无机及分析化学 第九章 紫外分光光度法

1、1第九章紫外分光光度法Ultraviolet and VisibSpectrophotometry2学学 习习 要要 求求 1.了解物质颜色与光吸收的关系。 2.了解吸光光度法的基本概念和特点，掌握吸收曲线的特点，了解其应用。 3.掌握Lambert-Beer定律的原理和应用，掌握吸光系数a和摩尔吸光系数，了解Lambert-Beer定律的偏离情况。 4.掌握显色反应的特点,显色条件和测量条件的选择。 5.掌握吸光光度法的应用，了解吸光光度法的仪器构造和工作原理。39.1 概述9.2 光吸收的基本定律 9.3 紫外-可见分光光度计 9.4 分光光度法分析条件的选择9.5 紫外-可见分光光度测定

2、的方法 9.6 分光光度法的应用4紫外-可见分光光度法 基于物质对200800nm波长区间光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为紫外-可见分光光度法 特点： 灵敏度高 用于10-710-4gmL-1微量组分的测定。 准确度高 相对误差一般在2%5%之间。 操作方便 快速 仪器价格低。 应用广泛 定量分析、定性分析和结构分析； 无机物、有机物分析； 测定配合物的组成、酸碱离解常数。59.1概述 1.电磁波谱 将电磁辐射按其波长顺序排列即为电磁波谱。电磁辐射具有波粒二象性。 波动性： c = (9-1) 粒子性： (9-2) 波长短能量大，波长长能量小。 表9-1 电磁波谱 波谱区名称 波长范围

3、X 射线 10-310nm 远紫外光 10200nm 近紫外光 200400nm 可见光 400760nm 近红外光 0.76205m 中红外光 2.525m 远红外光 25100m 微波 0.1100cm 无线电波 1100mcE=h= hl6 波长在10105 nm内的电磁波称为光。 400760 nm的光能被人眼感觉，称为可见光。 200400 nm的光称为近紫外光。 不同波长的光具有不同的颜色。 单色光单色光 只具有一种波长的光。 复合光复合光 由两种以上波长组成的光。 白光白光是一种复合光，白光经过色 散作用可分解为红、橙、黄、绿、 青、蓝、紫七种颜色的光。每种颜 色光都具有一定的波

4、长范围，均为 复合光。 表9-2 不同波长光的颜色 波长/nm颜色 620760 红色 590620 橙色 560590 黄色 500560 绿色 480500 青色 430480 蓝色 400430 紫色7 2.物质对光的选择性吸收 溶液呈现不同的颜色:由于溶液中的质点（分子或离子）对不同波长的光选择性吸收而产生的。 若溶液选择性地吸收某一部分波长的光，而让其他波长的光透过，则溶液呈现透过光的颜色，即溶液呈现的颜色是它吸收光的互补色。 如:硫酸铜溶液因吸收了白光中的黄色光黄色光而呈现蓝色；高锰酸钾溶液因吸收了白光中的绿色光绿色光而呈现紫色等。 物质不同，对光的选择性吸收不同，不同物质的溶液就

5、呈现不同的颜色。 8表9-3 物质吸收光波长与呈现颜色的关系 l/nm 颜色互补光400450紫黄绿450480蓝黄480490绿蓝橙490500蓝绿红500560绿红紫560580黄绿紫580610黄蓝610650橙绿蓝650760红蓝绿白光白光青蓝青蓝青青绿绿黄黄橙橙红红紫紫蓝蓝9 物质对光选择性吸收的原因物质对光选择性吸收的原因 分子的电子能级跃迁产生了对光的吸收, 分子的电子能级是固定的。当入射光能量与物质分子的电子能级间的能量差E 相等时才会被吸收，即 （9-3) 式中，E为吸光分子两个能级间的能量差；，为所吸收光的波长和频率；h为普朗克常数。 这种分子中电子能级的跃迁所对应的波长范

6、围在紫外-可见光区。紫外-可见光光谱法属于分子光谱。 hch=lDE = E 2-E 1 =10 9.29.2光吸收的基本定律光吸收的基本定律 1.朗伯比尔定律 朗伯和比尔分别研究了光的吸收程度与有色溶液液层厚度及溶液浓度的定量关系。 一束强度为I0的平行单色光通过液层厚度为b的有色溶液时，由于溶液中吸光质点对光的吸收作用，透过溶液后的光强度减弱为I,设有色溶液浓度为c ，则有如下关系： 0lgIkbcI=11 有色溶液若对光无吸收，即It=I0，则 ； 吸收程度越大，It越小， 越大。 表示溶液对光的吸收强度，称吸光度， 用符号A表示。 A=kbc （9-8） 表明当一束单色光通过有色溶液后

7、，溶液的吸光度与有色溶液浓度及液层厚度成正比。 0lgtII0lgtII0Lg0tII12透光率透光率 T T ( transmittance ) ( transmittance )透光率定透光率定义义：0IITt=T 取值为取值为0.0 % 100.0 %全部吸收全部吸收T = 0.0 %全部透射全部透射T = 100.0 %入射光入射光 I0透射光透射光 It吸光度吸光度A A与透光度与透光度T T的关系为的关系为: :01lglglgIATIT= -13 当c 的单位为gL-1、液层厚度b 的单位为cm时，常数k以a 表示，a称为吸光系数，单位为Lg-1cm-1。其物理意义是：浓度为lg

8、L-1，液层厚度为1cm，在一定波长下测得的吸光度。此时式(9-8)变为 A = abc（9-10） 当c的单位为molL-1，液层厚度b的单位为cm时，常数k以来表示，称为摩尔吸光系数，单位为Lmol-1cm-1。表示吸光质点的浓度为1molL-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。此时式(9-10)变为 A=bc（9-11）14 值越大，表明有色溶液对光的吸收能力越强，溶液颜色越深，用光度法测定该吸光物质时的灵敏度越高。 104显色反应的灵敏度低104 5104属中等灵敏度5104 105属高等灵敏度 105 属超高灵敏度 对于微量组分的分析，一般选较大的显色反应, 以提高测定的灵敏度。通常

9、所说的摩尔吸光系数是指最大吸收波长处的摩尔吸光系数,以max表示。1562+61mol L500 10Fe8.9 1055.85c-）（）（41160.191.1 10L molcm2 8.9 10-（）Abc例9-1用1，10-邻二氮菲比色测定铁，已知试液中Fe2+的浓度为500ugL-1，比色皿厚度为2cm，在波长508nm处测得吸光度A =0.19。计算Fe-1，10-邻二氮菲有色配合物的摩尔吸光系数。解：解：Fe的摩尔质量为55.85克/gmol-1则Question 16 实际测定时，浓度和吸光度往往偏离线性关系,这种现象称为偏离朗伯-比耳定律。主要原因： 单色光不纯引起的偏离 朗伯

10、-比尔定律只适用于单色光。 溶液本身的原因引起的偏离 朗伯-比尔定律只适用于均匀、非散射性溶液。 2.偏离朗伯-比尔定律的原因 cA对比尔定律的偏离情况对比尔定律的偏离情况正偏离正偏离负偏离负偏离17 3.吸收曲线 光吸收曲线具有特征性。不同的物质光吸收曲线不同，max不同。同一物质无论其浓度大小，光吸收曲线相似，max不变。由此可根据光吸收曲线进行定性分析。同一物质的溶液在某波长处的吸光度A随着浓度的改变而变化。这个特征可作为定量分析的依据。 525 nm，最大吸收波长，用max表示图9-4 不同浓度的KMnO4溶液的吸收曲线189.3 紫外-可见分光光度计191.1.紫外紫外- -可见分光

11、光度计可见分光光度计基本构造基本构造光源光源单色器单色器吸收池吸收池检测器检测器信号输出信号输出 氢灯，氢灯，185 350 nm； 卤钨灯，卤钨灯，250 2000 nm.基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置( (比色皿比色皿) )盛待测及参比溶液。盛待测及参比溶液。光学玻璃，石英光学玻璃，石英作用：将光信号转换为电信号，并放大作用：将光信号转换为电信号，并放大光电管，光电倍增管，光电二极管光电管，光电倍增管，光电二极管表头、记录仪、屏幕、数字显示表头、记录仪、屏幕、数字显示棱镜棱

12、镜: :玻璃玻璃3503503200nm, 3200nm, 石英石英1851854000nm4000nm光栅光栅: :波长范围宽波长范围宽, , 色散均匀色散均匀, ,分辨性能好分辨性能好20单波长单光束分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器显示2.2.分光光度计的类型分光光度计的类型经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和试样溶液，以进行吸光度的测定。21 双光束分光光度计双光束分光光度计 双光束分光光度计的光路设计基本上与单光束的相似，不同的是在单色器与吸收池之间加了一个斩光器。斩光器把均匀的单色光变成一定频率、强度相同的交替光，一束通过参比溶液，另一束通过试样溶液，然后由检测系

13、统测量即可得到试样溶液的吸光度。由于采用双光路方式，两光束同时分别通过参比池和试样池，使操作简单，同时也消除了因光源强度变化所引起的误差。22单波长双光束分光光度计比值比值光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器23双波长分光光度计双波长分光光度计 从光源发射出来得光分为两束,分别经过两个单色器,得到两束波长不同的单色光。借助切光器,使这两道光束以一定的频率交替地通过样品池,最后由检测器显示出试液对波长为1和2的光的吸光度差值。设波长为1和2的两束单色光的强度相等，则有111bAbcAll=222bAbcAll=Ab1和Ab2和分别为背景对1和2波的散射或吸收。如果波长1和2相距较近，则可认为Ab

14、1Ab2。1212()AAAbcllllD=-=-A与吸光物质浓度成正比，且基本上消除了样品背景的影响。这是用双波长分光光度法进行定量分析的理论依据241. 1. 显色反应的要求显色反应的要求 显色反应（color reaction）:被测元素在某种试剂的作用下，转变成有色化合物的反应。(color reagent)：所加入试剂称为显色剂。 常见的显色反应大多数是生成配合物的反应，少数是氧化还原反应和增加吸光能力的生化反应。9.4 9.4 分光光度法分析条件的选择分光光度法分析条件的选择25 显色反应的要求： 选择性好 所用的显色剂仅与被测组分显色而与其他共存组分不显色，或其他组分干扰少。 灵

15、敏度足够高 有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般应有104105数量级。 有色配合物的组成要恒定 显色剂与被测物质的反应要定量进行，生成有色配合物的组成要恒定。 生成的有色配合物稳定性好 即要求有色配合物有较大的稳定常数，不易受外界环境条件的影响，亦不受溶液中其他化学因素的影响。有较好的重现性，结果才准确。 色差大 有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。262.2.影响显色反应的因素影响显色反应的因素 显色剂的用量显色剂的用量 显色反应一般可表示为： M + R MR 有色配合物MR的稳定常数越大，显色剂R的用量越多，越有利于显色反应的进行。但有时过多的显色

16、剂反而对测定不利。在实际工作中，常根据实验结果来确定显色剂的用量。c(R)27 溶液的酸度溶液的酸度 许多显色剂都是有机弱酸或有机弱碱，溶液的酸度会直接影响显色剂的解离程度。对某些能形成逐级配合物的显色反应，产物的组成会随介质酸度的改变而改变，从而影响溶液的颜色。另外，某些金属离子会随着溶液酸度的降低而发生水解，甚至产生沉淀，使稳定性较低的有色配合物解离。pHpH1pH0.8，这时可将试液稀释一定倍数后重测；如所测A 0.8，这时可选择光程较短的吸收池；如所测定A cs,根据朗伯-比尔定律 As=bcsAx=bcx两式相减：AxAs=b(cxcs)即A=bc (9-13) 当液层厚度b一定时，被测溶液与参比溶液吸光度的示差值与两溶液的浓度差成正比。这就是示差法的基本原理。43 示差法测定采用工作曲线法。在系列标准溶液中以浓度最低的标准溶液为参比，调节其吸光度为零，测定其他标准溶液的吸光度（A）。以浓度差（c）为横坐标，吸光度差（A）为纵坐标作图即得示差法的工作曲线。在相同的条件下测定待测试液的吸光度(A)，根据测得的(A)在工作曲线上找出相应的c值,从cx=cs+c,便可求出待测试液的浓度。 图9-12 示差法的标尺放大原理44*2.多组分含量的测定 由于吸光度具