分析化学：6.1 光度法基本原理

第六章

紫外-可见分光光度分析法6.1.1光的基本性质6.1.2物质分子对光的选择性吸收与吸收曲线6.1.3光的吸收定律6.1.4电子跃迁与吸收带类型第一节

基本原理本章教学基本要求掌握分光光度法的特点、基本原理、测定方法及计算方法；掌握朗伯-比尔定律，摩尔吸收系数与吸收系数，吸光度与透光度，偏离朗伯-比尔定律的原因；掌握显色反应条件及光度测量条件的选择；熟悉仪器的基本组成及关键部件；熟悉差示分光光度法的原理、特点；

了解紫外-可见分光光度法在结构分析中的应用；了解双波长分光光度法导数分光光度法。概述基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。分为：光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。

吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析光波谱区、跃迁类型与对应的分析方法

概述:

在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:

红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000m,主要用于有机化合物结构鉴定。

紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm(近紫外区)，可用于结构鉴定和定量分析。

可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm，主要用于有色物质的定量分析。本章主要讲授紫外可见吸光光度法。6.1.1光的基本性质光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长

、频率

、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：

=c；波数=1/

=

/c

光是由光子流组成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常数：h=6.62610-34JS)光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光

单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成)

可见光区：400～750nm

紫外光区：近紫外区200～400nm

远紫外区10～200nm（真空紫外区）

6.1.2物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧光或磷光

E=E2-

E1=h

量子化；选择性吸收;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—

吸收曲线与最大吸收波长

max。M+

h

M*基态激发态E1

（△E）E2物质颜色及其补色

光的互补：蓝

黄吸收曲线的讨论：

（1）同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax

（2）吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。吸收曲线的讨论：（3）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。（动画）（4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。（5）在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。6.1.3光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b

（动画1）（动画2）1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c

二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：

朗伯—比耳定律数学表达式

A＝lg（I0/It)=εbc

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-1；

ε：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1；

或:

A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L-1

a：吸光系数，单位L·g-1·cm-1

a与ε的关系为：

a=ε/M（M为相对分子质量）透光度(透光率)T透过度T

:描述入射光透过溶液的程度:

T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lg

T

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数ε在数值上等于浓度为1mol·L-1、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g·L-1、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。2.分光光度法的灵敏度

(1)摩尔吸光系数

εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用分光光度法测定该物质的灵敏度越高。一般认为

ε>105超高灵敏；

ε=(6～10）×104高灵敏；

ε=(2～6）×104中等灵敏；

ε<２×104不灵敏。

摩尔吸光系数ε的讨论

（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；

（2）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在波长等条件一定时，ε与待测物浓度无关；

（3）可作为定性鉴定的参数；

（4）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax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。

(2)质量吸光系数

质量吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g·L-1，液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。

a与ε的关系为a=ε/M式中，M为物质的摩尔质量(g·mol-1)。质量吸光系数a便于定量地比较不同物质的灵敏度。因为对于不同待测组分，其摩尔质量往往不同，故不能简单地根据ε的大小来判断其灵敏度。

(3)桑德尔(Sandell)灵敏度S

当产生A=0.001的吸光度时，单位截面积(cm2)光程内所能检测出的吸光物质的最低含量。单位为μg·cm-2。一般分光光度计所能检测的最小吸光度A≈0.001。设A=0.001时所能检出某物质的最低浓度为cmin（μg·mL-1)，cminb总为定值，故定义桑德尔灵敏度S

S=cminb

λmax下的桑德尔灵敏度Smax，反映了分光光度法测定某物质所能达到的最大灵敏度。S与ε、a的关系：S=M/εS=1/a

3.偏离朗伯—比耳定律的原因

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。引起这种偏离的因素（两大类）：

（1）物理性因素，即仪器的非理想化所引起的；

（2）化学性因素。（1）物理性因素难以获得真正的纯单色光。朗—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。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。

非单色光作为入射光引起的偏离

假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：

A

1＝lg（Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bc

A

2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉ01、Ｉ02分别为λ1、λ2的入射光强度；

Ｉt1、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；

ε1、ε2分别为λ1、λ2的摩尔吸光系数；A总＝lg（Ｉo总/Ｉt总)＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉt1+Ｉt2）

＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉo110-ε1bc

+Ｉo210-ε2bc

）令：ε1-ε2＝

；设：Ｉo1＝Ｉo2A总＝lg(2Io1)/[Ｉt1(1＋10-

εbc

）]

＝lg

(Io1/Ｉt1)

+

lg2

-lg(1＋10-

εbc

）

＝

A1+lg2-lg(1＋10-

εbc

)

因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故：讨论:

A总=A1+lg2-lg(1＋10－

εbc

)

(1)

=0；即：

1=

2=

则：

A总

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝

bc(2)

≠0

若

<0；

即

2<

1；－

bc>0,

lg(1＋10-

bc)值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。讨论:

A总=A1+lg2-lg(1＋10－

εbc

)

(3)｜

｜很小时，即ε1≈ε2：可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使｜

｜很小，A总

≠Ａ1

，且随着c值增大，

A总

与A1的差异愈大，在图上则表现为A—c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。(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。(2)化学性因素

朗—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c<10-2mol·L-1)时才基本符合。当溶液浓度c>10-2

mol·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，吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。

例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：

CrO42-＋2H+

=Cr2O72-＋H2O

溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。6.1.4

电子跃迁与吸收带类型1．分子的内能与能级

分子内能级：电子能级、振动能级和转动能级。Ｅ＝Ee+Ev+Er

ΔΕr：0.005～0.050eV

ΔΕv：0.05～1eV

ΔΕe：1～20eV电子能级跃迁产生紫外-可见光谱。带状光谱。

2．有机化合物内的电子跃迁有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。

外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。四种主要跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

⑴σ→σ＊跃迁所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。

⑵n→σ＊跃迁

所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。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→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。

⑶π→π＊跃迁

所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，

εmax为：1×104L·mol-1·cm－1。

⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊

跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nmεmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。生色团与助色团生色团：

最有用的紫外－可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基－N＝N－、乙炔基、腈基－C≡N等。助色团：

有一些含有n电子的基团(如－OH、－OR、－NH２、－NHR、－X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n－π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。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λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。3.紫外—可见分子吸收光谱中的吸收带解析紫外-可见吸收光谱时了解分子中存在何种基团及其与分子结构的关系。

π→π*和n→π*跃迁所涉及的吸收带(4类)。(1)R吸收带

因德文Radikal(基团)而得名，是由n-π共轭基团产生n→π*跃迁所形成的。特点：吸收强度较弱(ε<100L·mol-1·cm-1)，最大吸收波长较长(λmax>270nm)。R带随溶剂极性的增加而产生紫移，但若附近有强吸收带时则产生红移，有时甚至被掩盖。

(2)K吸收带

因德文Konjugation(共轭作用)而得名，是由共轭π键产生π→π*跃迁所形成的。特点：吸收强度高(ε>104L·mol-1·cm-1)，最大吸收波长比R带短(217～280nm)。如丁二烯的吸收峰(λmax=217nm，ε=2.1×104L·mol-1·cm-1)，即属K带。K带随共轭双键数目的增加，产生红移和增色效应。

K带是共轭分子的特征吸收带，可用于推断有机物的共轭结构。

(3)B吸收带

因德文Benzenoid(苯的)而得名，芳香族化合物的特征吸收带。特点：谱带上叠加有分子振动产生的精细结构，故常用来辨别芳香族化合物。在极性溶剂中或有取代基与苯环相连时，B带精细结构消失并产生红移；当苯环与生色团共轭时，则产生K和B两种吸收带，有时还会有R吸收带。波长顺序一般为R>B>K。如乙酰苯同时具有R带(λmax=319nm,ε=50L·mol-1·cm-1)、B带(λmax=278nm，ε=1.1×103L·mol-1·cm-1)和K带(λmax=240nm,ε=1.3×104L·mol-1·cm-1)。

(4)E吸收带

因Ethylenic（乙烯的）而得名，是芳香族化合物的另一类特征吸收峰，苯环内π→π*跃迁所形成的。E带可分为E1带(λmax≈180nm)和E2带(λmax≈200nm