無機與分析化學(xué)：第九章 紫外-可見分光光度法

2022/10/27第九章紫外-可見分光光度法1、了解物質(zhì)顏色與光的吸收關(guān)系；2、了解分光光度法的基本原理，測量誤差和測量條件的選擇；3、掌握朗伯-比耳定律；了解偏離朗伯-

比耳定律的原因；4、掌握分光光度法的有關(guān)計算2022/10/27第九章紫外-可見分光光度法第一節(jié)基本原理第二節(jié)顯色反應(yīng)與測量條件的選擇第三節(jié)吸光光度分析的方法和儀器第四節(jié)應(yīng)用實例2022/10/27第一節(jié)基本原理一、概述二、光的選擇性吸收三、吸光分析基本定律返回2022/10/27一、概述1、定義：分光光度法是基于物質(zhì)對光的選擇吸收而建立起來的分析方法紅橙黃綠青藍

紫2022/10/27一、概述2、分類：(1)紅外吸收光譜：屬于分子振動光譜，吸收光波長范圍在2.5～10um,主要用于有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定。(2)紫外吸收光譜：屬于電子躍遷光譜，吸收光波長范圍在200～400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。(3)可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400～750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。2022/10/273、光的分類①白光（太陽光）：由各種單色光組成的復(fù)合光。②單色光：單波長的光（由具有相同能量的光子組成）遠紫外光區(qū)：100～200nm（真空紫外區(qū)）近紫外區(qū)：200～400nm可見光區(qū)：400～750nm返回一、概述2022/10/27二、光的選擇性吸收

如果將兩種單色光按一定強度比例組合，也可成為白光，這兩種光稱為互補色光，處于對角線兩端的兩種色光為互補色光。1、互補色光如：綠光和紫光、黃光和藍光。2022/10/27

當一束白光通過某一有色溶液時，一些波長的光被溶液吸收，另一些波長的光則透過，還有一些被器皿反射和散射（若被照射的是均勻溶液，則光的散射可忽略。透射光刺激人的視覺，使人感覺到顏色的存在。（若是不透明物質(zhì)，則為反射光。）2、溶液顏色和光吸收的關(guān)系二、光的選擇性吸收2022/10/27

顯然透射光和吸收光是互補色光，如果溶液吸收了某一波長的光，這時溶液呈現(xiàn)的顏色就是透射光，即吸收光的互補色光，因為不同的物質(zhì)對光的吸收情況不同，所以物質(zhì)就呈現(xiàn)出各種顏色。例如：

CuSO4溶液吸收黃色光，呈現(xiàn)互補色光：藍色

K2Cr2O7溶液吸收藍色光，呈現(xiàn)互補色光黃色二、光的選擇性吸收2022/10/273、物質(zhì)對光的選擇性吸收定義：指每一種物質(zhì)僅吸收特定波長的光物質(zhì)吸收光(獲得能量)后，其分子或原子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)：M

+

hν

→

M*

→M

+

熱（+光）基態(tài)E1

激發(fā)態(tài)E2

基態(tài)E1二、光的選擇性吸收2022/10/27能級差：△E=E2-E1=hν

只有當照射光的光子能量hν與被照射粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級差相當時，才能發(fā)生吸收。不同的物質(zhì)粒子由于結(jié)構(gòu)不同，而具有不同的量子化能級，其能量差也不同，所以物質(zhì)對光的吸收具有選擇性返回二、光的選擇性吸收2022/10/271.朗伯－比爾定律當一束平行單色光照射到溶液時，光的一部分被溶液吸收，另一部分透過溶液，還有部分被器皿表面反射。

I0＝

Ia

＋It

＋Ir

入射光吸收光透射光反射光三、吸光分析基本定律2022/10/27若比色皿采用相同質(zhì)料的光學(xué)玻璃制成，則：

Ir≈0∴I0≈Ia＋It

令：It/I0＝T（透光度），透光度取值范圍：0～1。溶液的透光度愈大，則對光的吸收愈??；反之，T愈小，則吸收愈大。三、吸光分析基本定律2022/10/27

以A代表吸光度，定義A＝lg(1/T)＝lg(I0/It)

實驗證明，有色溶液的吸光度A與該溶液的濃度c、液層厚度b和入射光強度I0有關(guān)。三、吸光分析基本定律2022/10/27(1)公式形式布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度與吸收層厚度的關(guān)系。

A∝b1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度與吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。

A∝c三、吸光分析基本定律2022/10/27

二者的結(jié)合稱為朗伯-比耳定律，其數(shù)學(xué)表達式為：

A＝ε·b·c

或A＝a·b·c

ε—摩爾吸收系數(shù)，其值與入射光強度、波長、溶液性質(zhì)和溫度有關(guān)，單位L·mol-1·cm-1；

b—液層厚度，單位cm；

c—溶液濃度，單位mol·L-1。三、吸光分析基本定律2022/10/27ε是在單位液層厚度，單位濃度時，溶液對單色光的吸光度，此時A＝εε數(shù)值表達了二層含義：對光吸收程度的大小；測試方法靈敏度的大小三、吸光分析基本定律2022/10/27ε愈大，表示該物質(zhì)對某波長的光吸收程度愈大，因而光度測定的靈敏度愈高。一般：103<ε＜104

，靈敏度低

104

＜ε＜105，中等靈敏度

ε＞105

，高靈敏度三、吸光分析基本定律2022/10/27例：濃度為的Cu2+溶液，于600nm處用2.0cm比色皿測得T=50.1%，求a和ε解：三、吸光分析基本定律2022/10/27例：某有色溶液，當用1cm比色皿時。其透光率為T，若改為2cm比色皿，求透光率？解：三、吸光分析基本定律2022/10/272.吸收曲線將物質(zhì)用不同波長的單色光照射，測吸光度，以吸光度對應(yīng)波長作圖得到該物質(zhì)的吸收曲線。（動畫）

KMnO4

的吸收光譜A：1×10－5mg.mL－1；B：2×10－5mg.mL－1；C：4×10－5mg.mL－1；D：8×10－5mg.mL－1。三、吸光分析基本定律2022/10/27①KMnO4溶液對不同波長的光吸收情況不同，在525nm的處KMnO4的吸光能力最強，有一吸收高峰，對應(yīng)λmax（最大吸收波長）；對420nm的紫光和680nm處的紅光吸收很弱，而對波長為720nm以上的光則幾乎不吸收，完全透過，所以溶液呈現(xiàn)紫紅色。若在最大吸收波長處測吸光度，則靈敏度最高。因此，吸收曲線的作用是從中選擇合適的入射光波長。②由圖中還可看出，不同濃度的同一物質(zhì)在吸收峰附近，吸光度A隨濃度增大而增大，但最大吸收波長不變。三、吸光分析基本定律2022/10/27吸收曲線的討論：

①由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。三、吸光分析基本定律2022/10/27③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。

④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A

有差異，在λmax處吸光度A

的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。

⑤在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)返回三、吸光分析基本定律2022/10/27第二節(jié)顯色反應(yīng)與測量條件的選擇一、顯色反應(yīng)的要求二、顯色反應(yīng)條件的選擇三、光度測量的誤差四、測量條件的選擇

在比色分析時，對本身有顏色的物質(zhì)，可在其最大吸收波長處測得其吸光度；但若被測物質(zhì)的顏色很淺或著根本就沒有顏色，則無法使測量儀器產(chǎn)生足夠的信號。2022/10/27

顯色反應(yīng)：

為提高靈敏度，大多數(shù)物質(zhì)的吸光測定都需要在被測物質(zhì)的溶液中加入一種或幾種適當?shù)娘@色物質(zhì)，使被測物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轭伾^深的有色物質(zhì)來測定。這種使被測物質(zhì)生成有色物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)叫做顯色反應(yīng)。

M待＋R顯

→

MR

待測離子顯色劑

顯色劑：所用的反應(yīng)物稱為顯色劑。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/271、定量進行

顯色劑與被測物質(zhì)的反應(yīng)要定量進行，顯色產(chǎn)物應(yīng)具有固定的化學(xué)組成，符合一定的化學(xué)式。

例如：Fe3＋＋3ssal→Fe（ssal）33-

磺基水楊酸顯色產(chǎn)物（黃色）2、選擇性要好在顯色條件下，顯色劑盡可能不要與溶液中其它共存離子顯色，如果其它離子也和顯色劑反應(yīng)，干擾離子的影響應(yīng)容易消除。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/273、靈敏度要高

靈敏度可從摩爾吸光系數(shù)來判斷，但靈敏度高不一定選擇性好，應(yīng)全面考慮。4、顯色產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定5、顯色劑在測定波長處無明顯吸收。這樣，試劑空白值小，以提高測量準確度。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/27二、顯色反應(yīng)條件的選擇1.顯色劑用量顯色反應(yīng)：M待＋R顯→MR根據(jù)溶液平衡原理，MR的K穩(wěn)值越大，或顯色劑用量越多，越有利于待測組分生成有色產(chǎn)物MR。但用量過多有時會引起副反應(yīng)，因此，顯色劑的用量必須通過實驗確定。2022/10/27如圖為吸光度A與顯色劑用量CR關(guān)系的幾種情況。顯色劑的用量應(yīng)選擇在曲線變化平坦的范圍內(nèi)。而且對（b)要防止過量太多；對（c)必須嚴格控制顯色劑用量。二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/272.反應(yīng)體系的酸度(1)酸度對顯色劑濃度的影響大多數(shù)顯色劑是有機弱酸(HR)，酸度提高，使溶液中的HR濃度↑，而R的實際濃度↓，不利于顯色反應(yīng)進行。此外，不同酸度下，R的濃度不同，將引起有色配合物配位數(shù)的改變。例如：

Fe3＋＋ssal

pH:1.8～2.5→紅褐色Fe（ssal）＋

pH:4～8→褐色Fe（ssal）2－

pH:8～11.5

→黃色Fe（ssal）33－二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/27(2)酸度對被測離子形態(tài)的影響對某些容易水解的被測金屬離子，若酸度低于某一限度，被測離子形成羥基配合物，甚至生成氫氧化物沉淀。(3)酸度對顯色劑顏色的影響例如：H2R→H+＋HR-→H+＋R2-

黃色pH:6.9橙色pH:12.4紅色必須通過實驗結(jié)果來確定顯色反應(yīng)的pH二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/273.顯色時間因顯色反應(yīng)的時間各不相同，所以應(yīng)根據(jù)實際情況通過實驗確定。顯色后，分別在不同時間測定吸光度，作圖得吸光度與時間變化曲線。一定時間后，吸光度不再隨時間變化。此時的時間為顯色反應(yīng)時間。4.顯色溫度通過繪制A～T溫度曲線確定適宜溫度。二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/27三、光度測量的誤差1、讀數(shù)誤差（動畫）不同的透光度讀數(shù)，產(chǎn)生的誤差大小不同：

一般要求T在20%～65%之間，吸光度A=0.70～0.20。2022/10/272、偏離吸收定律引起的誤差根據(jù)朗伯－比耳定律，當一定波長的入射光強度I一定，比色皿或吸收池液層厚度b一定時，吸光度A∝有色溶液濃度c。測定中，我們將得到若干組數(shù)據(jù)標準溶液未知液

c1c2c3……c未

A1A2A3……A未三、光度測量的誤差2022/10/27然后以吸光度為從坐標，標準溶液濃度為橫坐標作圖。這時將得到一條通過原點的直線，該直線稱為標準曲線（或工作曲線）。

在相同條件下測得待測未知液的吸光度A未，從工作曲線上即可查得待測液的濃度。但是，在實際工作中，特別是在溶液濃度較高時，常會出現(xiàn)標準曲線不成直線的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為偏離朗伯－比耳定律。三、光度測量的誤差2022/10/27原因分析：(1)非單色光引起的偏離朗伯－比耳定律的基本假設(shè)條件是：入射光為單色光，但目前儀器所提供的入射光是具有一定波長范圍的波帶，而非單色光。如果單色光的純度愈差，吸光物質(zhì)的濃度愈高，則偏離愈嚴重。三、光度測量的誤差2022/10/27(2)由溶液本身的的物理、化學(xué)因素引起的偏離①物理因素例如，被測溶液為非均勻介質(zhì)，如：膠體溶液、懸浮液或乳濁液等。入射光將被微粒散射，而引起損失，使透光度減小，如果微粒發(fā)生沉淀，將使吸光度下降。溶液的折光指數(shù)，只有低濃度的溶液折光指數(shù)才為常數(shù)三、光度測量的誤差2022/10/27②化學(xué)因素溶液中吸光組分發(fā)生化學(xué)變化，如締合、離解、互變異構(gòu)等，以及與溶劑的相互作用，都將導(dǎo)致偏離朗伯－比耳定律。

如果稀釋溶液或增大溶液pH值，則平衡右移，Cr2O72-轉(zhuǎn)變成CrO42-

，吸光組分發(fā)生變化，從而偏離朗伯－比耳定律。三、光度測量的誤差2022/10/273、儀器誤差

(1)儀器穩(wěn)定性

(2)儀器精度

(3)雜散光的影響三、光度測量的誤差2022/10/27四、測量條件的選擇1.選擇適當?shù)娜肷涔獠ㄩL一般應(yīng)該選擇λmax為入射光波長，測定的靈敏度最高。但如果λmax處有共存組分干擾時，則應(yīng)考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長。如下圖中選λ3作為入射光波長較適宜。2022/10/272.控制適宜的吸光度（讀數(shù)范圍）（動畫）測定時，應(yīng)盡量使溶液透光度值在：

T=20%～65%(吸光度A=0.70～0.20)。3.選擇合適的參比溶液參比溶液：又稱空白溶液。在光度分析中，利用參比溶液調(diào)節(jié)儀器的吸光度零點，消除顯色溶液中其它有色物質(zhì)的干擾，抵消比色皿器壁及溶液對入射光的反射和器壁對光的吸收，使測得的吸光度能真正反映待測溶液吸光強度。四、測量條件的選擇2022/10/27參比溶液的選擇一般遵循以下原則：（1）若僅待測組分與顯色劑反應(yīng)產(chǎn)物在測定波長處有吸收，其它所加試劑均無吸收，用純?nèi)軇ㄋ?作參比溶液；（2）若顯色劑、試液中其它組分在測量波長處有吸收，則可在試液中加入適當掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑，作為參比溶液。返回四、測量條件的選擇2022/10/27第三節(jié)吸光光度分析的方法和儀器一、目視比色法二、光度分析法三、儀器四、分析方法2022/10/27一、目視比色法目視比色法：用眼睛比較溶液顏色的深淺來測定物質(zhì)含量的方法。

常用標準系列法。使用一套由同種材料制成的，大小形狀相同的平底玻璃管—比色管。管中分別放入一系列不同量的標準溶液和待測液。在實驗條件相同的情況下，再加入等量的顯色劑和其它試劑，稀釋至一定刻度然后觀察，比較待測液與標準溶液顏色的深淺，若待測液與某一標準溶液顏色深度一致，則兩者濃度相等；若介于了兩者之間，則取其濃度算術(shù)平均值。2022/10/27二、光度分析法光電比色法、吸光光度法統(tǒng)稱為光度分析法。

光電比色法是使用光電比色計測定溶液吸光度以進行定量分析的方法；吸光光度法是使用吸光光度計測定溶液吸光度以進行定量分析的方法。2022/10/27二者測定原理相同，所不同的只是獲得單色光的方法，前者采用濾光片，后者采用棱鏡或光柵。光度分析法與目視比色法的區(qū)別在于：目視比色法比較的是試液透光率的大小；光度分析法比較的是試液對光吸收程度（吸光度）的大小。二、光度分析法2022/10/27三、儀器1、分光光度計的結(jié)構(gòu)光電池＋檢流計光源單色器吸收池檢測系統(tǒng)721型可見分光光度計如圖所示：（動畫）2022/10/27三、儀器(1)光源可見光區(qū)：鎢燈作光源，波長在320～2500nm紫外區(qū)：氫、氘燈作光源。波長在185～400nm的連續(xù)光譜。

光源必須發(fā)出檢測光波長范圍內(nèi)的光，且強度穩(wěn)定。隨著鎢絲溫度不同，將發(fā)出不同波長的光，而鎢絲燈的溫度決定于電源電壓，電壓的微小變化會引起光強的很大波動，因此光源前需加穩(wěn)壓器。2022/10/27三、儀器(2)單色器單色器是將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。分光光度法使用棱鏡或光柵作單色器a:棱鏡原理：光通過入射狹縫，經(jīng)透鏡以一定角度射到棱鏡上，在棱鏡的兩界面發(fā)生折射而色散。色散的光經(jīng)過透鏡被聚焦，在帶有出射狹縫的表面上，移動棱鏡或移動出射狹縫的位置，就可使所需波長的光通過狹縫射到試液上。2022/10/27入射狹縫準直透鏡棱鏡會聚透鏡出射狹縫三、儀器2022/10/27三、儀器b:光柵光柵是利用光的衍射和干涉原理制成的色散元件，也是讓所需波長的光經(jīng)過狹縫照射到溶液中。要求鋁片光潔度要很高，劃痕非常多，可見光、紫外光區(qū)為15000～30000條，成本非常高。

劃痕

鋁片2022/10/27三、儀器(3)吸收池，又稱比色皿，是用光學(xué)玻璃制成的無色透明的長方體容器，用來盛放待測溶液，比色皿有各種規(guī)格，如：0.5cm、1cm、2cm、3cm、5cm等（比色皿內(nèi)壁之間的距離，即液層厚度）。若采用紫外區(qū)光度法須用石英制的吸收池。2022/10/27三、儀器(4)檢測系統(tǒng)利用光電效應(yīng)使光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，常用的有：光電池、光電管或光電信增管，另外采