仪器的透光度误差ΔT有关，而且与其透光度读数T的值也有关。

是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？41第41页，课件共61页，创作于2023年2月最佳读数范围与最佳值

设：ΔT=1%，则可绘出溶液浓度相对误差Δc/c与其透光度T的关系曲线。如图所示：当：ΔT=1%，T在20%～65%之间时，浓度相对误差较小，最佳读数范围。用仪器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)。可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为：

Tmin＝36.8%,Amin＝0.43442第42页，课件共61页，创作于2023年2月0.20.80.40.6A

012

345C/mg·L-1分光光度法四、标准曲线法绘图示例：43第43页，课件共61页，创作于2023年2月

§7-5吸光光度法的应用

一、示差分光光度法（示差法）普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。示差法需要较大的入射光强度，并采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs<cx)。则：

Ax=εbcx

As=εbcs

44第44页，课件共61页，创作于2023年2月ΔＡ＝Ａx

－Ａs=εb(cx－cs）=εbΔc

测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与标准溶液的吸光度之差ΔＡ。示差法测得的吸光度与Δc呈直线关系。由标准曲线上查得相应的Δc值，则待测溶液浓度cx：

cx=cx+Δc

45第45页，课件共61页，创作于2023年2月示差法标尺扩展原理：

普通法：cs的T=10%；cx的T=5%

示差法：cs

做参比，调T=100%

则：cx的T=50%；标尺扩展10倍46第46页，课件共61页，创作于2023年2月

图8-13是不同As的溶液作参比时相对误差函数曲线。由图可见，随着参比溶液浓度增加，浓度相对误差减小。若参比溶液选择适当，则示差法测定的准确度可与滴定法接近。二、多组分的同时测定

1.若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。

2.若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加和性求解联立方程组得出各组分的含量。

47第47页，课件共61页，创作于2023年2月Aλ1=εaλ1bCa

＋εbλ1bCb

Aλ2=εaλ2bCa

＋εbλ2bCb

图8-13相对误差函数曲线AAλλλ1λ1λ2λ2图8-14双组分的吸收曲线48第48页，课件共61页，创作于2023年2月§7-6紫外吸收光谱简介

一、有机化合物电子跃迁的类型

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＊49第49页，课件共61页，创作于2023年2月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135nm。⑵n→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。50第50页，课件共61页，创作于2023年2月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，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1

·cm-1，吸收谱带强度较弱。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275nmεmax为22L·mol-1

·cm-1（溶剂环己烷)。51第51页，课件共61页，创作于2023年2月红移与蓝移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:

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)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。52第52页，课件共61页，创作于2023年2月二、影响紫外吸收光谱的因素1.溶剂的影响溶剂极性的变化会使化合物的紫外吸收光谱形状改变。例如，在非极性的庚烷溶剂中，苯酚在270nm处出现中等强度的吸收峰并有精细结构；但在极性的乙醇溶剂中，这些精细结构变得不明显或消失。2.溶剂pH的影响当被测物质具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH值的变化对光谱的影响较大。3.空间效应若存在空间阻碍，影响较大共轭体系的生成，则最大吸收波长较短，吸光系数小。53第53页，课件共61页，创作于2023年2月三、紫外吸收光谱法的应用1.计算最大吸收波长2.比较吸收光谱3.同分异构体和顺反异构的确定4.纯度检验54第54页，课件共61页，创作于2023年2月

第七章吸光光度法思考题1．朗伯-比耳定律的物理意义是什么？写出其数学表达式。2．摩尔吸光系数ε的物理意义是什么？其大小与哪些因素有关？ε在分析化学中有何意义？3．什么是吸收曲线？什么是标准曲线？它们有何实际意义？4．显色反应如何选择？5．吸光度测量条件如何选择？6．光度分析法中，参比溶液应如何选择？答案55第55页，课件共61页，创作于2023年2月1.答：当一束平行的单色光通过液层厚度为b的有色溶液时，溶液的吸光度A与液层的厚度b和溶液的浓度c成正比。即A=lg(I0/I)=εbc2.答：摩尔吸光系数ε在数值上等于1mol·L-1吸光物质在1cm光程中的吸光度。它是吸光物质在特定波长下的一个特征常数。其单位为L·mol-1

·cm-1。由于ε值与入射光波长有关，故表示ε时，应注明所用入射光波长。在分析化学中，ε值的大小反应了：（1）吸光物质对某一特定波长光吸光能力大小的量度。ε值越大，该吸光物质的吸光能力越强。（2）衡量光度分析方法灵敏度的重要指标，ε值越大，方法的灵敏度越高。56第56页，课件共61页，创作于2023年2月3.答：以入射光波长作横坐标，用分光光度计测量每一波长下物质对光的吸光度作纵坐标所绘制的曲线，称为吸收曲线。其作用是：选择入射光波长，在此波长下测量吸光度，则分析的灵敏度最高。因此，吸收曲线是吸光光度法中选择测定波长的重要依据。在某特定波长下，用分光光度计测量一系列不同浓度的标准溶液的吸光度，然后以浓度为横坐标，对应的吸光度值为纵坐标所绘制的曲线，称为标准曲线（亦称工作曲线）。它是作为待测物质定量分析的依据。如果在相同条件下测得待测试液的吸光度值，从标准曲线上就可查得待测试液的浓度，这就是标准曲线法。57第57页，课件共61页，创作于2023年2月4.答：显色反应的选择原则是：（1）选择生成的有色物质（MR）的ε较大的显色反应；（2）显色剂（R）在测定波长处无吸收

，即ε尽可能小；（3）反