第九章_分光光度法ppt课件

第九章分光光度法 分析化学 第九章分光光度法 什么是分光光度法 基于物质分子对光的选择性吸收而建立起来的分析方法 包括比色法 可见分光光度法 紫外分光光度法 使用中用到分光光度计 因此是一种仪器分析方法 化学分析 常量组分 1 Er0 1 0 2 依据化学反应 使用玻璃仪器 化学分析法与仪器分析方法有什么不同 仪器分析 微量组分 1 Er1 5 依据物理或物理化学性质 需要特殊的仪器 例 含Fe约0 05 的样品 称0 2g 则m Fe 0 1mg 重量法m Fe2O3 0 14mg 称不准 容量法V K2Cr2O7 0 02mL 测不准 光度法结果0 048 0 052 满足要求 准确度高 灵敏度高 分析化学 第九章分光光度法 波粒二象性 结论 一定波长的光具有一定的能量 波长越长 频率越低 光量子的能量越低 单色光 具有相同能量 相同波长 的光 混合光 具有不同能量 不同波长 的光复合在一起 分析化学 第九章分光光度法 当白光通过某一有色溶液时 该溶液会选择性地吸收某些波长 wavelength 的光而让未被吸收的光透射过 即溶液呈现透射光的颜色 亦即呈现的是它吸收光的互补光的颜色 9 1 1物质对光的选择性吸收 分析化学 第九章分光光度法 9 1吸光光度法基本原理 光的互补 蓝 黄 不同颜色的可见光波长及其互补光 分析化学 第九章分光光度法 M 热 M 荧光或磷光 M h M 基态激发态E1 E E2 E E2 E1 h 能级结构的量子化 物质只能吸收某些特定波长的光 分子或原子间能级结构个性化 不同物质吸收不同波长的光 分析化学 第九章分光光度法 当一束光照射到物质或其溶液上时 M可以是分子 原子 或离子 电子能级的越迁 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 分析化学 第九章分光光度法 注意体会 紫外可见吸收光谱 红外光谱 原子吸收等吸收光谱的来源 吸收光谱or吸收曲线 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A 画图 分析化学 第九章分光光度法 吸收曲线与最大吸收波长 在最大吸收波长处测定吸光度 则灵敏度最高 不同物质吸收光谱的形状以及 max不同 定性分析的基础 同一物质 浓度不同时 吸收光谱的形状相同 Amax不同 定量分析的基础 分析化学 第九章分光光度法 Cr2O72 MnO4 的吸收光谱 AbsorptionspectraofCr2O72 MnO4 分析化学 第九章分光光度法 9 1 2光的吸收基本定律 朗伯 比耳 Lambert Beer 定律 A lg I0 It bc 朗伯定律 1760 A lg I0 It k1b 比尔定律 1852 A lg I0 It k2c 分析化学 第九章分光光度法 注意量纲式中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 摩尔吸收系数 单位L mol cm 或 A lg I0 It abcc 溶液的浓度 单位g L a 吸收系数 单位L g cm a与 的关系为 a M M为摩尔质量 朗伯 比耳定律数学表达式 分析化学 第九章分光光度法 1 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 2 与浓度无关 3 与吸收物质本身的性质有关 与波长有关 与温度有关 4 在最大吸收波长 max处的摩尔吸收系数 max 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 的讨论 分析化学 第九章分光光度法 max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 105 超高灵敏 6 10 104 高灵敏 104 103 中等灵敏 103 不灵敏 6 可作为定性鉴定的参数 摩尔吸收系数 的讨论 分析化学 第九章分光光度法 透射比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及吸光度的加和性 吸光度具有加和性 即同一入射波长下 多个物质有吸收时 总吸光度为各个物质吸光度之和 分析化学 第九章分光光度法 9 1 3偏离郎伯 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 分析化学 第九章分光光度法 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 分析化学 第九章分光光度法 非单色光作为入射光引起的偏离 假设由波长为 1和 2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液 则 A1 lg 01 t1 1bcA2 lg 02 t2 2bc 式中 01 02分别为 1 2的入射光强度 t1 t2分别为 1 2的透射光强度 1 2分别为 1 2的摩尔吸收系数 分析化学 第九章分光光度法 A总 lg 0总 t总 lg I01 02 t1 t2 lg I01 o2 0110 1bc 0210 2bc 令 1 2 设 01 02A总 lg 2I01 t1 1 10 bc A1 lg2 lg 1 10 bc 因实际上只能测总吸光度A总 故 分析化学 第九章分光光度法 讨论 A总 A1 lg2 lg 1 10 bc 1 0 即 1 2 则 A总 lg o t bc 0则 A与c不成正比 即出现偏离 分析化学 第九章分光光度法 讨论 3 很小时 即 1 2 可近似认为是单色光 在低浓度范围内 不发生偏离 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 分析化学 第九章分光光度法 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 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 分析化学 第九章分光光度法 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 c10 2mol 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 注意保持测定条件的一致 例 CrO42 2H Cr2O72 H2O 分析化学 第九章分光光度法 9 2光度计及其基本部件 1 分光光度计 分析化学 第九章分光光度法 9 2 1基本组成 光源 单色器 样品室 检测器 显示 分析化学 第九章分光光度法 9 2 2分光光度计的主要部件 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 分析化学 第九章分光光度法 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意波长单色光的光学系统 棱镜 依据不同波长光通过棱镜时折射率不同 分析化学 第九章分光光度法 光栅 在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕 600 1200 2400条 mm 原理 利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光 分析化学 第九章分光光度法 3 样品池 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 分析化学 第九章分光光度法 4 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 分析化学 第九章分光光度法 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 分析化学 第九章分光光度法 9 3显色反应与条件的选择 为什么要进行显色反应 光度分析中 对于本身无吸收的待测组分 先要通过显色反应将待测组分转变成有色化合物 然后测定吸光度或吸收曲线 与待测组分形成有色化合物的试剂称为显色剂 分析化学 第九章分光光度法 9 3 1显色反应的选择1 灵敏度高2 选择性高3 生成物稳定4 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 即 对比度 要求 60nm 分析化学 第九章分光光度法 9 3 2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 分析化学 第九章分光光度法 9 3 3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 分析化学 第九章分光光度法 9 3 4三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 分析化学 第九章分光光度法 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 max为入射光波长如果 max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 例 如图 该如何选工作波长 分析化学 第九章分光光度法 9 4 2参比溶液的选择 为什么需要使用参比溶液 以通过参比池的光强度I参比代替入射光强度I0的 以消除比色皿器壁对光的反射 非待测物质对光的吸收等 相当于在待测溶液的吸光度中减去非待测溶液引起的吸光度值 选择参比溶液所遵循的一般原则 谁干扰以谁为参比 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 分析化学 第九章分光光度法 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 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 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 分析化学 第九章分光光度法 9 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 A lgT bc 1 微分 2 2 式除以 1 式得 c c不仅与仪器的透射比读数误差 T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 分析化学 第九章分光光度法 最佳读数范围与最佳值 当 T 0 5 c c T关系曲线最佳读数范围 T在70 10 A在0 1 1 0之间时 浓度相对误差约小于2 浓度相对误差最小时的透射比Tmin为 Tmin 36 8 Amin 0 434如何保证使吸光度读数处在适宜范围 通过改变吸收池厚度待测液浓度 分析化学 第九章分光光度法 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 各组分的吸收曲线不重叠 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 A 1 a 1bca b 1bcbA 2 a 2bca b 2bcb 分析化学 第九章分光光度法 9 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 bcxAs bcsAr x s b cx cs b c绘制Ar c工作曲线 再根据cx cs c计算试样浓度 实际中 是以标准溶液cs为参比 则测得的Ax实际为 分析化学 第九章分光光度法 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 分析化学 第九章分光光度法 9 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 分析化学 第九章分光光度法 9 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 分析化学 第九章分光光度法 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 HLc 5 在低酸度时 弱酸全部以碱式形式存在 则 AL Lc 分析化学 第九章分光光度法 光度法测定一元弱酸离解常数的基本公式 分析化学 第九章分光光度法 实验过程 每改变一个pH 测定一个吸光度A 思考 AL和AHL如何得到 9 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 分析化学 第九章分光光度法 思考 吸光光度法测定配合物组成的条件是什么 9 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 分析化学 第九章分光光度法 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 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 n 分析化学 第九章分光光度法 1 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 max 200nm 只能被真空紫外分光光度计检测到 甲烷的 max为125nm 乙烷 max为135nm 2 n 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 跃迁 如一氯甲烷 甲醇 三甲基胺n 跃迁的 max分别为173nm 183nm和227nm 分析化学 第九章分光光度法 3 跃迁 所需能量较小 近紫外区 max 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 跃迁的 max为162nm max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 max 180nm max 104 E2带 max 200nm max 104 和B带 max 278nm max 10 103 用于芳香化合物的鉴别 分析化学 第九章分光光度法 4 n 跃迁 需能量最低 吸收波长 max 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 键同时存在时发生n 跃迁 丙酮n max为275nm max为22L mol 1 cm 1 分析化学 第九章分光光度法 9 6 2影响紫外吸收光谱的因素 溶剂的影响 改变光谱形状 精细结构 和吸收波长 极性大的溶剂会使 跃迁谱带红移 使n 跃迁谱带向蓝移 溶剂pH值的影响 具有酸或碱性基团时影响较大 空间效应的影响 存在空间阻碍 影响了较大共轭体系的生成 则吸收波长 max较短 小 分析化学 第九章分光光度法 红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长 ma