第九章分光光度法

1、第九章分光光度法 第九章第九章 分光光度法分光光度法 分析化学第九章 分光光度法 什么是分光光度法？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使用中用到分光光度计，因此是一种仪器分析方法 第九章分光光度法 化学分析：常量组分化学分析：常量组分(1%), Er 0.1%0.2% 依据化学反应依据化学反应, 使用玻璃仪器使用玻璃仪器 化学分析法与仪器分析方法有什么不同？化学分析法与仪器分析方法有什么不同？ 仪器分析：微量组分仪器分析：微量组分(105：超高灵敏；：超高灵敏； =

2、 (610）104 ：高灵敏；：高灵敏； = 104 103 ：中等灵敏；：中等灵敏； 103 ：不灵敏。：不灵敏。 （6） 可作为定性鉴定的参数。可作为定性鉴定的参数。 摩尔吸收系数摩尔吸收系数的讨论的讨论 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 cb I I TA 0 lglg 透射比透射比T : 描述入射光透过溶液的程度描述入射光透过溶液的程度 T = I / I0 吸光度吸光度A与透射比与透射比T 的关系的关系: 透射比T及吸光度的加和性 吸光度具有加和性吸光度具有加和性(即同一入射波长下即同一入射波长下, 多个物质有吸收时多个物质有吸收时, 总吸总吸 光度为各个物质吸光度之和光

3、度为各个物质吸光度之和)。 nnn bcbcbcAAAA 221121总 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.1.3 偏离郎伯偏离郎伯-比耳定律的原因比耳定律的原因 1. 1. 现象现象 标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准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 象称为对朗伯象称为对朗伯比耳定律的偏离。比耳定律的偏离。 2. 2. 引起偏离的因素（两大类）引起偏离的因素（两大类） （1 1）物理性因素，）物理性因素， 即仪器的非理想引起的；即仪器的非理想引起的； （2 2）化学

4、性因素。）化学性因素。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 物理性因素：物理性因素： 难以获得真正的纯单色光。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 光可导致对朗伯光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。比耳定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非平行入非单色光、杂散光、非平行入 射光都会引起对朗伯射光都会引起对朗伯比耳定律的比耳定律的 偏离，最主要的是非单色光作为入偏离，最主要的是非单色光作为入 射光引起的偏离。射光引起的偏离。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 非单色光作为入射光引起的偏离：非单色光作

5、为入射光引起的偏离： 假设由波长为假设由波长为1和和2的两单色光的两单色光 组成的入射光通过浓度为组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：的溶液，则： A1lg（01 /t1 ） 1 bc A2lg(02 /t2 ） 2 bc 式中：式中：01、02分别为分别为1、2 的入射光强度；的入射光强度； t1 、t2分别为分别为1、2 的透射光强度；的透射光强度； 1、 2分别为分别为1、2的摩尔吸收系数；的摩尔吸收系数； cbcb IIII 2 12 1 11 10;10 0t0t 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 A总 总 = lg（ （0总 总/ t总 总 ) = lg(I01 +02

6、)/(t1 +t2 ） = lg(I01 +o2)/(01 10 - 1bc +02 10 - 2bc ） 令：令： 1 - 2 = ； 设：设： 01 =02 A总 总 = lg(2I01)/ t1(1 +10 - bc ） = A 1 + lg2 - lg(1 +10 - bc ) 因实际上只能测总吸光度因实际上只能测总吸光度A总 总，故 ，故 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 讨论：讨论： A总 总 =A1 + lg2 - lg(1 10 bc ) (1) = 0； 即：即： 1= 2 = 则：则： A总 lg（o /t） bc 0 则：则：A与与c不成正比不成正比，即出现偏

7、离。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 讨论：讨论： (3) 很小时，即很小时，即 1 2： 可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。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，首先为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的应选择比较好的 单色器单色器。此外还应。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸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收波长且吸收曲线较平坦处。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 讨论：讨论： 选用谱带选用谱带a的复合光进行测量，得到右图的工作曲的复合光进行测量，得到右图的工作曲

8、线，线，A与与c基本呈直线关系。基本呈直线关系。 选用谱带选用谱带b的复合光进行测量，的复合光进行测量， 的变化较大，的变化较大， 则则A随波长的变随波长的变 化较明显，得到化较明显，得到 的工作曲线明显的工作曲线明显 偏离线性。偏离线性。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 (2) (2) 化学性因素化学性因素 朗伯朗伯比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生 相互作用；仅在稀溶液相互作用；仅在稀溶液(c10 -2 mol L-1时，吸光质点间可能发生缔合时，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。等相互作用，直接影响了对光

9、的吸收。 故：朗伯故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液。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 成等化学平衡时成等化学平衡时, 使吸光质点的浓度发生变化使吸光质点的浓度发生变化, 注意保持注意保持 测定条件的一致。测定条件的一致。 例：例： CrO42- + 2H+ = Cr2O72- + H2O 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.2 光度计及其基本部件光度计及其基本部件 1.1.分光光度计分光光度计 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.2.1 基本组成基本组成 光源 单色器样品室检测器显示 分

10、析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.2.2 分光光度计的主要部件 1. 光源光源 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：钨灯作为可见光区：钨灯作为 光源，其辐射波长范围在光源，其辐射波长范围在 3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。紫外区：氢、氘灯。 发射发射185400 nm的连续的连续 光谱。光谱。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 2. 2. 单色器单色器 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。任意波长单色光的光

11、学系统。 入射狭缝入射狭缝 准直透镜准直透镜 棱镜棱镜聚焦透镜聚焦透镜出射狭缝出射狭缝 白光白光 红红 紫紫 1 1 2 2 800 600 500 400 棱镜：棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同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 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 间距条痕间距条痕(600、1200、2400条条/mm )。 M1 M2 出出 射射 狭狭 缝缝 光屏光屏 透透 镜镜 平面透平面透 射光栅射光栅 光栅衍射示意图光栅衍射示意图 原理：原理：利用光通过光栅时利用光通过光栅时

12、发生衍射和干涉现象而分光发生衍射和干涉现象而分光. 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 3. 样品池样品池 样品室放置各种样品室放置各种 类型的吸收池（比色皿）类型的吸收池（比色皿） 和相应的池架附件。吸和相应的池架附件。吸 收池主要有石英池和玻收池主要有石英池和玻 璃池两种。在紫外区须璃池两种。在紫外区须 采用石英池，可见区一采用石英池，可见区一 般用玻璃池。般用玻璃池。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 4. 检测系统检测系统 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，

13、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产生的光电流应与照 射于检测器上的光强度成正比。射于检测器上的光强度成正比。 (1)(1)光电管光电管 碱金属碱金属 光敏阴极光敏阴极 Ni环（片）环（片） h 分析化学第九章 分光光度法 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 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？为什么要进行显色反应

14、？ 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。 Fe2+ + 3 橘橘 红红 色色 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.3.1 显色反应的选择显色反应的选择 1.1.灵敏度高灵敏度高 2. 选择性高选择性高 3. 生成物稳定生成物稳定 4. 显色剂在测定波长处无明显吸收显色剂在测定波长处无明显吸收(两种有色物最大吸两种有色物最大吸 收波长之差收波长之差,即即“对比度对比度”，要求，要求 60 nm)。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.3.2 显色反应条

15、件的选择 1.1.显色剂用量显色剂用量 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。 2.2.反应体系的酸度反应体系的酸度 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。 3.3.显色时间与温度显色时间与温度 实验确定 4.4.溶剂溶剂 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.3.3 显色剂显色剂 无机显色剂：无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵等。 有机显色剂：有机显色剂：种类繁多 偶氮类显色剂偶氮类显色剂：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、P

16、AR等。 三苯甲烷类三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等 分析化学第九章 分光光度法 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12倍，有时甚至提高5倍以上。 3. 比二元体系

17、具有更高的选择性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 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 第九章分光光度法 9.4.2 参比溶液的选择参比溶液的选择 为什么需要使用参比溶液？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

18、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（水收，其他所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水) )作参比溶作参比溶 液；液； 分析化学第九章 分光光度法 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，用而试液本身无吸收，用“试剂空白试剂空白”( (不加试样溶液不加试样溶液) ) 作参比溶

19、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，则可用收，则可用“试样空白试样空白”( (不加显色剂不加显色剂) )作参比溶液；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。显色剂，作为参比溶液。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.4.3 吸光度读数范围的选择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 (

20、1) 微分： (2) (2)式除以(1)式得： bdcT T T d 434. 0 dln434. 0dlgT 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？是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？ T TT . c c d lg 4340d T TT . c c lg 4340 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 最佳读数范围与最佳值最佳读数范围与最佳值: : 当：当：T =0.5%， c/c T 关系曲线关系曲线 最佳读数范围最佳读数范围: T 在在 70%10% , A 在在0.11.0之间时之间时, 浓度相

21、对误差约小浓度相对误差约小 于于2% 浓度相对误差最小时的透射比浓度相对误差最小时的透射比Tmin为为： Tmin 36.8%, Amin 0.434 如何保证如何保证使吸光度读数处在适宜范围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 第九章分光光度法 9.5 吸光光度法的应用吸光光度法的应用 9.5.1 普通分光光度法普通分光光度法 1.1.单组分的测定单组分的测定 A- c 标准曲线法定量测定。标准曲线法定量测定。 2.2.多组分的同时测定多组分的同时测定 各组分的吸收曲线不重叠各组分的吸收曲线不重叠 各组分的吸收曲线互有重叠各组分的吸收曲线

22、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。根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。 A1 = a1 bca b1bcb A2 = a2 bca b2bcb 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.5.2 高含量组分的测定高含量组分的测定示差法示差法 设：待测溶液浓度为设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为标准溶液浓度为cs(cs cx)。 则：则： Ax= b cx As = b cs Ar = =x s = b(cx cs ） = bc 绘制绘制Ar c工作曲线，再根据工作曲线，再根据cx=cs+c计算试样浓度。计算试样浓度。 实际中实际中, 是以标准溶

23、液是以标准溶液cs为参比为参比, 则测得的则测得的Ax实际为实际为 分析化学第九章 分光光度法 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？示差法为什么能较准确地测定高浓度组分呢？ 普通光度法普通光度法: cs: Ts = 10%， cx : Tx=5%， 示差法示差法: 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 第九章分光光度法 9.5.3 9.5.3 光度滴定光度滴定 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

24、于平衡常数较小的滴定反应。 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 9.5.4 酸碱离解常数的测定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- HL LH a K (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。 LHL L HL A 分析化学第九章 分光光度法 第九章分光光度法 根据分布系数的概念 LHL L HL A HH H L HL a a a K cK K c A (4)假设高酸度时，弱酸全部以酸式形式存在，则: AHL= HLc (5)在低

25、酸度时，弱酸全部以碱式形式存在，则: AL= Lc HH H LHL a a a K AK K A A 分析化学第九章 分光光度法 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。 HH H LHL a a a K AK K A A H L HL AA AA K a AA AA K HL L a lgpHp 分析化学第九章 分光光度法 实验过程实验过程: 每改变一个pH, 测定一个吸光度A; 思考思考: AL 和AHL如何得到? 第九章分光光度法 9.5.5 配合物组成及稳定常数的测定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

26、配位体浓度cL逐渐改变的不同 溶液的吸光度。作图 (2)当cL/cMn时，配位不完全 当cL/cMn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? 第九章分光光度法 9.5.6 双波长分光光度法双波长分光光度法 两束光交替照射：两束光交替照射： bcAAA)( 2121 试液本身作参比液。试液本身作参比液。 主要应用：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 第九章分光光度法 9.6 紫外吸收光谱法简介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电子跃迁的类

27、型 有机化合物三种价电子：有机化合物三种价电子：、n 电子电子。 分子轨道理论分子轨道理论：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 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 104 Lmol -1 cm -1以上，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 *跃迁的跃迁的max为为162 nm， max为为: 1104 L mol-1cm -1 共轭烯炔中的跃迁的吸收峰称共轭烯炔中的跃迁的吸收峰称 K 吸收带。吸收