真空中的静电场.ppt

第11章紫外可见吸收光谱法 讲授内容 11 方法概述 11 2基本原理 11 3紫外可见分光光度计 11 4定量分析 11 5其他应用 自学 一 光的基本性质 光是一种电磁波 具有波粒二相性 光的波动性 可用波长 频率 光速c 波数 cm 1 等参数来描述 光的粒子性 光是光子流组成的 光子的能量 光的波长越短 频率越高 其能量越大 11 1方法概述 白光 比如太阳光 由各种单色光组成的复合光 单色光 单波长的光 由具有相同能量的光子组成 可见光区 400 800nm紫外光区 近紫光区200 400nm远紫外区10 200nm 真空紫外区 光的基本性质 续 二 物质对光的选择性吸收 当光束照射到物质上时 光与物质发生相互作用 于是产生反射 散射 吸收或透射 如图所示 为什么物质有颜色 物质的颜色是由于它选择性的吸收了可见光中某一波长颜色的光 另一些波长的光被透过 呈现它的颜色 如果把两种不同颜色的光按一定的比例混合 可以得到白光 这两种颜色的光就叫互补色光 例如 CuSO4溶液因吸收了白光中黄色光而呈蓝色 所以黄色和蓝色互为补色 物质的颜色由透过光的颜色决定 为什么物质对光有选择性吸收 物质的结构不同 能级不同 能级差不同 其可吸收的波长也不同 吸收曲线 将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液 测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度 即吸光度 然后以波长为横坐标 以吸光度为纵坐标作图 可得一曲线 这曲线描述了物质对不同波长的吸收能力 称吸收曲线或吸收光谱 图 邻菲罗啉 亚铁溶液的吸收曲线1 0 2mg L 2 0 4mg L 3 0 6mg L max 从吸收曲线可以得到什么 1 同一浓度的有色溶液对不同波长的光有不同的吸光度 对应最大的地方称为最大吸收波长 用 max来表示 2 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 3 对于不同浓度的同一物质 吸收曲线形状相似 max不变 而对不同物质 吸收曲线形状和 max不同 不同浓度的同一种物质 浓度愈大 吸光度也愈大 此特性可以作为物质定量分析的依据 基于物质分子对近紫外至可见光波段 200 800nm 辐射的选择性吸收而建立的仪器分析方法 应用于物质的定性和定量分析 此法在定量分析中的特点 1 具有较高灵敏度 适用于微量组分测定 2 具有较高的准确度 测定的相对误差为1 3 3 具有一定的选择性 4 测定迅速 操作简单 应用广泛 三 紫外可见吸收光谱法 11 2基本原理 一 紫外可见吸收光谱的产生 转动能级 振动能级 电子能级 A B C Ee最大 1 20eV Ev次之 0 05 1eV Er最小 0 05eV 二 有机化合物的紫外可见吸收光谱 有机化合物的紫外可见吸收光谱是由分子中价电子的跃迁产生 根据分子轨道理论 有机化合物中存在三种类型的价电子 电子 单键 电子 双键 和未参与成键的n电子 孤对电子 相应的 存在五种分子轨道 成键轨道 反键轨道 非键轨道n 其能量顺序为 n 分子处于基态时 各电子均处于相应的成键轨道上 当入射光与能级间隔匹配时 电子吸收能量 从成键轨道 或n轨道 跃迁至反键轨道 从而形成相应的吸收光谱 例如 饱和烃的分子中只有C C键和C H键 只能发生 跃迁 这类跃迁能量最大 对应波长最短 处于200nm以下的远紫外区 CH4的 max 125nm 三 影响紫外可见吸收光谱的因素 共轭效应 共轭体系增大 max红移 吸收强度增加 立体化学效应 由于空间位阻 构象 跨环共轭等导致吸收光谱的红移或蓝移 本质是分子共轭程度受到影响所致 溶剂的影响 溶剂的性质可能对吸收峰的位置 形状和强度有影响 因此溶剂的选择很重要 一般要求选择具有良好的化学和光化学稳定性 极性小 在样品吸收光谱区无明显吸收的溶剂 pH值的影响 对于酸碱性化合物 pH值影响其离解情况从而影响其紫外可见吸收光谱的产生 11 3紫外可见分光光度计 分光光度计种类和型号繁多 但其基本结构和原理相似 主要由下列4个部分组成 1 光源 2 单色器 3 吸收池 4 检测器和读数装置 1 光源 可见光分光光度法使用的光源常为6 12V的钨丝灯 它可以发出波长约为320nm 2500nm的连续光谱 若紫外光谱法 则采用氢灯和氘灯 它能够产生180 375nm的连续光谱 2 单色器 单色器的作用是获得单色光 由有色玻璃 或其他材料 构成 使通过的光与滤光片的颜色相同 可制作透光率 波长曲线 即透光曲线 以峰高的一半与曲线相交波长范围 光谱半宽度 来表示单色光的质量 半宽度愈窄 单色光愈纯 选择滤光片 必须使能被溶液吸收最大的光通过 也就是滤光片颜色是溶液的补色 1 滤光片 单色器 续 在镀铝的光学玻璃上刻了许多相距很小 等距又相平行 并具有反射面的沟槽构成的一种单色器 0 1nm 2 棱镜 棱镜获得单色光的纯度与棱镜色散率和出口狭缝宽度有关 可见光区用玻璃棱镜 对可见光有较大色散率 紫外区则用石英棱镜 玻璃吸收紫外光 5 10nm 3 光栅 3 吸收池 由于盛吸收液 并能透过所需光谱范围内的光线 实际上是一个光程 在可见区测定 可用无色透明 耐腐蚀的玻璃 在紫外区测定要用石英 4 检测器和读数装置 检测器是光电转换元件 目的是把透过光信号转换成电流信号 并加以测量 是一种光敏半导体元件 硒光电池适用于波长范围380 750nm的光 在540 580nm处灵敏度最高 它产生的光电流较大 毋须放大 直接用灵敏电流计测量 光电池使用时间过长或受强光照射时会导致灵敏度下降 称为 疲劳现象 使用时须注意不可令光源未经单色器调节便直接照射光电池 出现疲劳现象时可放置暗处使其恢复 1 硒光电池 检测器和读数装置 续 2 光电管 是一个二极真空管由一个阳极和一个光敏阴极组成 3 光电倍增管 是利用光敏阴极把光信号放大的装置 4 光电二极管阵列 由一系列的光电二极管一个接一个地排列在一块硅晶片上组成 作为固体元件比光电倍增管更耐用 5 读数装置 读数装置常用的是微安计或检流计 现代仪器都是用计算机显示结果 几种类型的分光光度计 721分光光度计 721分光光度计的光学系统 光源 吸收池 光电管 光栅 722型分光光度计 7530G紫外 可见光分光光度计 VarianCary1E紫外可见分光光度计 可消除光源不稳定误差以及样品池的差异 一 定量依据 A 吸光度 描述溶液对光的吸收程度I0 入射光强度I 透射光强度k 吸光系数c 溶液浓度l 液层厚度 光程长度 一般单位为cmT 透光度 描述入射光透过溶液的程度 11 4定量分析 1 朗伯 比尔定律 如果浓度c以g L表示时 k的单位为 L g 1 cm 1 若c以mol L表示 吸光系数采用摩尔吸光系数 表示 单位为 L mol 1 cm 1 则有 k与 的关系 M为物质的摩尔质量 摩尔吸光系数 的物理意义 摩尔吸光度系数 数值上等于1mol L的吸光物质在1cm光程中的吸光度 是吸光物质在特定波长和溶剂中的一个特征常数 不随浓度和吸收光程的改变而改变 也就是在温度和波长条件一定时 仅与吸收物质本身的性质有关 与待测物质浓度无关 可以作为定性鉴定的参数 摩尔吸光系数的讨论 同一个吸收物质在不同波长下摩尔吸光系数是不同的 在最大吸收波长处摩尔吸光系数最大 它表明了待测物质最大吸光能力 也反映了测定该物质所能达到的最高灵敏度 值愈大 方法的灵敏度愈高 值可从实验中得到 摩尔吸光系数的讨论 续 例1 CFe2 为5 0 10 4g L 1的溶液 在一定条件下 经1 10 邻二氮杂菲显色后 在波长510nm 比色皿厚度为2cm时测得A 0 19 求1 10 邻二氮杂菲的k与 值 铁的相对原子量为55 85 解 根据朗伯 比尔定律A klc 例1 续 与k的关系为 MkM 吸光物质原组分的摩尔质量 55 85 190 1 1 104 L mol 1 cm 1 未知相对分子质量的胺试样 通过用苦味酸 相对分子质量229 处理后转化为胺苦味酸盐 1 1的加成化合物 当波长为380nm时大多数胺苦味酸盐在95 乙醇中的吸光系数大致相同 即 104 13 现将0 0300g胺苦味酸盐溶于95 乙醇中 准确配置1L溶液 测得溶液在380nm l 1cm时 A 0 800 试计算未知胺的相对分子量 例2 朗伯 比尔定律的意义 当一束平行单色光通过单一均匀的 非散射的吸光物质溶液时 溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度乘积成正比 即A klc吸光度的这个性质可应用多组分的测定等 朗伯 比尔定律的运用 1 溶液及均匀非散射吸光物质的测定朗伯 比尔定律用于溶液及其他均匀非散射吸光物质的测定 是各类吸光光度法定量分析的依据 2 多组分的测定若试液属多组分体系 而各种吸光物质之间没有相互作用 这时体系的总吸光度等于各组分吸光度之和 即吸光度具有加和性 即A A1 A2 A3 An 1lc1 2lc2 3lc3 nlcn 2 比尔定律的偏离 根据比尔定律 当光程l固定时 吸光度A与有色溶液浓度c成正比 即A kc 因此 可以根据这一关系制作校正曲线 又称标准曲线或工作曲线 如 采用邻菲罗啉分光光度法测定地面水中微量铁的含量 配制铁的标准系列溶液并测定其吸光度 绘制成一标准曲线 标准溶液系列配制 当被测定试样浓度比较高时 曲线发生上翘或下弯 称为对比尔定律的偏离 A c工作曲线 比尔定律的偏离 产生偏离的原因 1 使用非单色光的影响比尔定律只适用于单色光 但在实际测定中无论是用滤光片或棱镜分光 所得的光源仍是含有不同波长光线的复合光带 从图中所示可知 波长与吸光度关系示意图 对于校正曲线 若选用波长A段时 其吸光度相差不大 A的吸光度的综合值的线性关系好 若选用B段 吸收曲线在此位置的斜率很大 即此范围内不同波长的吸光度相差很大 吸光度的综合值与浓度C未必成正比 A C曲线就不呈线性 波长与吸光度关系示意图 使用非单色光的影响 怎样避免这种偏离 首先要求入射光纯度要高 其次选择波长范围应在吸收曲线斜率变化小的部位 化学因素的影响 能使比尔定律产生偏离的化学因素有以下两个 首先是溶液浓度的影响 当溶液浓度c 0 01mol L时 吸收粒子可能缔合影响对光的吸收 故比尔定律只使用于稀溶液 另一种影响来自化学平衡 与浓度 pH值和其他条件有关 例如 测定Cr2O72 时 水溶液中存在如下平衡 Cr2O72 H2O 2HCrO4 2H 2CrO42 橙色 黄色 上式中三种不同形态的离子其颜色不同 平衡的移动受溶液浓度与pH的影响 为了避免不同离子共存的影响 可加入强碱或强酸做缓冲溶液 在一定pH条件下进行测定 化学平衡 浓度 与pH值等因素的影响 二 定量方法 直接计算法比较法标准曲线法标准加入法目视比色法 三 显色反应 1 显色反应 进行光度分析时 首先要将待测组分转变成有色化合物 然后测定其吸光度 将待测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应 与待测组分形成有色化合物的试剂称为显色剂 2 显色反应主要有下述二种类型 配位反应和氧化还原反应 1 灵敏度高 生成的有色物质的 较大的显色反应 在104 105L mol 1 cm 1之间 灵敏度较高 2 选择性好 显色剂仅与一个组分或是少数组分反应 3 显色剂在测定的波长处无明显吸收 两种有色物质最大吸收波长之差称为 对比度 要求显色剂与有色化合物的对比度在60nm以上 4 反应生成的有色化合物组成恒定 化学性质稳定 3 显色反应的选择应考虑的因素 无机显色剂 例如 SCN MoO42 H2O2一般无机显色剂与金属离子生成的化合物不稳定 灵敏度和选择性也不高 应用不多 4 显色剂 有机显色剂 大多数有机显色剂与金属离子生成极其稳定的配合物 灵敏度和选择性都很高 被广泛的应用于吸光度分析中 有机显色剂 有机显色剂及其产物与它们的分子结构有密切关系 分子中含有某些不饱和基团 共轭双键 的有机物 往往是有颜色的 称之为生色团 例如 偶氮基 N N 亚硝基 N O等都是生色团 另外一些基团本身没有颜色 但可影响有机试剂及其他金属离子反应产物的颜色 称之为助色团 助色团 胺基 NH2 RHN R2N 羟基 OH 卤代烃 F Cl Br I 等具有未共用电子对 它们与生色团的不饱和键相作用 引起永久性的电荷移动 从而减少分子的激发能 促使显色反应产物颜色加深 对光的最大吸收向长波方向移动 这种现象称为 红移 有机显色剂类型 偶氮类显色剂 具有性质稳定 显色反应灵敏度高 选择性好及对比度大等优点 是目前应用最广泛的一类显色剂 比如 1 10 邻二氮菲 测定Fe3 的较好试剂 三苯甲烷类显色剂 比如 铬天青S 是测定Al3 的重要试剂 三元配合物的分析特性 三元 多元 配合物是显色反应时加两种显色剂形成的三个组分的混合配合物 这种方法大大的提高了显色剂的稳定性 灵敏性 选择性 特点 a 稳定 可提高分析测定的准确度和重现性 例如Ti EDTA H2O2三元络和物的稳定性比Ti EDTA和Ti H2O2二元络和物的稳定性分别增加强约1000倍和100倍 b 三元配合物对光有较大的吸收容量 所以进行光度测定时它比二元配合物具有更高的灵敏度和更大的对比度 如用H2O2测定钒 灵敏度太低 2 7 102 而用PAR显色灵敏度虽有提高 但选择性差 如果将V5 H2O2 PAR三者混合 一定条件下则形成紫红色的三元配合物 灵敏度可大大提高 1 4 104 最大吸收波长也移至540nm 原最大吸收波长为450nm 出现较大红移 三元配合物的特点 续 c 形成三元络合物的显色反应比二元体系具有更高的选择性 这是因为在二元配合物中 一种配位体常与多种金属离子产生类似配合反应 而当体系中两种配位体形成三元配合物时 就减少了金属离子形成类似配合物的可能性 例如 铌和钽都可与邻苯三酚生成二元配合物 但是在草酸介质中 只有钽能与邻苯三酚形成黄色的钽 邻苯三酚 草酸三元配合物 铌则不能形成类似的三元配合物 因而提高了反应的选择性 三元配合物的特点 续 四 定量分析条件的选择 1 入射光波长的选择 一般选择 max 因为在此波长处的摩尔吸收系数 值最大 使测定有较高的灵敏度 同时 此波长处的一个较小的范围内 吸光度变化不大 不会造成对比尔定律的偏离 使得测定有较高准确度 若 max不在仪器可测波长内 或干扰物质在此处有强烈的吸收 就不能选择 max 应尽可能选择 随波长改变而变化不大的区域内的波长 1 测量条件的选择 2 吸光度读数范围的选择 根据比尔定律 两式相除 整理后得 有限值表示 为浓度的相对误差 为透光度的绝对误差 在实际工作中 应控制T在10 70 或A在0 15 1 0 此时 浓度相对误差的范围为1 4 2 2 吸光度读数范围的选择 续 当T 36 8 A 0 434 浓度相对误差最小 3 出射狭缝宽度的选择 中低档仪器的狭缝宽度是固定的 如果可以调节 应确保一定入射光强度时 选择小的狭缝宽度 2 显色条件的选择 吸光光度法是测定显色反应达到平衡后溶液的吸光度 为了得到准确的结果 必须从研究平衡着手了解影响显色反应的因素 控制适当的条件 使反应完全和稳定 显色反应一般可以用下式表示 M RMR 待测组分 显色剂 有色配合物 根据溶液平衡原理 有色配合物稳定常数越大 显色剂过量越多 越有利于形成有色配合物 但是过量太多 有时会有副反应产生 反而不利 显色剂的适宜用量常通过实验来确定 将待测组分的浓度及其他条件固定 加入不同量的显色剂 测定吸光度 绘制出吸光度A 浓度c关系曲线 1 显色剂用量 显色剂用量 续 情况 a 这类反应生成的有色配合物稳定 对显色剂浓度控制要求不太严格 情况 b 只有在c1c2这一较窄范围内 吸光度才较稳定 所以要严格控制显色剂用量 情况 c 必须十分严格控制显色剂的用量 a b c 配位数和水解等与pH有关 通过实验确定 pH1 pH pH2 作出A pH曲线 选择平坦且吸光度高的部分对应的pH即可 2 酸度 应采用相同得实验方法确定最适条件 3 显色温度及显色时间 4 溶剂 溶剂选择也很重要 直接影响化合物的颜色 溶解度及稳定性 一般要求在测量范围内没有吸收的 水是常用的 但对于在水中溶解度小的有机化合物 若采用适当的有机溶剂萃取后测定可得到提高灵敏度和选择性 3 参比溶液的选择原则 1 溶剂参比 仅待测物与显色剂的反应产物有吸收 直接采用纯溶剂 多为蒸馏水 为参比溶液 2 试剂参比 当显色剂或其它试剂在测定波长处略有吸收 采用试剂作参比溶液 不加待测物 3 试样参比 如试样基体在测定波长处有吸收 但显色剂没有吸收 可以试样作参比溶液 不能加显色剂 4 如试样基体在测定波长处有吸收 且显色剂略有吸收 可将试液中加入掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂 以此溶液做为参比溶液 1 加入掩蔽剂例如 用NH4SCN作显色剂测Co2 4 干扰及消除方法 3 分离干扰离子 沉淀 离子交换 溶剂萃取等 2 选择适当的显色条件例如 用磺基水杨酸作显色剂测定Fe3 调节pH 5 提高灵敏度及选择性的方法 合成新的高灵敏度有机显色剂采用分离富集和测定相结合采用三元 多元 配合物显色体系 当试样中待测组分的浓度cx过大时 则A值很大 超出适宜的读数范围而产生较大误差 此时若以一浓度cs略小于试样组分浓度作参比溶液 则有 1 高含量组分的测定 示差法 五 定量分析法的应用 1 采用浓度为Cs的标准溶液为参比溶液 2 测定一系列 C已知的标准溶液的相对吸光度 Ar 3 绘制Ar C工作曲线 4 由测得试样溶液得相对吸光度Ar x 即可从Ar C工作曲线上求出 C 5 根据Cx Cs C求出试样浓度Cx 示差分光光度法的测定步骤 1 假设以空白溶液作参比时 浓度为Cs的标准溶液透光度Ts 10 浓度为Cx的试液的透光度Tx 5 如图 2 示差法用浓度为Cs的标准溶液作参比调节Ts 100 A 0 相当于仪器的读数标尺扩大了10倍 示差法标尺扩展原理 示差法标尺扩大原理图 普通光度法 示差光度法 3 此时试液的Tr 50 读数落在适宜读数范围内 从而提高了测量的准确度 参比溶液浓度与测量误差的关系 设仪器透光度读数的绝对误差 Tr 0 5 随着参比溶液浓度的增加 即Ts减少 浓度相对误差也减小 结果差示法测定的准确度可与重量法或滴定法接近 不同浓度标准溶液作参比时的误差曲线 示差法的浓度相对误差 Ts 100 80 40 10 2 光度滴定法 测定滴定过程中溶液的吸光度 并绘制出滴定剂体积和对应的吸光度曲线 根据滴定曲线就可确定测定终点 0 1mol L 1EDTA溶液滴定100mL2 0 10 3mol L 1Bi3 和Cu2 混合溶液 在745nm Bi3 和EDTA均无吸收 EDTA首先与Bi3 配位 形成的配合物也无吸收 因此在第一化学计量点前 吸光度不发生变化 在此之后 随着EDTA的加入 Cu配合物开始形成 Cu配合物在此波长处产生吸收 故吸光度不断增加 到达第二化学计量点后 再增加EDTA 吸光度不再变化 3 多组分分析 分光光度法可以不经分离而测定试液中两种以上组分 它们的吸收光谱有两种情况 情况1 如果两种组分的吸收曲线彼此不相干扰 可方便地选择适当地波长进行测定 在 1处测组分x 在 2处测组分y 由x y标液在 1 2处分别测得 1处 2处 情况2 如果两种组分地吸收曲线相互干扰时 则可用解联立方程式的方法 求出各组分的含量