光吸收曲線與物質(zhì)特性有關(guān)課件

第八章分光光度法分光光度法：也叫吸光光度法，是基于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的分析方法，包括比色法、可見及紫外分光光度法及紅外光譜法等。本章重點(diǎn)討論可見光區(qū)的吸光光度法。一、概述1、光的基本性質(zhì)(1)光具有二象性：波動(dòng)性和粒子性光是一種電磁波，按照波長(zhǎng)或頻率排列可得到下表所示的電磁波譜表：波譜名稱波長(zhǎng)范圍分析方法

射線0.005~0.17nm中子活化分析,莫斯鮑爾譜法X射線0.1~10nmX射線光譜法遠(yuǎn)紫外10~200nm真空紫外光譜法近紫外200~400nm紫外光譜法可見光400~750nm比色法,可見吸光光度法近紅外0.75~2.5m紅外光譜法中紅外2.5~50m紅外光譜法遠(yuǎn)紅外50~1000m紅外光譜法微波1~1000mm微波光譜法射頻1~1000m核磁共振光譜法

波動(dòng)性是指光按波動(dòng)形式傳播。光的波長(zhǎng)λ，頻率ν與速度c的關(guān)系為：λν=c

粒子性是指光是由光量子或光子所組成的。光量子的能量與波長(zhǎng)的關(guān)系為：E=hν

短波的能量大，長(zhǎng)波的能量小。光具有波粒二象性：E=hν=hc/λ結(jié)論：一定波長(zhǎng)的光具有一定的能量，波長(zhǎng)越長(zhǎng)(頻率越低)，光量子的能量越低，反之，波長(zhǎng)越短(頻率越高)，光量子的能量越高。(2)單色光和復(fù)合光單色光：具有相同能量(相同波長(zhǎng))的光。復(fù)合光：由不同單色光組成的光。例如：陽光和白熾燈發(fā)出的光均為復(fù)合光(3)可見光和互補(bǔ)光可見光：指人的眼睛所能感覺到的光，包括的波長(zhǎng)范圍為：400~750nm。互補(bǔ)光：將兩中適當(dāng)顏色的光按一定的強(qiáng)度比例混合，如果能形成白光，則這兩種光稱為互補(bǔ)光。/nm顏色互補(bǔ)光400-450紫黃綠450-480藍(lán)黃480-490綠藍(lán)橙490-500藍(lán)綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍(lán)610-650橙綠藍(lán)650-760紅藍(lán)綠2、吸收光譜的產(chǎn)生①吸收光譜的分類吸收光譜有原子吸收光譜和分子吸收光譜。原子吸收光譜：由原子外層電子選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的電磁波而引起的。原子光譜通常為線狀。原子吸收分光光度法：根據(jù)原子具有選擇性地吸收電磁波的這種性質(zhì)建立起來的方法。分子吸收光譜：由分子選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的電磁波而引起的。分子的電子光譜通常呈帶狀。分子結(jié)構(gòu)多樣性，導(dǎo)致分子吸收光譜的的復(fù)雜性。其吸收光譜有紅外光譜，紫外可見光譜，核磁共振譜等。②物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收一種物質(zhì)呈現(xiàn)何種顏色，是與入射光的組成和物質(zhì)本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)。溶液呈現(xiàn)不同的顏色是由溶液中的質(zhì)點(diǎn)（離子或分子）對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收而引起的。當(dāng)白光通過某一有色溶液時(shí)，該溶液會(huì)選擇性地吸收某些波長(zhǎng)(wavelength)的光而讓未被吸收的光透射過，即溶液呈現(xiàn)透射光的顏色，亦即呈現(xiàn)的是它吸收光的互補(bǔ)光的顏色。例如：KMnO4溶液能選擇吸收了白光中的綠光，與綠色光互補(bǔ)的紫色光因未被吸收而透過溶液，所以KMnO4溶液呈現(xiàn)紫色。物質(zhì)顏色和吸收顏色的關(guān)系580～600黃藍(lán)500～560綠紫紅450～480藍(lán)黃650～750紅藍(lán)綠560～580黃綠紫480～490綠藍(lán)橙波長(zhǎng)范圍/nm顏色600～650橙綠藍(lán)490～500藍(lán)綠紅400～450紫黃綠吸收光物質(zhì)顏色③吸收曲線用不同波長(zhǎng)(400-720nm)的光，照射某一吸光物質(zhì)的溶液；測(cè)吸光度(A)，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)得到的一條曲線，直觀地表示出物質(zhì)對(duì)光的吸收特征。它反映某溶液對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的吸收程度。在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度，則靈敏度最高。

不同物質(zhì)吸收光譜的形狀以及max不同——定性分析的基礎(chǔ)。

同一物質(zhì)，濃度不同時(shí)，吸收光譜的形狀相同，Amax

不同——定量分析的基礎(chǔ)。Cr2O72-、MnO4-的吸收光譜

(AbsorptionspectraofCr2O72-、MnO4-)400500600700/nm300525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350440nmKMnO4溶液的吸收曲線吸收曲線(absorptionspectrum)的討論1）同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)(max)2）同一物質(zhì)不同濃度的溶液，光吸收曲線形狀相似，其最大吸收波長(zhǎng)不變；但在一定波長(zhǎng)處吸光度隨溶液的濃度的增加而增大。這個(gè)特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。在實(shí)際測(cè)定時(shí)，只有在λmax處測(cè)定吸光度，其靈敏度最高，因此，吸收曲線是吸光光度法中選擇測(cè)量波長(zhǎng)的依據(jù)。3）不同物質(zhì)吸收曲線的形狀和最大吸收波長(zhǎng)均不相同。光吸收曲線與物質(zhì)特性有關(guān)，故據(jù)此可作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)。3、比色法與分光光度法的特點(diǎn)比色法和分光光度法主要應(yīng)用于測(cè)定試樣中微量組分的含量，它們的特點(diǎn)是：

①靈敏度高。常用于測(cè)定試樣中1－10-3％的微量組分；

②準(zhǔn)確度較高。比色法的相對(duì)誤差為5－10％，分光光度法為2－5％；

③應(yīng)用廣泛。大多無機(jī)離子和許多有機(jī)化合物都可以直接或間接地用比色法或分光光度法進(jìn)行測(cè)定；

④操作簡(jiǎn)便、快速。光吸收的基本定律一、朗伯-比耳定律1.朗伯-比耳定律如圖所示，當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的平行單色光垂直照射到單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時(shí)，溶質(zhì)吸收了光能，光的強(qiáng)度就要減弱。令通過吸光物質(zhì)溶液后光的強(qiáng)度為I:

透光度(透射比）T：

T=I/I0

溶液的透光率愈大，表示它對(duì)光的吸收愈??；相反，透光率愈小；表示它對(duì)光的吸收愈大。吸光度A與溶液的透光率的關(guān)系為A=lg(1/T)=-lgT=lg(I0/I)=kbc實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：溶液的濃度c愈大，液層厚度b愈厚，入射光愈強(qiáng)，則光吸收得愈多，且滿足A=lg(1/T)=-lgT=lg(I0/I)=kbc式中：A為吸光度；T為透光度，T=I/I0；I0為入射光強(qiáng)度，I為透射光強(qiáng)度；k為比例系數(shù)，k與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長(zhǎng)及溫度等有關(guān)；c為吸光物質(zhì)濃度；b為吸收層厚度。上式就被稱為朗伯－比爾定律。比色和分光光度法及其儀器一、目視比色法用眼睛觀察、比較溶液顏色深度以確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。常用的目視比色法是標(biāo)準(zhǔn)系列法。（1）制作標(biāo)準(zhǔn)色階：將一系列不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液依次加入各比色管中，再分別加入等量的顯色劑及其他試劑，最后稀釋至同樣體積。（2）待測(cè)組分顯色：將一定量被測(cè)試液置于另一比色管中,在同樣條件下進(jìn)行顯色，并稀釋至同樣體積。（3）目視比色：從管口垂直向下或從比色管側(cè)面觀察，若試液與標(biāo)準(zhǔn)系列中某溶液的顏色深度相同，則此兩溶液的濃度相等；如果試液顏色深度介于兩標(biāo)準(zhǔn)溶液之間，則試液濃度也就介于這兩者之間。12481632x觀察方向1、目視比色法的原理推導(dǎo)如下：設(shè)照射光的強(qiáng)度為I0，透過標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液后的光強(qiáng)度分別為I標(biāo)

和I試，當(dāng)溶液顏色深度相同時(shí)：

I標(biāo)＝I試，即：

ε1b1C1＝ε2b2C2由于ε1＝ε2；且液層厚度相等，b1＝b2，所以：C1＝C2。2、標(biāo)準(zhǔn)系列法的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)儀器簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，適宜于大批試樣分析。

(2)測(cè)定的靈敏度高，適宜稀溶液中微量物質(zhì)的測(cè)定。

(3)某些顯色反應(yīng)不符合朗伯-比耳定律時(shí)，仍可用目視比色法進(jìn)行測(cè)定。主要缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度較差，相對(duì)誤差約為5—20％。不同人看，結(jié)果不同。常用于限界分析。二、光電比色法1、概述光電比色法是借助光電比色計(jì)來測(cè)量一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后根據(jù)被測(cè)試液的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上求得被測(cè)物質(zhì)的濃度或含量。光電比色法與目視比色法的區(qū)別：(1)光電比色法是比較有色溶液對(duì)某一波長(zhǎng)光的吸收情況；目視比色法則是比較透過光的強(qiáng)度。(2)與目視比色法比較，光電比色法有下述優(yōu)點(diǎn)：

①

用光電池代替人的眼睛進(jìn)行測(cè)量，提高了準(zhǔn)確度。

②

當(dāng)有某些有色物質(zhì)共存時(shí)，可用適當(dāng)濾光片或參比溶液來消除干擾，提高了選擇性。2、光電比色計(jì)目前普遍使用的是國產(chǎn)581-G型光電比色計(jì)。由光源發(fā)出的光，通過比色皿和濾光片后，照射到光電池上，產(chǎn)生的光電流引起檢流計(jì)的光標(biāo)移動(dòng)，在標(biāo)尺上讀取吸光度．通常采用懸鏡式光點(diǎn)反射檢流計(jì)。它的靈敏度高，每格約為10-9A。光電比色計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，如下：光電比色計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖通過濾光片(filter)得一窄范圍的光(幾十nm)特點(diǎn)：靈敏度和準(zhǔn)確度較差三、分光光度法與光電比色法的原理相同，只是二者獲得單色光的方法不同，前者使用濾光片，后者使用棱鏡、光柵。因而分光度法比光電比色法的準(zhǔn)確度和選擇性好。1、分光光度法的特點(diǎn)：

(1)用分光光度法可以得到精確細(xì)致的吸收光譜曲線。選擇波長(zhǎng)，可減小對(duì)朗伯-比耳定律的偏離。分光光度計(jì)一般比較精密，分析結(jié)果的準(zhǔn)確度高；

(2)利用吸光度的加和性可以同時(shí)測(cè)定溶液中兩種或兩種以上的組分；

(3)擴(kuò)大了入射光的波長(zhǎng)范圍。2、分光光度計(jì)分光光度計(jì)一般按工作波長(zhǎng)范圍分類。紫外、可見分光光度計(jì)主要應(yīng)用于無機(jī)物和有機(jī)物含量的測(cè)定，紅外分光光度計(jì)主要用于結(jié)構(gòu)分析。分

類工作范圍nm光源單色器接受器國產(chǎn)型號(hào)可見分光光度計(jì)420—700鎢燈玻璃棱鏡硒光電池72型360—700鎢燈玻璃棱鏡光電管721型紫外、可見和近紅外分光光度計(jì)200—1000氫燈及鎢燈石英棱鏡或光柵光電管或光電倍增管751型WFD-8型紅外分光光度計(jì)760—40000硅碳捧或輝光燈巖鹽或螢石棱鏡熱電堆或測(cè)輻射熱器WFD-3型WFD-7型(1)光源光源的作用：發(fā)出所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有足夠的光強(qiáng)度，穩(wěn)定?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)紫外區(qū)：氫燈，氘燈(180～375nm)(2)單色器單色器的作用：從光源的連續(xù)光譜中，分出某一波長(zhǎng)范圍的光，作為吸光光度分析的光源。棱鏡：玻璃350～3200nm，石英185～4000nm；光柵：波長(zhǎng)范圍寬，色散均勻，分辨性能好，使用方便棱鏡：依據(jù)不同波長(zhǎng)光通過棱鏡時(shí)折射率不同

入射狹縫準(zhǔn)直透鏡棱鏡聚焦透鏡

出射狹縫白光紅紫λ1λ2800600500400棱鏡分光示意圖M1M2出射狹縫光屏透鏡平面透射光柵光柵衍射示意圖光柵工作原理：利用光通過光柵時(shí)發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。(3)吸收池（比色皿）比色皿用于盛參比溶液和被測(cè)試液。一般為長(zhǎng)方形。同樣厚度比色皿之間的透光率相差應(yīng)小于0.5%。玻璃—能吸收紫外光，僅適用于可見光區(qū)石英—不吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)(4)檢測(cè)器利用光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換成電流訊號(hào)。常用的是：光電池，光電管，光電倍增管。(5)檢流計(jì)低檔儀器：刻度顯示；中高檔儀器：數(shù)字顯示，自動(dòng)掃描記錄。硒光電池紅敏管625-1000nm藍(lán)敏管200-625nm光電管

國產(chǎn)72型分光光度計(jì)，是目前實(shí)驗(yàn)室中普遍使用的單光束分光光度計(jì)，由磁飽和穩(wěn)壓器、單色光器和檢流計(jì)組成。

722型分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)方框圖光源吸收池檢測(cè)系統(tǒng)分光系統(tǒng)顯示系統(tǒng)單光束分光光度計(jì)

特點(diǎn)：使用時(shí)來回拉動(dòng)吸收池→移動(dòng)誤差對(duì)光源要求高，比色池配對(duì)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。主要適用于定量分析，不適用于作定性分析。分光光度計(jì)工作原理演示（點(diǎn)擊播放）2．雙光束分光光度計(jì)特點(diǎn)：不用拉動(dòng)吸收池，可以減小移動(dòng)誤差，對(duì)光源要求不高，可以自動(dòng)掃描吸收光譜。雙光束分光光度計(jì)是自動(dòng)比較了透過參比溶液和樣品溶液的光的強(qiáng)度，它不受光源（電源）變化的影響。雙光束分光光度計(jì)還能進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，并自動(dòng)記錄下各波長(zhǎng)下的吸光度，很快就可得到試液的吸收光譜。所以能用于定性分析。光源單色器單色器檢測(cè)器切光器狹縫吸收池雙光束雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)3．雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)

特點(diǎn)：利用吸光度差值定量消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差雙波長(zhǎng)分光光度法：21XAY∵∴Y的存在不干擾X的測(cè)定顯色反應(yīng)及其影響因素一、顯色反應(yīng)和顯色劑

1、顯色反應(yīng)在光度分析中將試樣中的待測(cè)組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)。顯色反應(yīng)一般分為兩大類：一類是配位反應(yīng)；另一類是氧化還原反應(yīng)。Fe3＋＋SCN－

=FeSCN－；Mn2＋－5e＋4H2O=MnO4－＋8H＋在這兩類反應(yīng)中，用得較多的是配位反應(yīng)。

2、顯色劑

與待測(cè)組分生成有色化合物的試劑叫顯色劑。分為無機(jī)顯色劑和有機(jī)顯色劑兩大類。(1)

無機(jī)顯色劑無機(jī)顯色劑生成的絡(luò)合物不夠穩(wěn)定，靈敏度和選擇性也不高。(2)有機(jī)顯色劑大多數(shù)有機(jī)顯色劑常與金屬離子生成穩(wěn)定的螯合物，顯色反應(yīng)的選擇性和靈敏度都較高。有些有色螯合物易溶于有機(jī)溶劑，故可進(jìn)行萃取比色，進(jìn)一步提高測(cè)定的靈敏度和選擇性。有機(jī)顯色劑的種類極其繁多。

3、常見的有機(jī)顯色劑：①磺基水楊酸磺基水楊酸可與很多高價(jià)離子生成穩(wěn)定的螯合物，主要用于測(cè)定Fe3+。②丁二酮肟在NaOH堿性溶液中，有氧化劑存在時(shí)，試劑與Ni(IV)生成可溶性紅色絡(luò)合物。λmax=470nm，ε=1.3×104

OHCOOHSO3H磺基水楊酸CH3－C－C－CH3HO－NN－OH＝＝丁二酮肟③1，10-二氮菲是目前測(cè)定微量Fe3+的較好試劑。用還原劑先將Fe3+還原為Fe2+，然后在pH=3－9的條件下，F(xiàn)e2+與試劑作用，生成穩(wěn)定的桔紅色絡(luò)合物。λmax=508nm，ε=1.1×104。④二苯硫腙

是目前萃取比色測(cè)定Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等很多重金屬離子的重要試劑?？刂扑岫燃凹尤胙诒蝿梢韵亟饘匐x子之間的干擾，提高反應(yīng)的選擇性。NN鄰二氮菲NHNHNSN二苯硫腙4、顯色反應(yīng)一般應(yīng)滿足下列要求：

①選擇性好，干擾少，或干擾容易消除；

②靈敏度足夠高。吸光光度法一般用于微量組分的測(cè)定，故顯色反應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)要大；

③有色化合物的組成恒定，符合一定的化學(xué)式；

④有色化合物的化學(xué)性質(zhì)應(yīng)足夠穩(wěn)定；

⑤有色化合物與顯色劑之間的顏色差別即“反襯度（對(duì)比度）”要大，一般要求△λ在約60nm以上。

⑥顯色條件易于控制，重現(xiàn)性好。二、影響顯色反應(yīng)的因素1、顯色劑的用量顯色劑用量對(duì)顯色反應(yīng)主要有有三種情況，如圖(a)、(b)、(c)所示。

(a)曲線中，測(cè)定時(shí)濃度要大于c1。

(b)曲線中當(dāng)顯色劑濃度繼續(xù)增大時(shí)，吸光度反而下降，此時(shí)，必須嚴(yán)格控制顯色劑的量，測(cè)定時(shí)濃度c1<c<c2。(c)曲線中，當(dāng)顯色劑的濃度不斷增大時(shí)，吸光度不斷增大。此時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格地控制顯色劑的量。

實(shí)驗(yàn)的方法：固定待測(cè)組分的濃度和其它條件，分別加入不同量的顯色劑，分別測(cè)定它們的吸光度，以吸光度為縱坐標(biāo)，顯色劑用量為橫坐標(biāo)作圖，可得到吸光度—顯色劑用量的曲線。然后根據(jù)曲線確定顯色劑的用量。2、溶液的酸度酸度對(duì)顯色反應(yīng)主要有以下幾方面的影響：(1)影響顯色劑的平衡濃度和顏色顯色劑多為有機(jī)弱酸，增大溶液的酸度，將對(duì)顯色反應(yīng)不利。許多顯色劑具有酸堿指示劑的性質(zhì)，在不同的酸度下有不同的顏色。(2)影響被測(cè)金屬離子的存在狀態(tài)大部分金屬離子容易水解，當(dāng)溶液的酸度降低時(shí)，可能形成一系列氫氧基或多核氫氧基絡(luò)離子,不利于顯色反應(yīng)。(3)影響絡(luò)合物的組成對(duì)于生成逐級(jí)絡(luò)合物的顯色反應(yīng)，酸度不同，絡(luò)合物的絡(luò)合比不同，其顏色會(huì)不同。3、顯色溫度顯色反應(yīng)大多在室溫下進(jìn)行。有些顯色反應(yīng)必需加熱。應(yīng)該注意的是，許多有色化合物在溫度較高時(shí)容易分解。4、顯色時(shí)間有些顯色反應(yīng)瞬間完成，溶液顏色很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并較長(zhǎng)時(shí)間保持不變；有些顯色反應(yīng)雖能迅速完成，但有色絡(luò)合物的顏色很快開始褪