第9章 吸光光度法

第九章

吸光光度法§9.1吸光光度法基本原理§9.2光度计及其基本部件§9.3显色反应与条件的选择§9.4吸光度测量条件的选择§9.5吸光光度法的应用§9.6紫外吸收光谱法简介spectrophotometry2023/11/292023/11/29吸光光度法概述吸光光度法：基于物质对光的选择性吸收的分析方法比色法可见分光光度法（visiblespectrophotometry）紫外分光光度法（ultravioletspectrophotometry）

其他2023/11/29特点：(1)具有较高的灵敏度，适用于微量组分的测定。(2)通常所测试液的浓度下限达10-5~10-6mol·L-1。(3)吸光光度法测定的相对误差约为2%~5%。(4)测定迅速，仪器操作简单，价格便宜，应用广泛(5)几乎所有的无机物质和许多有机物质的微量成分都能用此法进行测定。(6)还常用于化学平衡等的研究。2023/11/29§9.1吸光光度法基本原理9.1.1

物质对光的选择性吸收M+热M+荧光或磷光M+

h

M

*基态激发态E1

（△E）E2

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；光的互补：蓝

黄2023/11/29表9-1物质颜色与吸收光颜色的互补关系2023/11/29电子能级间跃迁电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。2023/11/29吸收曲线与最大吸收波长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；（动画）2023/11/29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。（动画）（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。2023/11/29吸收曲线的讨论：（动画）（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。2023/11/299.1.2光的吸收基本定律

──朗伯-比耳（Larnbert-Beer）定律1.朗伯—比耳定律吸光度与液层厚度

A∝b吸光度与物质浓度A∝cA∝cb（动画1）（动画2）2023/11/29式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-１；

κ：摩尔吸收系数，单位L·mol-１·cm-１；或:A=lg(I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L-１

a：吸收系数，单位L·g-１·cm-１

a与κ的关系为：

a=κ

/M（M为摩尔质量）

朗伯—比耳定律数学表达式2023/11/29透过度T

:描述入射光透过溶液的程度

T=I

/I0吸光度A与透射比T的关系:透射比T(1)吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。(2)

摩尔吸收系数κ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；(3)吸光度具有加和性。2023/11/29（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，κ仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）同一吸收物质在不同波长下的κ值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸收系数κmax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。

摩尔吸收系数κ的讨论2023/11/29（4）可作为定性鉴定的参数；（5）物质的吸光能力的度量

κmax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。κ

>105：超高灵敏；

κ

=(6～10）×104

：高灵敏；

κ

=104～103

：中等灵敏；

κ

<103：不灵敏。（6）κ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。

摩尔吸收系数ε的讨论2023/11/299.1.3偏离比耳定律的原因1.现象

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。2.引起偏离的因素（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。2023/11/29物理性因素：难以获得真正的纯单色光。

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。

2023/11/29非单色光作为入射光引起的偏离：假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：

A1＝lg（Ｉ01/Ｉt1）＝κ1

bc

A2＝lg(Ｉ02/Ｉt2）＝κ2bc故：式中：Ｉ01、Ｉ02分别为λ1、λ2的入射光强度；

Ｉt1

、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；

κ1、κ2分别为λ1、λ2的摩尔吸收系数；2023/11/29

A总=lg（Ｉ0总/Ｉt总)

=lg(I01

+Ｉ02)/(Ｉt1

+Ｉt2

）

=lg(I01

+Ｉo2)/(Ｉ01

10-κ1bc

+Ｉ02

10-κ2bc

）令：κ1-κ2=

κ

；设：Ｉ01

=Ｉ02

A总=lg(2I01)/Ｉt1(1+10-

κbc

）

=

A1+lg2-lg(1+10-

κbc

)

因实际上只能测总吸光度A总，故2023/11/29讨论：

A总=A1+lg2-lg(1＋10－

κbc

)

(1)

=0；即：κ1=κ2=κ

则：

A总

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝κbc(2)

κ

≠0

若

κ

<0；即κ2<κ1；－

κbc>0,

lg(1＋10

κbc)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。2023/11/29讨论：

(3)｜

κ

｜很小时，即κ1≈κ2：

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｜

κ

｜很小，A总

≠Ａ1

，且随着c值增大，

A总

与A1的差异愈大，表现为A-c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。

(4)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。2023/11/29讨论：

选用谱带a的复合光进行测量，得到右图的工作曲线，A与c基本呈直线关系。选用谱带b的复合光进行测量，κ的变化较大，则A随波长的变化较明显，得到的工作曲线明显偏离线性。2023/11/29(2)化学性因素朗伯—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；仅在稀溶液(c<10-2mol·L-1)时才基本符合。当溶液浓度c>10-2

mol·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。

故：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。

例：CrO42-+2H+

=Cr2O72-+H2O2023/11/29§9.2光度计及其基本部件1.分光光度计2023/11/29分光光度计2023/11/299.2.1

基本组成（动画）光源单色器样品室检测器显示2023/11/299.2.2

主要部件

1.光源

在整个紫外光区或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。

可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2023/11/292.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意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2023/11/29光栅2023/11/293.样品室

样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）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。2023/11/294.检测系统

将光强度转换成电流来进行测量。光电检测器。要求：对测定波长范围内的光有快速、灵敏的响应，产生的光电流应与照射于检测器上的光强度成正比。(1)光电管2023/11/29(2)光电二极管阵列电容器再次充电的电量与每个二极管检测到的光子数目成正比，而光子数又与光强成正比。通过测量整个波长范围内光强的变化就可得到吸收光谱。电容器充电电容器放电光照射再次充电测量周期2023/11/29§9.3显色反应与条件的选择9.3.1

显色反应的选择1.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，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求△

>60nm。2.配位显色反应

当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外—可见吸收光谱2023/11/293.氧化还原显色反应

某些元素的氧化态，如Mn（Ⅶ）、Cr（Ⅵ）在紫外或可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行显色后测定。

例如：钢中微量锰的测定，

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4＋+10SO42-＋16H+

将Mn2＋

氧化成紫红色的MnO4＋后，在525nm处进行测定。2023/11/299.3.2显色剂无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵等。有机显色剂：种类繁多偶氮类显色剂：性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大，应用最广泛。偶氮胂III、PAR等。三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等2023/11/299.3.3显色反应条件的选择1.显色剂用量

吸光度A与显色剂用量cR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。2.反应体系的酸度

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

实验确定4.溶剂2023/11/295.干扰的消除

光度分析中，共存离子如本身有颜色，或与显色剂作用生成有色化合物，都将干扰测定。（1）加入配位掩蔽剂或氧化还原掩蔽剂

使干扰离子生成无色配合物或无色离子（2）选择适当的显色条件以避免干扰

用磺基水杨酸测定Fe3+离子时,Cu2+与试剂形成黄色络合物,干扰测定，但如控制pH在2.5左右，Cu2+则不与试剂反应。（3）分离干扰离子2023/11/299.3.3三元配合物在光度分析中

的应用特性简介

由一种金属离子同时与两种不同的配位体形成的三元配合物具有下列分析特性：1.稳定，可提高分析测定的准确度和重现性

例:Ti-EDTA-H2O2三元配合物的稳定性，比Ti-EDTA和Ti-H2O2二元配合物的稳定性，分别增强约1000倍和100倍。2.比二元配合物具有更高的灵敏度和更大的对比度

灵敏度通常可提高1~2倍，有时甚至提高5倍以上。3.比二元体系具有更高的选择性

减少了金属离子形成类似配合物的可能性。2023/11/29§9.4吸光度测量条件的选择9.4.1选择适当的入射波长

一般应该选择λmax为入射光波长。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。

如图选500nm波长测定，灵敏度虽有所下降，却消除了干扰，提高了测定的准确度和选择性。2023/11/299.4.2参比溶液的选择为什么需要使用参比溶液？

测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。选择参比溶液所遵循的一般原则：⑴若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；2023/11/29⑵若显色剂或其他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、试液中其他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。2023/11/299.4.3吸光度读数范围的选择不同的透射比读数，产生的误差大小不同：

－lgT=κbc微分：－dlgT＝－0.434dlnT=-0.434T-1

dT

=κbdc两式相除得：Δc/c不仅与仪器的透射比误差ΔT有关，而且与其透射比读数T的值也有关。是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？2023/11/29最佳读数范围与最佳值:设：ΔT=1%，Δc/c~T关系曲线T在20%～65%之间时,浓度相对误差较小，最佳读数范围浓度相对误差最小时的透射比Tmin为：

Tmin＝36.8%,Amin＝0.434

通过改变吸收池厚度或待测液浓度，使吸光度读数处在适宜范围。普通分光光度法不适于高含量或极低含量物质的测定。2023/11/29§9.5吸光光度法的应用9.5.1普通分光光度法1.单组分的测定

A-c

标准曲线法定量测定。2.多组分的同时测定

⑴各组分的吸收曲线不重叠

⑵各组分的吸收曲线互有重叠根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。

Aλ1

=κaλ1

bca＋κbλ1bcb

Aλ2

=κaλ2

bca＋κbλ2bcb

2023/11/299.5.2高含量组分的测定──示差法设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs<cx)。则：

Ax=κb

cx

As=κbcs

Ar=ΔＡ=Ａx－Ａs=κb(cx－cs）=κbΔc绘制Ar

~Δc工作曲线，再根据cx=cs+Δc计算试样浓度。2023/11/29示差法为什么能较准确地测定高浓度组分呢？普通光度法:

cs:Ts=10%，cx

:Tx=5%，示差法:

cs

:Ts=100%，cx:Tr=50%，

透射比读数标尺扩大了十倍。读数落入适宜读数范围内，提高了测量的准确度。2023/11/29示差法的浓度相对误差：

随着参比溶液浓度增加，即Ts减小，浓度相对误差减小。示差法要求仪器光源有足够的发射强度或能增大光电流放大倍数，以便能调节参比溶液透射比为100%。2023/11/299.5.3光度滴定

光度测量用来确定滴定终点。灵敏，并可克服目视滴定法中的干扰。终点由直线外推法得到，可用于平衡常数较小的滴定反应。2023/11/299.5.4酸碱离解常数的测定用于测定对光有吸收的弱酸（碱）的离解常数。

HL=H++L-

(1)配制一系列总浓度(c)相等，而pH不同的HL溶液(2)测定各溶液的pH值。(3)在酸式(HL)或碱式(L-)最大吸收波长处，测吸光度。2023/11/29根据分布系数的概念(4)假设高酸度时，弱酸全部以酸式形式存在，则:

AHL=κHLc(5)在低酸度时，弱酸全部以碱式形式存在，则:

AL=κLc2023/11/29光度法测定一元弱酸离解常数的基本公式。2023/11/299.5.5配合物组成及稳定常数的测定摩尔比法

M+nL=MLn(1)测定金属离子浓度cM固定，而配位体浓度cL逐渐改变的不同溶液的吸光度。作图(2)当cL/cM＜n时，配位不完全当cL/cM＞n时，配位完全2023/11/299.5.6双波长分光光度法两束光交替照射：试液本身作参比液。主要应用：(1)多组分混合物的测定(2)混浊样品的测定(3)反应动力学过程研究2023/11/29§9.6紫外吸收光谱法简介

9.6.1有机化合物电子跃迁的类型

有机化合物三种价电子：σ、π、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道→反键轨道。外层电子均处于分子轨道的基态(成键或非键轨道)。外层电子吸收紫外或可见辐射后，从基态向激发态(反键轨道)跃迁。四种跃迁:

n→π＊<π→π＊<n→σ＊

<σ→σ＊2023/11/291.σ→σ＊跃迁

所需能量最大。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(λmax<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。2.n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，远紫外区。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λmax分别为173nm、183nm和227nm。2023/11/293.π→π＊跃迁所需能量较小，近紫外区，κmax>104L·mol

-1·cm-1以上，强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳类均可发生该类跃迁。乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，κmax为:1×104L·mol-1·cm-1共轭烯炔中的跃迁的吸收峰称K吸收带。苯环上的跃迁产生三个谱带：E1带（λmax

~180nm，κmax＞104），E2带（λmax

~200nm，κmax~104）和B带（λmax

~278nm，κmax=10~103）。用于芳香化合物的鉴别。2023/11/294.n→π＊

跃迁需能量最低，吸收波长λmax>200nm。属禁阻跃迁。摩尔吸收系数：10～100L·mol-1·cm-1，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＊