基础化学课件 第十三章-可见和紫外分光光度法

第13章

可见和紫外分光光度法分析化学的分类化学分析仪器分析重量分析法容量（滴定）分析法酸碱滴定氧化还原滴定络合滴定沉淀滴定光谱分析法（UV、IR）电化学分析法色谱分析法（TLC、GC、HPLC）第13章可见和紫外分光光度法

§13.1

分光光度法基本原理

§13.3

原子吸收分光光度法

§13.2

可见-紫外分光光度法

§13.1

分光光度法基本原理13.1.2

透光率和吸光度13.1.1

吸收光谱的产生和吸收曲线13.1.3

朗伯-比尔定律分光光度法(spectrophotometry)按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法、可见分光光度法和红外分光光度法。分光光度法是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析和定量分析的分析方法。其所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。分光光度法的分类波长范围紫外分光光度法10nm~380nm可见分光光度法380nm~780nm红外分光光度法780nm~300000nma

与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快;b

灵敏度高;c

选择性好;d

精密度和准确度较高;e

用途广泛。

紫外-可见分光光度法的特点：

13.1.1

分光光度法的基本原理1.吸收光谱的产生与吸收曲线光是一种电磁波，如果按波长或频率排列，有如下所示的电磁波谱。波谱名称

波长范围

分析方法

γ射线

0.005~0.17nm

中子活化分析，穆斯堡尔谱法

X射线

0.1~10nm

X射线光谱法远紫外

10~200nm

真空紫外光谱法

近紫外

200~400nm

紫外光谱法可见光

400~760nm

比色法，可见吸光光度法

核磁共振光谱法1~1000m射频微波光谱法1~1000mm微波红外光谱法50~1000远红外红外光谱法2.5~50中红外红外光谱法0.76~2.5近红外光具有波粒二相性。光的波长λ、频率、速率c、能量E之间的关系为：

不同波长的光具有不同的能量，光的波长越短，光的能量就越大；光的波长越长，光的能量就越小。光和电磁辐射可见光谱(连续光谱)可见光的波长范围λ：380nm~760nm380nm760nm紫外,紫,蓝,青蓝,青,绿,黄,橙,红,红外单色光:单一波长的光复色光:含多种波长的光白光是一种复色光互补色光:若两种颜色的光按适当强度比例可组成白光，则这两种光称为互补色光。白互补色光示意图红橙黄绿青青蓝蓝紫物质对光的选择性吸收用光照射物质，物质微粒（分子、离子、原子、电子）与光子发生作用，物质微粒吸收光子的能量由基态跃迁到激发态。M（基态）+hv（光子能量）M（激发态）不同物质激发态与基态的能量差不同，选择吸收光子的能量不同。物质选择性地吸收一定波长的光物质对光的吸收具有选择性用白光照射物质，若物质选择性地吸收了某种颜色的光，则物质呈现吸收光的互补光的颜色硫酸铜溶液是蓝色的硫酸铜溶液吸收了黄色的光高锰酸钾溶液是紫色的高锰酸钾溶液吸收了绿色的光颜色的互补关系示意图物质的吸收光谱曲线吸光度A（absorbance）物质对光的吸收程度用不同波长的单色光依次照射溶液，测定溶液对不同波长的单色光的吸光度A。物质对不同波长的光的吸光度是不同的。以波长λ为横坐标、吸光度A为纵坐标作图，可以得一曲线，称为吸收光谱曲线，简称吸收光谱或吸收曲线。动画A0.20.40.6400500600λ(nm)某溶液的吸收曲线λmax吸收光谱中吸光度最大处的波长。最大吸收波长λmax不同物质的λmax不同。λmax是应用分光光度法对物质进行定性分析的基础。定性分析：检测是否含某种物质。A0.20.40.6400500600λ(nm)不同物质溶液的吸收光谱λmaxλmax物质1物质2同一物质的溶液，λmax不变。但吸光度A随浓度变化。浓度越大，吸光度A越大。吸光度A随溶液浓度变化。这是应用分光光度法对溶液进行定量分析的基础A0.20.40.6400500600λ(nm)某物质不同浓度溶液的吸收光谱λmax高浓度低浓度动画2.透光率和吸光度设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia,透射光强度为It，反射光强度为Ir，则用一束平行单色光通过溶液，光一部分被吸收，一部分透过，一部分被反射。I0=Ia+It+Ir由于反射光强度基本相同，其影响可相互抵消，上式可简化为：

I0=Ia+It单色光入射光I0吸收光Ia透射光It吸收池厚度b透光率：透过光的强度It与入射光强度I0之比称为透光率，用T表示：透光率越大，溶液对光的吸收越少。T=ItI0

吸光度:透光率的负对数称为吸光度，用A表示，吸光度越大，溶液对光的吸收越多。A=－lg

T=lg（I0/It）透光率T（%）吸光度A01000∞500.3101.0A=－lg

T

3.朗伯(Lambert)-比尔(Beer)定律

：当一束平行单色光通过一固定浓度的溶液时，溶液的吸光度A与液层厚度b成正比，即式中比例系数k1

与吸光物质的本性、入射光波长、溶液浓度、溶剂类型及温度等因素有关。A=k1

b

动画式中比例系数k2

与吸光物质的本性、入射光波长、液层厚度、溶剂类型及温度等因素有关。

Beer(比尔)定律：当一束平行单色光通过一液层厚度固定的溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c成正比，即A=k2

c动画

朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。

Lambart-Beer定律将Lambart定律与Beer定律合并，即得Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩尔吸光系数，单位L·mol－1·cm－1b：液层厚度，单位cmc：物质的量浓度，单位mol·L－1。Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩尔吸光系数，单位L·mol－1·cm－1b：液层厚度，单位cmc：物质的量浓度，单位mol·L－1。Lambart-Beer定律另一形式A=

abρa：质量吸光系数，单位L·g－1·cm－1b：液层厚度，单位cmρ：质量浓度，单位g·L－1。Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩尔吸光系数，单位L·mol－1·cm－1b：液层厚度，单位cmc：物质的量浓度，单位mol·L－1。Lambart-Beer定律另一形式A=

abρE：比吸光系数，单位mL·g－1·cm－1b：液层厚度，单位cmρ：质量浓度，单位g·mL－1。或A=

EbρLambart-Beer定律A=

εbcA=

abρε与a的关系ε=aMM：被测物质的摩尔质量A=

εbc

=

abρεc=aρc=ρ/MLambart-Beer定律A=

εbcε可应用标准溶液（浓度准确已知的溶液）求得ε越大，测定的灵敏度就越高。一般ε大于103即可用分光光度法进行测定。同一物质的溶液，在不同波长下ε不同在λmax处ε最大。例某化合物的相对分子质量为251，其浓度为1.50×10－4mol·L－1的溶液在480nm处用2.00cm的吸收池测定时的透光率为39.8%.求该化合物在480nm处的ε和a值.解

A=－

lg

T=－lg0.398=0.400ε480nm=Abc

=0.4002.00×1.50×10－4

=1.33×103L·mol－1·cm－1a

480nm=εM

=1.33×103251=5.30L·g－1·cm－113.2

紫外-可见分光光度法1.可见及紫外分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器显示动画光源单色器样品室检测器显示在可见分光光度计中，常用的光源是钨灯(1)光源钨灯可发出包含全部可见光波长范围的连续光谱，最适宜的波长范围是360nm~1000nm在紫外-可见分光光度计中还装有氢灯或氘灯。氢、氘灯发射150～400nm的连续光谱单色器的主要组成：色散元件、入射狭缝、出射狭缝、和准直镜等部分。(2)单色器（单色光器，分光器）单色器质量的优劣，主要决定于色散元件的质量。色散元件常用棱镜和光栅。吸收池又称比色皿，按材料可分为玻璃吸收池和石英吸收池，前者不能用于紫外区。(3)吸收池吸收池的种类很多，其所装溶液液层厚度可在0.1~10cm之间，其中以1cm吸收池（即液层厚度为1cm）最为常用。

(4)检测器检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。现今使用的分光光度计大多采用光电管或光电倍增管作为检测器。(5)信号显示系统常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。分光光度计的类型很多目前国内广泛采用的721型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。现在已有很多与计算机相联。2.测定方法及应用(1)标准曲线法方法：配制一系列不同含量的标准溶液，选用适宜的参比，在相同的条件下，测定系列标准溶液的吸光度，作A-c曲线，即标准曲线，也可用最小二乘数处理，得线性回归方程。在相同条件下测定未知试样的吸光度，从标准曲线上就可以找到与之对应的未知试样的浓度。标准曲线cA相同的条件包括①选择的入射光波长要相同（一般选择最大吸收波长λmax为测定波长）。②吸收池厚度要相同。③选择的参比溶液（空白溶液）要相同。参比溶液（空白溶液）参比溶液是用作空白对照的溶液。测定试样溶液的吸光度之前，需先用参比溶液调节分光光度计，使参比溶液的透光率为100%（吸光度为0），以消除测定误差。参比溶液可以消除以下因素对测定的影响：①溶剂及其他物质对入射光的吸收。②吸收池界面对光的反射。③光在溶液中的散射。

①溶剂参比（溶剂空白）试样简单、共存其它成分对测定波长无吸收，只考虑消除溶剂与吸收池等因素的影响；

参比溶液的选择视分析体系而定，具体有：②试剂参比（试剂空白）如果显色剂或其它试剂在测定波长有吸收，按显色反应相同的条件，不加入试样，同样加入试剂和溶剂作为参比溶液。

③试样参比（试样空白）如果试样基体溶液在测定波长有吸收，而显色剂不与试样基体显色时，可按与显色反应相同的条件处理试样，只是不加入显色剂。将待测溶液与某一标样溶液，在相同的条件下，测定各自的吸光度，建立比尔定律，解方程求出未知样浓度与含量。

As=Kcs

Ax=Kcx(2)直接比较法显色反应及显色条件的选择可见分光光度法只能用于测定有色溶液。对无色溶液和颜色较浅的溶液进行测定时，必须加入一种能与被测组分反应生成颜色较深的有色化合物的试剂，然后再进行测定。将被测组分转变成有色化合物的化学反应称为显色反应，能与被测组分反应使之生成有色化合物的试剂称为显色剂。例铁离子（无色）+磺基水杨酸（无色）稳定的黄色物质磺基水杨酸就是铁离子的显色剂例钢中微量锰的测定，

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4-

+10SO42-＋16H+

将Mn2＋

氧化成紫红色的MnO4-后，在525nm处进行测定。显色剂必须具备的条件：（1）灵敏度要高。生成的有色物质ε越大越好。（2）选择性好。尽可能选择只与被测物质显色而与溶液中共存的其他物质不显色的显色剂。（3）生成的有色物质要有确定组成。（4）生成的有色物质要稳定。（5）显色剂对测定波长无吸收。常用显色剂类型无机显色剂：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、二甲酚橙等适当的显色条件的选择a.显色剂用量要适当。通过实验确定适当用量吸光度与显色剂用量的关系b.溶液酸度要适当c.显色时间和温度要适当溶液的酸度对显色反应的影响主要表现在对被测组分存在状态的影响对显色剂的平衡浓度和颜色的影响对有色化合物组成的影响通过实验确定适当酸度通过实验确定适当的时间和温度3.测定误差的分析(1)溶液偏离Beer定律引起的误差标准曲线cA符合Beer定律偏离Beer定律原因

①化学因素吸光物质不稳定，浓度变化时发生反应。

②光学因素入射光不是完全的单色光，而是一束波