第八章吸光光度法.ppt

2020 2 18 1 第八章吸光光度法 8 1概述8 2光吸收定律8 3显色反应及其影响因素8 4光度测量误差和测量条件的选择8 5吸光光度法的应用 本章重点和难点 2020 2 18 3 8 1 概述 Spectrophotometry 吸光光度法 在光谱分析中 依据物质对光的选择性吸收而建立起来的仪器分析方法 主要有 比色法 红外吸收光谱 分子振动光谱 吸收光波长范围2 5 1000 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200 400nm 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400 750nm 主要用于有色物质的定量分析 本章主要讲授可见吸光光度法 2020 2 18 4 比色法 利用比较溶液颜色的深浅来确定物质的浓度 许多物质具有颜色 还有些物质能形成颜色 例如 KMnO4粉红K2Cr2O7橙黄CuSO4蓝FeSCN2 血红颜色深浅与浓度有关目视比色法 肉眼光电比色法 光电比色计吸光光度法 分光光度计 2020 2 18 5 吸光光度法特点 1 灵敏度高 浓度检测下线可达10 5 10 6mol L 微量及超微量组分 2 准确度高 相对误差 2 5 1 2 3 仪器简单 操作简便 快捷 4 应用广泛 2020 2 18 6 吸光光度法基本原理 一 光的基本性质波粒二象性 c光子能量 E h h 2020 2 18 7 物质的颜色 溶液颜色与吸收光颜色及波段的关系 黄绿紫400 450黄蓝450 480橙绿蓝480 490红蓝绿490 500紫红绿500 560紫黄绿560 580蓝黄580 600绿蓝橙600 650蓝绿红650 750 2020 2 18 8 电磁波谱 射线10 2nmX射线10 1 10nm紫外200nm可见400 800 400500600700800 紫蓝绿黄橙红红外800nm微波光谱10cm无线电波103cm核磁共振105cm 2020 2 18 9 2020 2 18 10 可见光 400 750nm 1 单色光 某一波长下的光 2 白光 七色光按不同比例混合的复合光 3 互补光 按一定比例混合为白光的两种光 紫外 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红 红外400450480500560600650750nm UltravioletVisibleInfrared 2020 2 18 11 白光 绿黄青橙色青蓝红蓝紫 2020 2 18 12 二 溶液的颜色和光的吸收关系 1 无色2 黑色3 其他颜色 2020 2 18 13 三 吸收光谱 三维立体谱图 如图所示 2020 2 18 14 将不同波长的单色光依次通过某一固定浓度的有色溶液 测量每一波长下 有色溶液对光吸收的强度 A 作A 曲线图 Cr2O72 MnO4 350 525nm321 c3 c2 c1321 2020 2 18 15 吸收光谱反应了不同物质的不同特征吸收 1 同一物质对不同波长的光的吸收强度不同 如KMnO4对400nm吸收少 对525nm吸收最大 称 maxKMnO4 2 不同浓度的KMnO4溶液的光吸收曲线形状相似 即最大吸收布偶常不变 峰高不同 即吸光度不同 3 同一物质浓度一定时 在某波长下吸收强度一定 浓度不同吸收强度不同 c愈大 A愈大 c3 c2 c1是光谱定量的依据 2020 2 18 16 四 物质对光的选择性吸收 物质为何有不同的颜色 物质为何吸收某种光 1 原子吸收光谱 AAS 由于原子外层电子选择性地吸收某种波长的电磁波 而引起的吸收光谱 2 分子吸收光谱 由于分子结构不同 分子运动形式不同 运动所需能量不同 而吸收不同能量的光 8 2 光吸收定律 一 朗伯 比耳定律 当一束强度为Io的平行单色光入射到厚度为b的液层上 一部分光被吸收 一部分被器皿表面反射 一部分透过溶液 bsI0IaItIrdb 2020 2 18 18 1 Lambert BeerLaw数学表达式 A K b c 定义 当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后 溶液的吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度成正比 Lambert BeerLaw定律适用于单色可见光 红外和紫外光区 也适用于均匀非散射液体 气体和均质固体 A1b1若 c一定时 LambertLawA2b2 A1c1b一定时 Beer sLawA2c2 2020 2 18 19 2 吸光度A的加和性 若溶液中含有不止一种吸光物质 则总浓度等于各个组分吸光度之和 A A1 A2 An 3 A与T之间的关系 ItI0透射比T Transmittance 而A lg I0It I01Hence A lg lg ItT 2020 2 18 20 朗伯比尔定律成立的前提条件 1 入射光为平行单色光且垂直照射 2 吸光物质为均匀非散射体系 3 吸光质点之间无相互作用 4 辐射与物质间的作用仅限于光吸收过程 无荧光和光化学现象发生 2020 2 18 21 二 吸光系数 摩尔吸光系数 与桑德尔灵敏度 1 吸光系数a和摩尔吸光系数 A K b c 1 当c 1g L b 1cm时 K a L g 1 cm 1 单位 A a b c 2 当c 1mol L b 1cm时 K L mol 1 cm 1 单位 A b cMolarabsorptivity 2020 2 18 22 2 与灵敏度的关系吸光系数和摩尔吸光系数都是吸光物质在特定条件 入射光的波长 溶剂 温度及仪器性能等 下的特征常数 1 值越大 表示该有色物质对该波长光的吸收能力越强 显色反应越灵敏 反映了用吸光光度法测定该吸光物质的灵敏度越高 2 同一物质与不同显色剂反应生成不同有色化合物时 具有不同的 值 因此 值也是选择显色反应的重要依据 2020 2 18 23 3 桑德尔灵敏度S a 人眼对有色质点在单位截面积液柱内能够检出物质的最低量 g cm2b 光度仪器 检测极限 最低吸光度 为A 0 001时 单位截面积光程内所能检测出来的吸光物质的最低量 g cm2 MS 2020 2 18 24 三 偏离Lambert BeerLaws的原因 2020 2 18 25 1 由于非单色光引起的偏离2 溶液本身的化学和物理因素引起的偏离 1 溶液介质不均匀引起的 2 溶液中的副反应发生而引起的3 只适用于稀溶液 2020 2 18 26 1 标准曲线法2 比较法 Ax c b 0 Ax AS Cs cx A cx 分光光度法的测定法 2020 2 18 27 三 仪器 分光光度计 2020 2 18 28 仪器红外 紫外 可见分光光度计 红外分光光度计 2020 2 18 29 一 基本组成 光源 单色器 样品室 检测器 显示 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 动画 2020 2 18 30 2 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波长单色光的光学系统 入射狭缝 光源的光由此进入单色器 准光装置 透镜或返射镜使入射光成为平行光束 色散元件 将复合光分解成单色光 棱镜或光栅 聚焦装置 透镜或凹面反射镜 将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝 出射狭缝 2020 2 18 31 3 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 4 检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号 常用的有光电池 光电管或光电倍增管 500 600nm的光最灵敏 5 结果显示记录系统检流计 数字显示 微机进行仪器自动控制和结果处理 2020 2 18 32 吸收光谱的记录 平行光 入色光强度I0 Ia It It透过光强度T I0 8 4 显色反应及其影响因素 一 吸光光度法对显色反应的要求 1 选择性好 干扰小 2 灵敏度高 大 3 有色化合物组成恒定 4 有色化合物性质稳定 5 有色化合物与显色剂之间的颜色差较大 MR R 60nm 6 待测组分与所生成的有色化合物之间必须有确定的计量关系 2020 2 18 34 二 影响显色反应的因素 M R MR 被测物显色剂有色化合物 2020 2 18 35 1 显色剂用量 为保证反应完全 R过量 且不宜过多 用量范围宽 用量范围窄 严格控制R量 2020 2 18 36 2 溶液的酸度 1 影响显色剂的平衡浓度和颜色 cR R R H 2 影响金属离子的存在状态 cM影响显色的同时降低 M M OH 2020 2 18 37 3 影响络合物的组成 显色反应酸度由实验测得 29 2020 2 18 38 3 显色温度 许多反应室温完成 有些要加热4 显色时间 有的要10 30min 有些瞬间完成 稳定性30min 有的稳定60 120min 2020 2 18 39 5 溶剂 6 共存离子的影响 2 本身有色 Fe3 Ni2 Cr3 Cu2 Co2 等 2020 2 18 40 四 消除干扰的途径 1 控制酸度 利用酸效应提高选择性污水中 Cd2 OH pH 10 H2DZ 红色 518Pb2 pH8 9 H2DZ 粉色 510Hg2 pH 6 H2DZ 橙色 4852 加入掩蔽剂测Hg2 H2DZ EDTA Bi3 KSCN Ag Sr mBCZm 硫脲 Cu 磺基水扬酸 AlFe 2020 2 18 41 3 利用氧化还原反应 改变干扰离子价态 铬天青S Al3 Vc Fe3 Fe2 消除Fe3 的干扰4 利用生成惰性络合物 Ni2 pH 2NiR分解Ni2 Fe3 Zn2 5 分离干扰元素6 利用校正系数7 利用参比液消除显色剂 试剂带入的干扰8 选择适当的测量波长 ooo 2020 2 18 42 五 显色剂分类 1 无机显色剂 SCN Fe3 MoV Co2 MoO42 Si P V Ge AsH2O2 Ti TiO H2O2 2 黄2 有机显色剂生成稳定的螯合物 8 5 光度测量误差和测量条件的选择 Cb测量灵敏度 M 1061000 0 001MS M 103 g cm2 A显色反应灵敏度 L mol 1 cm 1 bc 2020 2 18 44 检测计标尺上A与T的关系若测A时产生微小的绝对差dA 则相对误差Er为 Er dA A A bc当b一定时 两边积分得 dA bdcdc为测量浓度时的绝对误差 二式相除 dA A dc c Er因cA 故dc亦正比dA而测量时Er相等 上式成立 一 仪器测量误差 2020 2 18 45 T T T A lgT lg0 368 0 434此时相对误差最小以有限值表示为误差公式 c0 434 T cTlgT 从曲线图中看出 相同透光度误差 T由于在曲线上所处位置不同 倾斜度的程度各异 因此引起的浓度误差 c也各不相同 透光度很大时 所引起的浓度误差 c小 因此时浓度c也小 则相对误差 c c的值也大 透光度很小时 c大 使 c c的值也大 只有在适中的透光度时 才可以 c c值比较小 2020 2 18 46 例如 某光度计的透光率刻度读数误差为 T 1 计算下列各百分透过率时浓度的相对误差 c c 指示 c c 4 时 百分透光率读数范围 T 1 10 20 30 50 70 80 90T 0 01 0 02 0 03 0 50 0 70 0 80 0 90 c c 21 7 4 34 3 10 2 77 2 88 4 00 5 60 10 54 解 为使结果为正 T取负值 2020 2 18 47 用误差公式 c0 434 T0 434 1 21 7 cT lgT0 01 lg0 01 由计算可知 c当 4 时 T为20 70 c 2020 2 18 48 二 测量条件的选择 1 入射光波长的选择 最大吸收的原则 max2 控制吸光度读数范围 调c或b 使A介于0 2 0 83 参比溶液的选择 选合适的参比溶液 调仪器A 0 T 100 2020 2 18 49 选择参比的原则 1 当试液 显色液 在此波段无吸收 可用纯水作参比 2 试剂有色 以试剂的空白为参比 3 显色剂 待测物有吸收 应掩蔽 使其不与显色剂作用 8 6 吸光光度法的应用 一 标准曲线法测单一组分 1 选择合适的显色反应和显色条件2 绘出被测组分的吸A收光谱曲线 用标液 3 在 max下测一系列标准溶液A的A值 绘制工作曲线A c4 与工作曲线相同的方法 测未知物AX 从工作曲线上查cX Ax Cx 2020 2 18 51 例1 用phen测微量Fe2 1 cFe 标 100 g mL 100 10 6 1 79 10 3mol LM 1000 b 1cm VFe 标 mL 0 20 0 40 0 60 0 80 1 0 50mL容量瓶A508 0 080 0 150 0 225 0 300 0 375 2020 2 18 52 2 试样水泥 50ml显色与标准曲线方法相同 测A 0 770 Fe 1000 3 计算Fe cXV50 100mS 2020 2 18 53 例2 称钢样0 500g 溶解 MnO4 50mL容量瓶 摇匀 从中取5 00mL 50mL容量瓶定溶 用2cm比色皿在 525nm 2235 测A 0 124 计算Mn Mn 54 94 解 A0 124c2 2 77 10 5mol L b2235 2 Mnc2 50 1000Mn 100 0 1525 000 500 50 2020 2 18 54 例3 Phen测Fe 欲配Fe2 标液1L 使其稀释100倍时 放在1 0cm的比色皿中 测得A 0 50 问称取 NH4 2Fe SO4 2 6H2O多少克 1 1 104 解 设稀释后 A0 50cFe2 4 5 10 5mol L b1 1 104 1 0 所以 mS c V M 4 5 10 5 100 392 13 1 8g 2020 2 18 55 例4 某试液用2 0cm比色皿测T 60 若改用3 0cm 求T 和A 解 1 A lgT lg0 60 0 222 bc A1b1b2 2 A2 A1 0 333A2b2b1 1100 3 A 2 lgT lg lg TT lgT 2 A 2 0 333 1 667T 46 45 2020 2 18 56 例5 称纯Fe0 5000g溶解定溶1000mL作标准Fe 取10 0mL稀释 100mL 取5 0mL显色定溶50mL 测As 0 230 称试样中1 500g溶解定容250 0ml 从中取5 00ml与标准曲线相同方法测Ax 0 200 求试样Fe 解 0 500g 10 010005 0c标 5 0 10 6g mL100mL50 A标AS0 230c标5 0 10 6 A样AX0 200c样c样 2020 2 18 57 因为BeerLaw ASAX cScX AX所以cX cS 0 200 0 230 5 0 10 6AS 4 35 10 6g mL 4 35 10 6g mL 50mL所以Fe 1005 01 50g 250 0 725 2020 2 18 58 例6 丁二肟测Ni Ni标液10 g mL 取5 00mL 发色后测A 0 292 称镍矿渣0 6261g 分解定溶100mL 取2 00mL发色测AX 0 300 求Ni 解 mS 10 g mol 1 5 00mL 50 0 g mS AScSMmS AXcXmXmX M 2020 2 18 59 50故 mX 0 300 51 37 g0 292 51 37 10 6Ni 100 0 412 000 626 100 2020 2 18 60 例7 含Fe47 0mg L 取5 0mL 100mL定溶显色 b 1cm A 0 467 510nm 求a S 解 A0 467a 2 0 102L g 1 cm 147 05 0bc1 1000100 2020 2 18 61 A0 467 47 05 0bc1 1000 55 85100 1 11 104L mol 1 cm 1 M55 85S 0 0050 g cm2 1 11 104 2020 2 18 62 例8 某有色液b 2 0cm时T 60 若c增大一倍 T 若改用1cm 5cm时T A各多少 解 1 A lgT lg0 60 0 222A 2 lg60 0 222 A0 222 c 0 111b2 若c增1倍T2 0 60 2 0 36 T 36 2020 2 18 63 2 b 1cm A c 0 111 1 0 111b lgT 2 0 111 1 889 T 77 4 3 b 5cmA 0 111 5 0 555lgT 2 A 2 0 555 1 445 T 27 9 2020 2 18 64 例9 称水泥0 800g 并溶解 1L 现取5 00 50mL容量瓶显色 510nm b 2 0cm A 0 431 已知 1 1 104 求水泥中Fe2O3 解 A0 431 1 c b1 1 104 2 0 1 96 10 5mol L 2020 2 18 65 mFe2O3 2 Fe2O3 100mS 1Fe2O3cFeVFe 21000 100 1 965 00mS 1000 2020 2 18 66 例10 50mLCd2 5 0 g溶液 用10 0mL双硫腙 CHCl3萃取 萃取率100 518nm b 1cm T 44 5 MCd 112 4 求a S 解 5 0 10 6c1 1000 5 0 10 4g L10 0 5 0 10 6c2 1000 4 44 10 4g LM 10 0 A lgT lg0 445 0 352 2020 2 18 67 A0 352a bc11 5 0 10 4 7 04 102L g 1 cm 1 A0 352 bc21 4 44 10 6 7 92 104L mol 1 cm 1 M112 4S 1 42 10 3 g cm2 7 92 104 2020 2 18 68 1 双波长光度法作用原理 设 1和 2两束单色光强度相等 则有 A 1 1bc A 2 2bc所以 A A 1 A 2 1 2 bc2 应用 a 混浊试液中组分测定 试液为参比 不同波长 40 60nm 消除试液中散射光的影响b 单组分测定 配合物吸收峰为测量波长 显色剂的吸收 等吸点 为参比波长c 两组分共存时测定 利用等吸点处A相等的特点 二 多组分的测定 双波长分光光度法 2020 2 18 69 例如 两组的三种叠加情况 XY XY XY 列联立方程 A 1X Y AX AY X 1bcX Y 1bcYA 2X Y X 2bcX Y 2bcY 1 2用纯物质测量 代入求解Cx和Cy 2020 2 18 70 等吸收点 作图法 2 1 1 YXA相等 1 参比波长 2 测量波长消除Y干扰 2020 2 18 71 A X 2bcX Y 2bcY X 1bcX Y 1bcY 等吸收点 Y 2 Y 1故 A X 2 X 1 bcX A与Cx成正比 与共存的Y无关 2020 2 18 72 三 示差分光光度法 高含量组分的测定 原理 以稍低于待测组分浓度的标准溶液作为参比溶液 然后测试液的吸光度 再从A求c 从而提高准确度 参比液cS cX样品液 则AS bcSAX bcXA A相对 AX AS b cX cS b c相对用cS参比液调 0 而后测A值 实际是试样与参比之差 A与两者的浓度差 c成正比故 cX cS cX 2020 2 18 73 A与 C的工作曲线 AX cX 2020 2 18 74 如果参比T 10 现调成至100 A 0 等于把仪器透光率扩10倍 测量误差变小了 2020 2 18 75 例11 以试剂为空白参比调T 100 测某有色液A 1 301 假设 T 0 003 求光度测量误差Er 若以T 10 为参比 示差光度法测该试液的T 此时Er又为多少 解 已知T 10 A 10 1 301 0 050 5 0 若示差法 则 降低10倍 相对 相对 相对 相对 2020 2 18 76 例12 锌标液CZn 0 00100mol L和含Zn样品各测A 0 700和A 1 000 问两种溶液透射率相差多少 如果用0 00100mol LZn标液作参比 试液的A 示差法与普通光度法相比 读数标尺放大了多少倍 解 1 A lgT 则T1 10 A 10 0 700 0 200 20 0 T2 10 1 000 0 1000 10 0 故透光率相差10 0 2 A相对 A b C 1 000 0 700 0 3003 A相对 0 300则T 10 0 300 0 50 50 标尺放大倍数为 标准溶液在两种方法里标尺扩展了5倍 2020 2 18 77 四 光度滴定 由于在选定的波长下 被滴定的溶液各组分的吸光情况不同 曲线形状不同 a 滴定剂对选用波长的光有很大吸收 待测物和产物不吸收 如MnO4 滴Fe2 b 待测物有吸收滴定剂和产物不吸收 如EDTA滴水扬酸铁 2020 2 18 78 c 产物有吸收 滴定剂与待测物无吸收 如NaOH滴对溴苯酚 d 滴定剂和待测物有吸收 产物无吸收如KBrO3 KBr滴Sb3 HCl液 优点 2020 2 18 79 例如 用0 1mol LEDTA滴定100mL浓度为2 0 10 3mol L的Bi3 Cu2 混合液连续滴定 V1 V2 Cu终点Bi终点 2020 2 18 80 五 配合物组成的测定 1 摩尔比法做法 固定cM 改变cR 就可得一系列cR cM值不同的溶液 测A作图 n 2020 2 18 81 2 等摩尔连续变换法 做法 cM cR c 改变cM与cR的相对比值 使cM cR 10 0 9 1 8 2 1 9 0 10 n 2020 2 18 82 3 斜率比法 4 平衡移动法5 直线法6 饱和法 2020 2 18 83 六 酸碱离解常数的测定 例如 一元弱酸Ka的测定 H A Ka HA 做法 先配c总 cHA A相等而pH不同的HA溶液 用pH计测各个溶液的pH值 然后在 maxHA MaxA 用b 1cm 测定各溶液的A值 2020 2 18 84 A HA HA A A HAc HA A c A H Ka HAc Ac 1 H Ka H Ka 设 高酸度 pH小 弱酸全部以酸的形式存在 即c HA 从而测AHA HAc低酸度 pH大 弱酸全部以共轭碱形式存在 即c A 从而测AA Ac 2020 2 18 85 1 式整理 AHA H AA KaA 2 H Ka H Ka 故 H A AHA AKa H 3 HA A AA 3 取负对数 A AA pKa pH lg 4 AHA A 2020 2 18 86 斜率比法测Ka A Ka H AHA H AA Ka AHA A H A AA Ka 以A AHA A H 作图 得一直线 见下页 2020 2 18 87 A AHA A H 截距为AA 斜率为1 Ka A AA 以lg pH作图