紫外-可見分光光度法基本原理

紫外-可見分光光度法基本原理【任務(wù)分析】物質(zhì)的顏色與光有密切關(guān)系，例如藍(lán)色硫酸銅溶液放在鈉光燈（黃色）下就呈黑色；如果將它放在暗處，則什么顏色也看不到了?？梢姡镔|(zhì)的顏色不僅與物質(zhì)本質(zhì)有關(guān)，也與有無光照和光的組成有關(guān)，因此為了深入了解物質(zhì)對光的選擇性吸收，首先對光的基本性質(zhì)應(yīng)有所了解?！局R鏈接】1、紫外一可見分光光度法分類我們知道，許多物質(zhì)都具有顏色，例如高錳酸鉀水溶液呈紫色，重鉻酸鉀水溶液呈橙色。當(dāng)含有這些物質(zhì)的溶液的濃度改變時(shí)，溶液顏色的深淺度也會隨之變化，溶液愈濃，顏色愈深。因此利用比較待測物顏色或加入試劑后呈現(xiàn)的顏色的深淺來測定溶液中待測物質(zhì)的濃度的方法就稱為比色分析法虹。這種方法僅在可見光區(qū)適用。比色分析中根據(jù)所用檢測器的不同分為目視比色法和光電比色法。以人的眼睛來檢測顏色深淺的方法稱目視比色法；以光電轉(zhuǎn)換器件（如光電池）為檢測器來區(qū)別顏色深淺的方法稱光電比色法。隨著近代測試儀器的發(fā)展，目前已普遍使用分光光度計(jì)進(jìn)行。應(yīng)用分光光度計(jì)，根據(jù)物質(zhì)對不同波長的單色光的吸收程度不同而對物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法稱分光光度法（又稱吸光光度法）。分光光度法中，按所用光的波譜區(qū)域不同又可分為可見分光光度法(400～780nm)、紫外分光光度法(200～400nm)和紅外分光光度法(3×l03～3×l04nm)。其中紫外分光光度法和可見分光光度法合稱紫外一可見分光光度法。2、光的基本知識物質(zhì)的顏色與光有密切關(guān)系，例如藍(lán)色硫酸銅溶液放在鈉光燈（黃光）下就呈黑色；如果將它放在暗處，則什么顏色也看不到了?？梢?，物質(zhì)的顏色不僅與物質(zhì)本質(zhì)有關(guān)，也與有無光照和光的組成有關(guān)，因此為了深入了解物質(zhì)對光的選擇性吸收，首先對光的基本性質(zhì)應(yīng)有所了解。光是一種電磁波，具有波動性和粒子性。光既是一種波，因而它具有波長()和頻率()；光也是一種粒子，它具有能量(E)。不同波長的光能量不同，波長愈長，能量愈小，波長愈短，能量愈大。具有同一種波長的光，稱為單色光。純單色光很難獲得，激光的單色性雖然很好，但也只接近于單色光。含有多種波長的光稱為復(fù)合光，白光就是復(fù)合光，例如日光、白熾燈光等人的眼睛對不同波長的光的感覺是不一樣的。凡是能被肉眼感覺到的光稱為可見光，其波長范圍為400～780nm，凡波長小于400nm的紫外光或波長大于780nm的紅外光均不能被人的眼睛感覺出，所以這些波長范圍的光是看不到的。在可見光的范圍內(nèi)，不同波長的光刺激眼睛后會產(chǎn)生不同顏色的感覺，但由于受到人的視覺分辨能力的限制，實(shí)際上是幾個(gè)波段的光給人引起一種顏色的感覺。日常見到的日光、白熾燈光等白光就是由這些波長不同的有色光混合而成的。這可以用一束白光通過棱鏡后色散為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光來證實(shí)。如果把適當(dāng)顏色的兩種光按一定強(qiáng)度比例混合，也可成為白光，這兩種顏色的光稱為互補(bǔ)色光。圖3-13為互補(bǔ)色光示意圖。圖中處于直線關(guān)系的兩種顏色的光即為互補(bǔ)色光，如綠色光與紫紅色光互補(bǔ)，藍(lán)色光與黃色光互補(bǔ)等，它們按一定強(qiáng)度比混合都可以得圖3-13互補(bǔ)色光示意圖到白光，所以日光等白光實(shí)際上是由一對對互補(bǔ)色光按適當(dāng)強(qiáng)度比混合而成。圖3-13互補(bǔ)色光示意圖3、物質(zhì)顏色的產(chǎn)生的原因當(dāng)一束白光通過某透明溶液時(shí)，如果該溶液對可見光區(qū)各波長的光都不吸收，即入射光全部通過溶液，這時(shí)看到的溶液透明無色。當(dāng)該溶液對可見光區(qū)各種波長的光全部吸收時(shí)，此時(shí)看到的溶液呈黑色。若某溶液選擇性地吸收了可見光區(qū)某波長的光，則該溶液即呈現(xiàn)出被吸收光的互補(bǔ)色光的顏色。例如，當(dāng)一束白光通過KMnO4溶液時(shí)，該溶液選擇性地吸收了500～560nm的綠色光，而將其他的色光兩兩互補(bǔ)成白光而通過，只剩下紫紅色光未被互補(bǔ)，所以KMnO4溶液呈現(xiàn)紫紅色。同樣道理,K2CrO4溶液對可見光中的藍(lán)色光有最大吸收，所以溶液呈藍(lán)色的互補(bǔ)光--黃色：可見物質(zhì)的顏色是基于物質(zhì)對光有選擇性吸收的結(jié)果，而物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色則是被物質(zhì)吸收光的互補(bǔ)色。4、物質(zhì)的吸收光譜曲線吸收光譜曲線是通過實(shí)驗(yàn)獲得的，具體方法是：將不同波長的光依次通過某一固定濃度和厚度的有色溶液，分別測出它們對各種波長光的吸收程度（用吸光度A表示），以波長為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，畫出曲線，此曲線即稱為該物質(zhì)的光吸收曲線（或吸收譜曲線），它描述了物質(zhì)對不同波長光的吸收程度。圖3-14所示的是三種不同濃度的KMnO4溶液的三條光吸收曲線。1-c(KMnO4)=1.56×10-4mol·L-12-c(KMnO4)=3.12×10-4mol·L-13-c(KMnO4)=4.68×10-4mol·L-1圖3-14KMnO41-c(KMnO4)=1.56×10-4mol·L-12-c(KMnO4)=3.12×10-4mol·L-13-c(KMnO4)=4.68×10-4mol·L-1圖3-14KMnO4溶液的光吸收曲線②不同濃度的高錳酸鉀溶液，其吸收曲線的形狀相似，最大吸收波長也一樣。所不同的是吸收峰峰高隨濃度的增加而增高。③不同物質(zhì)的吸收曲線，其形狀和最大吸收波長都各不相同。因此，可利用吸收曲線來作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)。5、朗伯一比爾定律當(dāng)一束平行的單色光垂直照射到一定濃度的均勻透明溶液時(shí)，溶液吸收的程度與溶液厚度的關(guān)系為式中，為入射光通量；為通過溶液后透射光通量；b為溶液液層厚度，或稱光程長度；k為比例常數(shù)，它與入射光波長、溶液性質(zhì)、濃度和溫度有關(guān)。這就是朗伯(S．H.Lambert)定律。表示溶液對光的透射程度，稱為透射比，用符號表示。透射比愈大說明透過的光愈多。而是透射比的倒數(shù)，它表示入射光一定時(shí)，透過光通量愈小，即愈大，光吸收愈多。所以表示了單色光通過溶液時(shí)被吸收的程度，通常稱為吸光度，用A表示，即A===當(dāng)一束平行單色光垂直照射到同種物質(zhì)不同濃度、相同液層厚度的均勻透明溶液時(shí)，入射光通量與溶液濃度的關(guān)系為式中，為另一比例常數(shù)，它與入射光波長、液層厚度、溶液性質(zhì)和溫度有關(guān)；c為溶液濃度。這就是比爾(Beer)定律。比爾定律表明：當(dāng)溶液液層厚度和入射光通量一定時(shí)，光吸收的程度與溶液濃度成正比。必須指出的是：比爾定律只能在一定濃度范圍才適用。因?yàn)闈舛冗^低或過高時(shí)，溶質(zhì)會發(fā)生電離或聚合而產(chǎn)生誤差。當(dāng)溶液厚度和濃度都可改變時(shí)，這時(shí)就要考慮兩者同時(shí)對透射光通量的影響，則有A===（3-1）式中，K為比例常數(shù)，與入射光的波長、物質(zhì)的性質(zhì)和溶液的溫度等因素有關(guān)。這就是朗伯一比爾定律，即光吸收定律。它是紫外一可見分光光度法進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)。光吸收定律表明：當(dāng)一束平行單色光垂直入射通過均勻、透明的吸光物質(zhì)的稀溶液時(shí)，溶液對光的吸收程度與溶液的濃度及液層厚度的乘積成正比。朗伯一比爾定律應(yīng)用的條件：一是必須使用單色光；二是吸收發(fā)生在均勻的介質(zhì)；三是吸收過程中，吸收物質(zhì)互相不發(fā)生作用。6、吸光系數(shù)式(3-1)中比例常數(shù)K稱為吸光系數(shù)。其物理意義是：單位濃度的溶液液層線厚度為lcm時(shí)，在一定波長下測得的吸光度。K值的大小取決于吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長、溶液溫度和溶劑性質(zhì)等，與溶液濃度大小和液層厚度無關(guān)。但K值大小因溶液濃度所采用的單位的不同而異。摩爾吸光系數(shù)：當(dāng)溶液的濃度以物質(zhì)的量濃度(mol/L)表示，液層厚度以厘米(cm)表示時(shí)，相應(yīng)的比例常數(shù)K稱為摩爾吸光系數(shù)，以表示，其單位為L·mol-1·cm-1。這樣，式(2—8)可以改寫成：摩爾吸光系數(shù)的物理意義是：濃度為lmol/L的溶液，于厚度為lcm的吸收池中，在一定波長下測得的吸光度。摩爾吸光系數(shù)是吸光物質(zhì)的重要參數(shù)之一，它表示物質(zhì)對某一特定波長光的吸收能力。越大，表示該物質(zhì)對某波長光的吸收能力愈強(qiáng)，測定的靈敏度也就愈高。因此，測定時(shí)，為了提高分析的靈敏度，通常選擇摩爾吸光系數(shù)大的有色化合物進(jìn)行測定，選擇具有最大值波長的光作入射光。摩爾吸光系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測得。在實(shí)際測量中，不能直接取1mol/L這樣高濃度的溶液去測量摩爾吸光系數(shù)，只能在稀溶液中測量后，換算成摩爾吸光系數(shù)。7、吸光度的加和性多組分的體系中，在某一波長下，．如果各種對光有吸收的物質(zhì)之間沒有相互作用，則體系在該波長的總吸光度等于各組分吸光度的和，即吸光度具有加和性，稱為吸光度加和性原理?？杀硎救缦?、影響吸收定律的主要因素根據(jù)吸收定律，在理論上，吸光度對溶液濃度作圖所得的直線的截距為零，斜率為。實(shí)際上吸光度與濃度關(guān)系有時(shí)是非線性的，或者不通過零點(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為偏離光吸收定律。圖3-15偏離吸收定律圖3-16入射光的非單色性對吸收定律的影響如果溶液的實(shí)際吸光度比理論值大，則為正偏離吸收定律；吸光度比理論值小，為負(fù)偏離吸收定律，如圖3-15所示。引起偏離吸收定律的原因主要有下面幾方面。(1)入射光非單色性引起偏離：吸收定律成立的前提是入射光是單色光。但實(shí)際上，一般單色器所提供的入射光并非是純單色光，而是由波長范圍較窄的光帶組成的復(fù)合光。而物質(zhì)對不同波長的吸收程度不同（即吸光系數(shù)不同），因而導(dǎo)致了對吸光定律的偏離。入射光中不同波長的摩爾吸光系數(shù)差別愈大，偏離吸收定律就愈嚴(yán)重：實(shí)驗(yàn)證明，只要所選的入射光，其所含的波長范圍在被測溶液的吸收曲線較平坦的部分，偏離程度就要小。(2)溶液的化學(xué)因素引起偏離：溶液中的吸光物質(zhì)因離解、締合，形成新的化合物而改變了吸光物質(zhì)的濃度，導(dǎo)致偏離吸收定律。因此，測量前的化學(xué)預(yù)處理工作十分重要，如控制好顯色反應(yīng)條件，控制溶液的化學(xué)平衡等，以防止產(chǎn)生偏離。(3)比爾定律的局限性引起