原子光谱分析法课件ppt 3分子光谱分析法

第12章分子光谱分析法MolecularSpectroscopicAnalysis 12 1概述Anoverview12 2紫外 可见光分光光度法UV Visspectrophotometry12 3分子发光分析法Molecularluminescenceanalysis12 4紫外吸收光谱分析UV absorptionspectroscopicanalysis 12 1概述Anoverview在辐射能作用下 分子内能级间的跃迁产生的光谱称为分子光谱 由分子中的电子能级 振动能级和转动能级跃迁所产生的光谱分别称为电子光谱 振动光谱 转动光谱 它们所对应的波谱区范围如下 电子光谱 紫外可见区Electronicspectrum振动光谱 近红外 中红外区Vibrationalspectrum转动光谱 远红外 微波区Rotationalspectrum因为在分子的电子能级跃迁的同时 总伴随着分子的振动能级和转动能级的跃迁 所以分子的电子光谱 紫外可见光谱 是由许多线光谱聚集的谱带组成的 12 1 1分子吸收光谱Molecularabsorptionspectrum 有色物质的颜色是由于吸收了不同波长的光所致 溶液能选择性地吸收某些波长的光 而让其他波长的光透过 这时溶液呈现出透过光的颜色 透过光的颜色是溶液吸收光的互补色 有色溶液对各种波长的光的吸收情况 常用光吸收曲线来描述 将不同波长的单色光依次通过有色溶液 分别测出对各种波长的光的吸收程度 用字母A表示 以波长为横坐标 吸光程度为纵坐标作图 所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线 能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光 物质所显示的颜色是吸收光的互补色 KMnO4的颜色及吸收光谱 叶绿素的结构和吸收光谱 12 1 2分子发射光谱Molecularemissionspectrum分子发光 Molecularluminescence处于基态的分子吸收能量 电 热 化学和光能等 被激发至激发态 然后从不稳定的激发态返回至基态并发射出光子 此种现象称为分子发光 分子发射光的强度随波长 或波数 的变化曲线称为分子的发射光谱 曲线 物质吸收光能后所产生的光辐射称之为荧光和磷光 分子能级 荧光及磷光的产生Molecularenergylevel fluorescenceandphosphorescent分子能级 电子能级 Ee 振动能级 Ev 转动能级 Er 其中电子能级包含振动能级和转动能级 如图 Singletstate Tripletstate Groundstate 1 荧光发射fluorescence emission分子的电子从单重激发态 Kasha规则 的最低振动能级在很短时间 10 9 10 6s 跃迁到基态各振动能层时所产生的光子辐射称为荧光 由于各种去活化过程的存在 荧光辐射能通常要比激发能量低 或者说 荧光波长大于激发波长 Stokes效应 2 磷光发射phosphorescence emission从单重态到三重态分子间发生系间跨跃跃迁后 再经振动弛豫回到三重态最低振动能层 最后 在10 4 10s内跃迁到基态的各振动能层所产生的光子辐射称为磷光 2 去活化过程 Deactivation 处于激发态分子不稳定 通过辐射或非辐射跃迁等去活化过程返回至基态 这些过程包括 1 振动弛豫 VibrationRelaxation VR 在液相或压力足够高的气相中 处于激发态的分子因碰撞将能量以热的形式传递给周围的分子 从而从高振动能层失活至低振动能层的过程 称为振动弛豫 2 内转换 InternalConversion IC 对于具有相同多重度的分子 若较高电子能级的低振动能层与较低电子能级的高振动能层相重叠时 则电子可在重叠的能层之间通过振动耦合产生无辐射跃迁 如S2 S1 T2 T1 3 外转换 ExternalConversion EC 受激分子与溶剂或其它分子相互作用发生能量转换而使荧光或磷光强度减弱甚至消失的过程 也称 熄灭 或 猝灭 4 系间跨跃 IntersystemConversion ISC 系间跨跃是发生在两个不同多重态之间的无辐射跃迁 如从S1到T1 该跃迁是禁阻的 然而 当不同多重态的两个电子能层有较大重叠时 处于这两个能层上的受激电子的自旋方向发生变化 即可通过自旋 轨道耦合而产生无辐射跃迁 该过程称为系间跨跃 12 2紫外 可见光分光光度法UV Visspectrophotometry 12 2 1概述Overview分光光度分析法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法 根据物质所吸收光的波长范围不同 分光光度分析法又有紫外 可见及红外分光光度法 本章重点讨论可见光光度法 并简单介绍紫外分光光度法 1方法的特点Features 1 灵敏度高Highsensitivity通常 待测物质的含量1 10 5 时 能够用分光光度法准确测定 所以它主要用于测定微量组分 2 应用广泛Wideapplications几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定 如土壤中的氮 磷以及植物灰 动物体液中各种微量元素的测定 3 操作简便 快速Simpleandfast若采用灵敏度高 选择性好的有机显色剂 并加入适当的掩蔽剂 一般不经分离即可直接进行分光光度法测定 方法的相对误差通常为5 10 其准确度虽不及重量分析法和容量法 但对于微量组分的测定 结果还是满意的 12 2 2基本原理Basicprinciple 1 光吸收基本定律Lightabsorptionlaw 当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时 光的一部分被吸收 一部分透过溶液 一部分被比色皿的表面反射 如果入射光的强度为I0 吸收光的强度为Ia 透过光的强度为It 反射光的强度为Ir 则 I0 Ia It Ir在吸光光度法中 由于采用同样质料的比色皿进行测量 反射光的强度基本上相同 其影响可以相互抵消 上式可简化为 I0 Ia It 透过光的强度It与入射光的强度Io比之比称为透光度或透光率 用T表示 T It Io 一束单色光通过溶液 由于溶液吸收了一部分光能 光的强度减弱 若溶液的浓度不变 液层越厚 透过光的强度越小 光线减弱的程度越大 如果将液层分成许多无限小的相等的薄层 其厚度为db 则dI应与db及I成正比 即 dI Idb 从而 dI I k1db 积分此式 得 1 朗伯定律 将上式用常用对数表示 得 上式称为朗伯定律 用吸光度A lg I0 It lg 1 T 则 例1 有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液 其强度减弱20 若通过5cm厚度的相同溶液 其强度减弱百分之几 解 lgT2 5lgT1 5 lg0 80 0 485T2 32 7 即减弱67 3 当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时 溶液的浓度愈大 光线强度减弱愈显著 若溶液的浓度增加dc 入射光通过溶液 强度的减弱 dI与入射光强度I及dc成正比 即 dI k3Idc 或 dI I k3dc 积分 可得到 通常称比耳定律 2 比耳定律Beerlaw 3 朗伯一比耳定律Lambert Beerlaw 如果溶液浓度和液层厚度都是可变的 就要同时考虑溶液浓度c和液层厚度b对吸光度的影响 为此 将朗伯和比耳公式合并 得到 即通常所称的朗伯一比耳定律 吸光系数 摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度Absorptivity molarabsorptivityandSandellssensitivity 朗伯 比耳公式中 k值决定于c b所用的单位 与入射光的波长及溶液的性质有关 当浓度c以g L 1 液层厚度b以cm表示时 常数k以a表示 此时称为吸光系数 单位为L g 1 cm 1 朗伯 比耳定律可表示为 A abc若b以cm为单位 c以mol L 1为单位时 则将k称为摩尔吸光系数 以符号 表示 其单位为L mol 1cm 1 的物理意义表达了当吸光物质的浓度为1mol L 1 液层厚度为1cm时溶液的吸光度 在这种条件下上式可改写为 A bc 摩尔吸光系数是有色化合物的重要特性 愈大 表示该物质对某波长的光吸收能力愈强 因而光度测定的灵敏度就越高 的值 不能直接取1mol L这样高浓度的有色溶液来测量 而只能通过计算求得 由于溶液中吸光物质的浓度常因离解 聚合等因素而改变 因此 计算 时 必须知道溶液中吸光物质的真正浓度 但通常在实际工作中 多以被测物质的总浓度计算 这样计算出的 值称为表观摩尔吸光系数 文献中所报道的 值就是表观摩尔吸光系数值 桑德尔 Sandells 灵敏度 桑德尔灵敏度又叫桑德尔指数 用S表示 在分光光度分析中常常使用 桑德尔灵敏度规定仪器的检测极限为A 0 001时 单位截面积光程内所能检测出被测物质的最低含量 以 g cm2表示 S与 的关系可如下推导 A 0 001 bc 即cb 0 001 c为mol 1000cm3 b为cm 故cb为单位截面积光程内的物质量 即mol 1000cm2 如果cb乘以被测物质的摩尔质量M S cb 1000 M 106 cbM 103 g cm2 代入cb后 5 偏离朗伯 比耳定律的原因Deflecting 朗伯 比耳定律是吸光光度分析的理论基础 实际应用时 通常使液层厚度保持不变 然后测定一系列浓度不同的标准溶液的吸光度 根据A kbc k c关系式 以浓度为横坐标 吸光度为纵坐标作图 应得到一通过原点的直线 称为标准曲线或工作曲线 但是 实际工作中 当有色溶液的浓度较高时 往往不成直线 这种现象称为偏离朗伯 比耳定律 引起偏离朗伯 比耳定律的原因主要有以下几个方面 1 入射光不是单色光而引起的偏离朗伯 比耳定律只适用于单色光 但实际上单波长的光不能得到 目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带 而非单色光 因而发生偏离朗伯一比耳定律的现象 单色光的纯度愈差 吸光物质的浓度愈高 偏离朗伯 比耳定律的程度愈严重 在实际工作中 若使用精度较高的分光光度计 可获得较纯的单色光 2 介质的不均匀引起的偏离当被测溶液是胶体溶液 悬浊液或乳浊液时 入射光通过溶液后除一部分被吸收外 还有一部分因溶液中存在微粒的散射作用而损失 使透光度减小 而当胶体或其他微粒凝聚沉淀时 又会使溶液吸光度下降 3 溶液中的化学变化引起的偏离溶液中的化学变化如缔合 离解 溶剂化 形成新的化合物 互变异构等 使吸光度不随溶液浓度成正比地改变 而导致偏离朗伯 比耳定律 例如 重铬酸钾在弱酸性介质中有如下平衡 Cr2O72 H2O2HCrO4 在450nm波长处测量不同浓度重铬酸钾溶液的吸光度 由于在浓度低时重铬酸根的离解度大 而浓度高时离解度小 同时由于铬酸氢根离子 HCrO4 的摩尔吸光系数比重铬酸根离子的摩尔吸光系数要小得多 因此低浓度时重铬酸根离子的吸光度降低十分显著 这就使工作曲线偏离朗伯和耳定律 12 2 3光度分析方法和仪器 1光度分析方法Photometricanalysis 1 目视比色法Visualcolorimetry用眼睛观察 比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法 将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中 再分别加入等量的显色剂和其他试剂 并控制其他实验条件相同 最后稀释至同样体积 配成一套颜色逐渐加深的标准色阶 将一定量的被测溶液置于另一比色管中 在同样条件下进行显色 并稀释至同样体积 从管口垂直向下 有时由侧面 观察颜色 如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同 则被测溶液的浓度就等于该标准溶液的浓度 如果被测试液浓度介于相邻两种标准溶液之间 则试液的浓度就介于这两个标准溶液浓度之间 2 标准曲线法Calibrationcurvemethod 根据朗伯 比耳定律 保持液层厚度 入射光波长和其它测量条件也不变 则在一定浓度范围内 所测得吸光度与溶液中待测物质的浓度成正比 因此 配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液 分别在选定波长处测其吸光度A 然后以标准溶液的浓度c为横坐标 以相应的吸光度A为纵坐标 绘制出A c关系曲线 如果符合光的吸收定律 则可获得一条直线 称为标准曲线或工作曲线 在相同条件下测量样品溶液的吸光度 就可以从标准曲线上查出样品的浓度 A c 标准工作曲线 3 标准加入法Standardadditionmethod 所谓的标准加入法 即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后 加入合适浓度的标准溶液 再测吸光度A1 或再加几次标准溶液 得A2 A3 吸光度 计算或作图外推求试样浓度的方法 即 A0 kC样 A1 k C样 C标 设试样体积为V0 加入的标准溶液体积为V标 则 A1 k C样V0 C标V标 V0 V标 联解方程可求出C样 或用A对C标作图 外推求出C样 4 二元混合组分的测定Binarymixture 混合溶液里两组分的测定有三种情况 如图 a 若1和2两组分的最大吸收峰互不重合 且在1组分的最大吸收波长 1处 2组分没有吸收 或在2组分的最大吸收波长 2处 1组分无吸收 这样比较简单 按单组分测定方法测1和2两组分即可 b 若1和2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线 在1组分的最大吸收波长处 2组分无吸收 所以只需在 1处测定1组分 但在 2处所测定吸光度是1和2的总吸收 因此必须事先测得1组分在 2的 先从 1测出1组分 再从叠加处得的和量中减去组分1 c 若1和2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线 在最大吸收波长处重叠 要解一个一元二次方程 2分光光度计Spectrophotometer A原理Principle 光分栅光和原棱理镜 仪器光通路图 B 分光光度计的类型 双光束光度计动画示意 双波长光度计光路示意图 C 光电转换器 I 定义光电转换器是将光辐射转化为可以测量的电信号的器件 S kP kd kPk 校正灵敏度 P 辐射功率 kd 暗电流 可通过线路补偿 使为0 II 理想的光电转换器要求灵敏度高 S N大 暗电流小 响应快且在宽的波段内响应恒定 2 真空光电管 阴极表面可涂渍不同光敏物质 高灵敏 K Cs Sb其中二者 红光敏 Na K Cs Sb Ag O Cs 紫外光敏 平坦响应 Ga As 响应受波长影响小 产生的光电流约为硒光电池的1 10 优点 阻抗大 电流易放大 响应快 应用广 缺点 有微小暗电流 Darkcurrent 40K的放射线激发 4 硅二极管 反向偏值 耗尽层 depletionlayer pn结电导趋于0 i 0 光照 耗尽层中形成空穴和电子 空穴移向p区并湮灭 外加电压对pn 电容器 充电 产生充电电流信号 i 0 特点 灵敏度介于真空管和倍增管之间 CCD光电转换 CID与CCD之比较 与PDA相比 CTD最大的优势在于其二维特性 可作为影像检测器 在电视及航空等领域有广泛应用 ChargeinjectiondeviceChargecoupleddevice 12 2 4显色反应和显色条件Colourreactionandcolourconditions 1 显色反应Colourreaction在光度分析法中 使被测物质在试剂 显色剂 的作用下形成有色化合物的反应称为显色反应 对于显色反应 一般必须满足下列要求 1 选择性好 即在显色条件下 显色剂尽可能不要与溶液中其他共存离子显色 如果其他离子也和显色剂反应 干扰离子的影响应容易消除 2 灵敏度高 显色反应的灵敏度高 才能测定低含量的物质 灵敏度可从摩尔吸光系数来判断 但灵敏度高的显色反应 不一定选择性好 在实践中应全面考虑 3 显色产物应具有固定的组成 符合一定的化学式 对于形成不同配合比的配合物的显色反应 需要严格控制实验条件 使生成一定组成的配合物 以提高其重现性 4 显色产物的化学性质应该稳定 在测量过程中溶液的吸光度应改变很小 5 显色产物与显色剂之间的颜色差别要大 2 显色条件Colourconditions 1 显色剂的用量Concentration被测物质与显色剂的反应可用下列一般式表示 M十R MR 被测物 显色剂 有色配合物 为了使显色反应尽可能完全 一般应加入过量的显色剂 如果配合物稳定度高 而且在一定条件下能保持稳定 显色剂不必大量过量 在分析实践中 由于待测物质的浓度未知 稍过量的显色剂是必要的 当生成不太稳定的有色配合物时 必须加入相当过量的试剂 以保证获得足够的有色配合物并有可观的吸光度 有时显色剂的用量过大 反而会引起副反应 对光度测定不利 应严格控制显色剂的用量 以保证得到正确的结果 通常 显色剂的用量是根据实验结果来确定的 2 溶液的酸度Acidity 1 酸度对显色剂的影响显色剂多为有机弱酸 以HR表示 酸度提高倾向于生成HR 使R的实际浓度降低 不利于显色反应 因此 显色时溶液的酸度不能高于某一限度 此外 在不同的酸度下 R的浓度不同 有时可引起有色配合物配位数的改变 2 酸度对被测离子形态的影响当被测离子是容易水解的金属离子时 若酸度低于某一限度 被测离子形成羟基配合物 多核羟基配合物 碱式盐或氢氧化物沉淀 不利于光度分析 3 对显色剂颜色的影响许多有机显色剂具有酸碱指示剂的性质 随着pH的改变 显出不同的颜色 在选择酸度时必须考虑这种情况 例如H2RH HR 2H R2 黄色 橙色 红色 pH6 9 pH12 4 3 显色时间Time有些显色反应能瞬间完成 且有色化合物的颜色很快达到稳定状态 在较长时间内保持不变 有些显色反应虽能迅速完成 但由于空气的氧化 光的照射或其他原因使有色化合物的颜色逐渐减退 有些显色反应需要一定时间才能完成 4 显色温度Temperature 1 对显色反应速度的影响 反应速度常随温度的升高而加快 2 由于温度的升高可能导致某些有色配合物发生分解或氧化还原反应 因而会使有色配合物破坏而不利于光度测定 3 温度升高会引起有色配合物离解度的增大 使其稳定性降低而导致吸光度下降 4 温度变化会使有色配合物的摩尔吸光系数改变 从而使吸光度发生改变 必须指出 在分析实践中 并不是每一显色反应都同时存在上述四个方面的影响 通过绘制吸光度一温度曲线可以确定反应的适宜温度 5 溶剂Solvent通常 水溶性有色配合物因加入适当有机溶剂 使溶液的介电常数降低 使配合物离解度减小 或稳定性增大 有时 可增大速度 12 2 5测量误差和测量条件Measurementerrorandmeasuringconditions 1仪器测量误差Measurementerror在分光光度分析法中 使用任何光度计进行测量时 都会产生一定的误差 这些误差可能来自光源的电压不稳定 光电元件灵敏度的变化和仪器刻度读数不准确等 如果测量时透光率读数的绝对误差是 T 对于同一台仪器 它基本上是常数 但由于吸光度与透光率之间是负对数关系 在不同A值时 同样的 T的读数误差所引起的吸光度的绝对误差 A是不同的 A值越大 由 T引起的 A也越大 根据朗伯 比耳定律 由 A引起的被测物质浓度的误差 c为 A k c再是根据吸收公式微分 可得 仪器测量误差 T引起的浓度测量的相对误差为 设 T 0 01 计算不同T值与 c c的关系 可得到下图 lnT 1lgT 0 434T 0 368这时误差最小 2 测量条件的选择Measuringconditions 除选择适宜的显色条件外 还应当选择合适的测量条件 主要的测量条件包括入射光波长 吸光度范围和空白溶液等 下面将分别讨论 1 选择入射光波长Incidentlight入射光的波长对测定结果的灵敏度和准确度都有很大的影响 选择时 应先绘制有色溶液的光吸收曲线 然后选用该溶液的最大吸收波长来进行测量 如果试液中某种组分在同样的波长也有吸收 则对测定有干扰 这时 可选另一灵敏度稍低 但能避免干扰的入射光波长 2 控制吸光度的范国Absorbancerange由仪器测量误差的讨论中可知 为了使测定结果获得较高的准确度 应该控制溶液的吸光度在一定范围内 一般要求是0 15 0 8 控制吸光度范围的方法是改变比色皿的厚度 也可以改变溶液的浓度或试样的质量 3 选择适当的参比溶液Referencesolution参比溶液又称空白溶液 在光度分析法中 利用参比溶液调节仪器的吸光度零点 消除显色溶液中其他有色物质的干扰 抵消比色皿壁及溶液对入射光的反射和吸收的影响等 3 共存离子的影响及其消除Interfernces 1 共存离子与显色剂生成有色化合物 使测定结果偏高 2 共存离子与被测组分或显色剂生成无色化合物或发生其它反应 降低了被测组分或显色剂的浓度 使测定结果偏低 3 共存离子本身具有颜色 消除共存离子的干扰主要有以下几种方法 A 加入适当的掩蔽剂 使干扰离子形成无色的化合物 从而降低溶