光度法基本原理

1、第六章 紫外-可见分光光度法,6.1.1 光的基本性质 6.1.2 物质分子对光的选择性吸收与吸收曲线 6.1.3 光的吸收定律 6.1.4 电子跃迁与吸收带类型,第一节 基本原理,本章教学基本要求,掌握分光光度法的特点、基本原理、测定方法及计算方法； 掌握朗伯比尔定律，摩尔吸收系数与吸收系数，吸收度与透光度，偏离朗伯比尔定律的原因； 掌握显色反应条件及光度测量条件的选择； 熟悉仪器的基本组成及关键部件； 熟悉差示分光光度法的原理、特点； 了解紫外可见分光光度法在结构分析中的应用； 了解双波长分光光度法和导数分光光度法。,概述,基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。分为：光

2、谱分析法和非光谱分析法。 光谱分析法是指在光（或其他能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。,吸收光谱分析 发射光谱分析 分子光谱分析 原子光谱分析,光波谱区、跃迁类型与对应的分析方法,概述:,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收光度法,主要有: 红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,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200400 nm(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400750 nm ，主要用于有色物

3、质的定量分析。 本章主要讲授紫外可见吸收光度法。,6.1.1 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 = h c / （Planck常量：h=6.62610-34 Js ) 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：400750 nm 紫外光区：近紫外区200 400 nm 远紫外区10 200 nm （真空紫外区）,6.1.2 物质对光的选择性

4、吸收及吸收曲线,M + 热,M + 荧光或磷光,E = 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，测吸收度 吸收曲线与最大吸收波长 max。,M + h M *,基态 激发态 E1 （E） E2,物质颜色及其补色,光的互补：蓝 黄,吸收曲线的讨论：,（1）同一种物质对不同波长的光的吸收度不同。吸收度最大处对应的波长称为最大吸收波长max,（2）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。,吸收曲线的讨论：,（3）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，max 不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状

5、和max 则不同。,（动画）,（4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸收度 A 有差异，在max处吸收度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 （5）在max处吸收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。,6.1.3 光的吸收定律,1.朗伯比尔定律 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。Ab,1852年比尔(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尔定律，其数学表达式为,A = lg(I0/It) = b c,

6、 透光率 T = It / I0, A = -lgT,朗伯比尔定律数学表达式,Alg（I0/It)= b c 式中：A为吸收度（吸光度）；描述溶液对光的吸收程度； b 为液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c 为溶液的物质的量浓度，单位molL-1； (多用e)为摩尔吸收系数，单位Lmol-1cm-1； 或: Alg（I0/It)= a b 为溶液的质量浓度，单位gL-1 ； a 为质量吸收系数，单位Lg-1cm-1 ； a与 (e)的关系为： a =/M （M为物质的相对分子质量）,透光度(透光率)T,透过度T : 描述入射光透过溶液的程度: T = I t / I0 吸收度A与透光度

7、T 的关系: A lg T,朗伯比尔定律是吸收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； 摩尔吸收系数在数值上等于浓度为1 mol L-1 、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸收度；A = b c 注意：实验中不能用该条件测定，因为浓度太大。 质量吸收系数 a (Lg-1cm-1）相当于浓度为1 g L-1 、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸收度。,2.分光光度法的灵敏度,(1) 摩尔吸收系数 max越大表明该物质的吸收能力越强，用分光光度法测定该物质的灵敏度越高。A=kbc，k为直线的斜率。 一般认为 105 超高灵敏； = (610）104 高灵敏； =

8、 (26）104 中等灵敏； 104 一般灵敏。,注意：上述灵敏度只是相对的，在没有好的分析方法时k=103 的方法也是可行的。,摩尔吸收系数的讨论,（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。在波长等条件一定时，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值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸收系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸收能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。,(2) 质量吸收系数,质量吸收系数a (Lg-1cm-1）相当于浓度为1 gL-1，液层厚度为1

9、cm时该溶液在某一波长下的吸收度。 a与的关系为 a = / M 式中，M为物质的摩尔质量(gmol-1)。 质量吸收系数a便于定量地比较不同物质的灵敏度。 因为对于不同待测组分，其摩尔质量往往不同，故不能简单地根据的大小来判断其灵敏度。,(3) 桑德尔(Sandell)灵敏度 S,当产生A=0.001的吸收度时，单位截面积(cm2)光程内所能检测出的吸收物质的最低含量。单位为gcm-2。 一般分光光度计所能检测的最小吸收度A0.001。 设A=0.001时所能检出某物质的最低浓度为min（gmL-1)，minb总为定值，故定义桑德尔灵敏度S S=minb max下的桑德尔灵敏度Smax，反映

10、了分光光度法测定某物质所能达到的最大灵敏度。 S与、a的关系： S = M / S=1/a ,3.偏离朗伯比尔定律的原因,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尔定律的偏离。,引起这种偏离的因素（两大类）： （1）物理性因素，即仪器的非理想化所引起的； （2）化学性因素。,（1）物理性因素,难以获得真正的纯单色光。 朗伯比尔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尔定律的正或负偏离。,非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比尔定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起

11、的偏离。,非单色光作为入射光引起的偏离,假设由波长为1和2的两单色光 组成的入射光通过浓度为c的溶液，则： A 1lg(o1 /t1 ）1 bc A 2lg(o2 /t2 ）2 bc 故,式中：01、02分别为1、2 的入射光强度； t1、t2分别为1、2 的透射光强度； 1、2分别为1、2的摩尔吸收系数；,A总 lg（o总/t总 ) lg(Io1+o2)/(t1+t2） lg(Io1+o2)/(o110-1bc +o210-2bc ） 令 1-2 ； 设 o1 o2 A总 lg(2Io1)/t1(110 - bc ） lg ( Io1/t1 ) + lg2 - lg(110 - bc ） A

12、 1 + lg2 - lg(110 - bc ),因实际上只能测总吸收度A总，并不能分别测得A1和A2，故,讨论:,A总 =A1 + lg2 - lg(1+10bc ) = 0； 即 1= 2 = 则： A总 lg（o /t） bc 0 若 0, lg(110 - 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。,讨论: A总 =A1 + lg2 - lg(110bc ), 很小时,即12，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，即使很小， A总 1 ，且随着c值增大， A总 与A 1的差异愈大，在图上则表现为Ac曲线上部

13、（高浓度区）弯曲愈严重。故朗伯比尔定律只适用于稀溶液。 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,朗伯比尔定律的假定：所有的吸收质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c10-2 mol L-1时，吸收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：朗伯比尔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，吸收质点的浓度发生变化，影响吸收度。 例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡 2CrO42- 2H+ = Cr2O72- H2O 溶液中CrO42-

14、、 Cr2O72-的颜色不同，吸收性质也不相同。故此时溶液pH 对测定有重要影响。,6.1.4 电子跃迁与吸收带类型,1分子的内能与能级,分子内能级：电子能级、振动能级和转动能级。 Ee + Ev + Er,r：0.0050.050eV v：0.051eV e：120eV 电子能级跃迁产生紫外-可见光谱。 又称带状光谱。,2有机化合物分子内的电子跃迁,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）：电子、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

15、发态(反键轨道)跃迁。四种主要跃迁所需能量大小顺序为n* * n* *,* 跃迁,所需能量最大，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200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的为125nm,乙烷max为135nm。,n* 跃迁 所需能量较大。吸收波长为150250 nm，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 * 跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n * 跃迁的分别为173 nm、183 nm和227 nm。, * 跃迁,所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近

16、紫外端或近紫外区，摩尔吸收系数max一般在104Lmol-1cm-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*跃迁的为162 nm， max为 1104 L mol-1cm1。, n * 跃迁 需能量最低，吸收波长200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸收系数一般为10100 Lmol-1cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生n * 跃迁。丙酮n *跃迁的为275nm max为22 Lmol-1 cm -1（溶剂环己烷)。,生色团与助色团,生色团： 最有用的紫外可见光谱是由* 和 n* 跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有

17、不饱和基团。这类含有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NN、乙炔基、腈基CN等。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200 nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生 n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。,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max和吸收强度发生变化: max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)。吸收强度即摩尔吸收系数增大或减小的现象分别

18、称为增色效应或减色效应，如图所示。,3.紫外可见分子吸收光谱中的吸收带,解析紫外-可见吸收光谱时了解分子中存在何种基团及其与分子结构的关系。 * 和n* 跃迁所涉及的吸收带(4类)。 (1) R吸收带 因德文Radikal(基团)而得名，是由n共轭基团产生n* 跃迁所形成的。 特点：吸收强度较弱(270nm)。 R带随溶剂极性的增加而产生紫移，但若附近有强吸收带时则产生红移，有时甚至被掩盖。,(2) K吸收带,因德文Konjugation(共轭作用)而得名，是由共轭键产生* 跃迁所形成的。 特点：吸收强度高(104Lmol-1cm-1)，最大吸收波长比R带短 (217280nm)。 如丁二烯的

19、吸收峰(max=217nm， = 2.1 104 Lmol-1cm-1)，即属K带。 K带随共轭双键数目的增加，产生红移和增色效应。 K带是共轭分子的特征吸收带，可用于推断有机物的共轭结构。,(3) B 吸收带,因德文Benzenoid(苯的)而得名，芳香族化合物的特征吸收带。 特点：谱带上叠加有分子振动产生的精细结构，故常用来辨别芳香族化合物。 在极性溶剂中或有取代基与苯环相连时，B带精细结构消失并产生红移；当苯环与生色团共轭时，则产生K和B两种吸收带，有时还会有R吸收带。 波长顺序一般为RBK。 如乙酰苯同时具有R带(max=319nm,=50 Lmol-1cm-1)、B带(max=278

20、nm，=1.1103 Lmol-1cm-1)和K带(max=240nm,=1.3104L mol-1cm-1) 。,(4) E 吸收带,因Ethylenic（乙烯的）而得名，是芳香族化合物的另一类特征吸收峰，苯环内* 跃迁所形成的。 E带可分为E1带(max 180 nm)和E2带(max 200 nm)，二者都是强吸收带，而B带相应是较弱的吸收带。 最大吸收波长顺序为BE2E1，谱带强度顺序为E1E2B。 当苯环上有助色团取代基时，E2带红移(max 210 nm)；当苯环与生色团共轭时，E2常与K带合并为K带，并产生显著红移。,4.金属配合物的紫外可见吸收光谱,金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子(水合离子)和配位体本身的