第8章 吸收光谱法.ppt

1、第8章 吸收光谱法,基于物质对的选择性吸收而建立起来的分析测定方法 原子吸收光谱法,红外吸收光谱法,紫外-可见 吸收光谱法,分子吸收光谱法,核磁共振波谱法,紫外可见吸收光谱特点： 灵敏度较高 最低测量浓度可达10-6 10-5mol/L 可测10-7-10-4gmL-1的微量组分。 具有一定的选择性 准确度较高，相对误差为1% 3% 仪器简单、操作简便、测定速度快、应用广泛。,8.1 吸收光谱,8.1.1 光的基本性质电磁波谱,光的基本性质 光由一个个的光子组成，每个光子具有的能量 和质量 E=h， E=mc2 h-普朗克常数6.6310-34 m2 kg s-1 -频率（每秒钟光波振动的周数

2、），周/秒或Hz C-光速，在真空中C = 3 1010 cm/s =c/ -光波移动一周的距离，cm、m、nm、 1 cm=104 m=107 nm=108 光是电磁波，电磁波是一种横波,8.1.2 分子吸收光谱的产生,当用频率为的电磁波照射分子， 而该分子的较高能级与较低能级之差 E 恰好等于该电磁波的能量 h时， 即有 E = h （ h为普朗克常数） 在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高的能级； 在宏观上则透射光的强度变小。,电子光谱是由分子中的价电子能级跃迁而产生的。 有机化合物的价电子包括成键电子、成键电子和非键电子（以 n表示）。分子的空轨道包括反键 *轨道和反键*轨道，因此，

3、可能的跃迁为*、*、n* n*等 各种电子跃迁相应的吸收峰和能量示意图,能量,*反键轨道,*反键轨道,n非键轨道 城键轨道 成键轨道,200,300,400,/nm,*,*, *,n*,*,n*,无机化合物的紫外可见吸收光谱 无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁（即dd跃迁和ff跃迁）产生。,8.1.3 物质对光的选择性吸收与物质颜色的关系 可见光波长范围： 400nm800nm 物质颜色与吸收光颜色的互补关系 白光（复合光）、单色光、互补色,560580 400450,580600 450480,600650 480490,650780 490500,常用术语,(1) 吸收曲线,（2

4、)生色团和助色团 生色团是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将能吸收紫外、可见光的原子团或结构定义为生色团。,助色团指带有非键电子对的基团， 如-OH、 -OR、 -NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等， 不吸收大于200nm的光，但与生色团相连时，会使生色团的 吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。 （3）红移与蓝移（紫移）(Red shift or blue shift ) 某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基 团（ -OH、 -OR、 -NH2、-SH 、-Cl、-Br、-SR、- NR2 ）之 后，吸收峰的波长将向长波方向移动，称为红移效应。

5、这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基 团称为向红基团。 在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后， 吸收峰的波长会向短波方向移动，称为蓝移（紫移）效应。这些会使某化合物的最大吸收波长向短波方向移动的基团 （如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3）称为向蓝（紫）基团。,溶剂的选择,1.同一浓度的有色溶液对不同波长的光有不同的吸光度; 2.对于同一有色溶液，浓度愈大，吸光度也愈大； 3. 对于同一物质，不论浓度大小如何，最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长 max) 不变.并且曲线的形状也完全相同。,8.1.4 定量分析,吸收曲线： 物质在不同波长下吸收光的强度大小， A关

6、系,光吸收定律朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律 吸光光度法的理论依据，研究光吸收的最基本定律,I0 = Ir + It + Ia,I0 = It + Ia,T = It / I0 , T: 透射比或透光度 A=lg (I0 / It )lg(1/T), A:吸光度,朗伯定律（1760年）：光吸收与溶液层厚度成正比 比尔定律（1852年）：光吸收与溶液浓度成正比,定量依据,当一束平行单色光垂直照射到稀溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比关系朗伯比尔定律 光吸收定律 数学表达：Alg(1/T)=klc 其中，A:吸光度，T:透射比， k:比例常数，l:溶液厚度，c:

7、溶液浓度,注意： 平行单色光 均相介质 无发射、散射或光化学反应,摩尔吸光系数 e,吸收系数,A = e lc,A =kl c,c: mol/L,表示物质的浓度为1mol/L,液层厚度为1cm时溶液的吸光度。单位： (Lmol-1 cm-1) 是吸光物质吸光能力的量度，可以用的大小估计定量方法的灵敏度,越大，灵敏度越高。 与入射光的波长、吸光物质的性质和温度等有关，与吸光物质的浓度、光程无关,c: g/L,A = alc a: 吸光系数,定量方法（标准曲线法）通常用标准曲线进行测定。 具体方法为: C 1 2 3 4 5 A ,图 9-4 标准溶液系列配制,有时标准曲线不通过原点.可能的原因是

8、： 参比溶液选择不当 吸收池厚度不等 吸收池位置不妥， 吸收池透光面不清洁等 是系统误差，找出原因，加以避免,校正曲线,偏离朗伯-比尔定律的因素 在吸光光度分析中，经常出现标准曲线不呈直线的情况，特别是当吸光物质浓度较高时，明显地看到通过原点向浓度轴弯曲的现象（吸光度轴弯曲)。这种情况称为偏离朗伯-比尔定律。若在曲线弯曲部分进行定量，将会引起较大的误差。偏离朗伯比尔定律的原因主要是仪器或溶液的实际条件与朗伯-比尔定律所要求的理想条件不一致,非单色光引起的偏移 物理化学因素：非均匀介质及化学反应,对朗伯-比尔定律的偏移,（1）仪器的影响朗伯-比尔定律只适用于单色光 由于单色器色散能力的限制和出口

9、狭缝需要保持一定的宽度，所以目前各种分光光度计得到的入射光实际上都是具有某一波段的复合光。由于物质对不同波长的光的吸收程度的不同，因而导致对朗伯比尔定律的偏离,克服非单色光引起的偏离的措施 使用比较好的单色器，从而获得纯度较高的 “单色光” 人射光波长选择在被测物质的最大吸收处，保证测定有较高的灵敏度 测定时应选择适当的浓度范围，使吸光度读数在标准曲线的线性范围内,复合光由l1和l2组成，对于浓度不同的溶液a和b,引起的吸光度的偏差不一样，浓度大，复合光引起的误差大，故在高浓度时线性关系向下弯曲。,（2）样品性质的影响 朗伯比尔定律适用于稀溶液,溶液中的吸光物质常因解离、缔合、形成新化合物或互

10、变异构等化学变化而改变其浓度，因而导致偏离朗伯比尔定律。 （A） 解离 -大部分有机酸碱的酸式、碱式对光有不同的吸收性质，溶液的酸度不同，酸(碱)解离程度不同，导致酸式与碱式的比例改变，使溶液的吸光度发生改变。 （B） 配位 -显色剂与金属离子生成的是多级配合物，且各级配合物对光的吸收性质不同，例如在Fe()与SCN-的配合物中，Fe(SCN)3颜色最深，Fe(SCN)2+颜色最浅，故SCN-浓度越大，溶液颜色越深 （C）缔合 -例如在酸性条件下，CrO42-会缔合生成Cr2O72-，而它们对光的吸收有很大的不同。Cr2O72- + H2O 2HCrO4- 2H + 2CrO42-,介质不均匀

11、引起的偏离朗伯比尔定律要求吸光物质的溶液是均匀的 如果被测溶液不均匀，是胶体溶液、乳浊液或悬浮液时，入射光通过溶液后，除一部分被试液吸收外，还有一部分因散射现象而损失，使透射比减少，因而实测吸光度增加，便标准曲线偏离直线向吸光度轴弯曲。故在光度法中应避免溶液产生胶体或混浊,要求： a. 选择性好 b. 灵敏度高 (104) c. 产物的化学组成稳定 d. 化学性质稳定 e. 反应和产物有明显的颜色差别 (l60nm),没有颜色的化合物，需要通过适当的反应定量生成有色化合物再测定 显色反应,1、 分光光度计的组成,8.2 分光光度计,光源,单色器,吸收室,检测器,显示,(1) 光源 在紫外光区或

12、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 3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185375 nm的连续光谱。,常用光源,(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波长单色光的光学系统。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,3.吸收池,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

13、见区一般用玻璃池。 4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电管、光电倍增管、光二级管阵列。,5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,分为红敏和紫敏，阴极表面涂银和氧化铯为红敏，适用6251000nm波长；阴极表面涂锑和铯为紫敏，适用200625nm波长,分光光度计的类型,1.单光束 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束 可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2) 快束交替通过同一吸收池而后到达

14、检测器。产生交流信号。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,8.3 显色反应及其影响因素 8.3.1 显色反应 按显色反应的类型来分，主要有 氧化还原反应 2Mn2+ +5S2O82-+8H2O=2MnO4- +10SO42- +16H+ 配位反应 Fe 2+ +3phen=Fe(phen)32+,8.3.2 显色剂（1)无机显色剂 不多，因为生成的配合物不稳定，灵敏度和选择性也不高。 如 用KSCN显色测铁、钼、钨和铌； 用钼酸铵显色测硅、磷和钒; 用H2O2显色测钛等。,(2)有机显色剂 A、 磺基水杨酸 OO型螯合剂，可与很多高价金属离子生成稳定的螯合物，主要用于测

15、Fe3+。 B 、丁二酮肟 NN型螯合显色剂，用于测定Ni2+。 C 、1，10-邻二氮菲 NN型螯合显色剂，测微量Fe2+。 D 、二苯硫腙 含S显色剂，萃取光度测定Cu2+，Pb2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+等。 E 、偶氮胂(铀试剂) 偶氮类螯合剂，强酸性溶液中测Th(),Zr()，U()等；在弱酸性溶液中测稀土金属离子。 F、 铬天青S 三苯甲烷类显色剂，测定Al3+ G 、结晶紫 三苯甲烷类碱性染料，测定Tl3+。,8.3.3 多元络合物多元配合物是由三种或三种以上的组分所形成的配合物。 重要的三元配合物类型：A、三元混配配合物 金属离子与一种配合剂形成未饱和配合物，然后与另一种

16、络合剂结合，形成三元混合配合物，简称三元混配配合物。 例如；V(V)，H2O2和吡啶偶氮间苯二酚(PAR)形成1:1:1的有色络合物，可用于钒的测定，其灵敏度高，选择性好,B、离子缔合物 金属离子先与配合剂生成配阴离子或配阳离子，再与带反电荷的离子生成离子缔合物。主要用于萃取光度法。 如：Ag+与1，10-邻二氮菲形成阳离子，再与溴邻苯三酚红的阴离子形成深蓝色的离子缔合物。用F-、H2O2、EDTA作掩蔽剂，可测定微量Ag+。作为离子缔合物的阳离子，有碱性染料、1，10-邻二氮菲及其衍生物、安替比林及其衍生物、氯化四苯砷(或磷、锑)等;作为阴离子，有X-，SCN-，ClO4-，无机杂多酸和某些

17、酸性染料等,C、金属离子-配位剂-表面活性剂体系 金属离子与显色剂反应时，加入某些表面活性剂，可以形成胶束化合物，它们的吸收峰向长波方向移动(红移)，而测定的灵敏度显著提高。 例如，稀土元素、二甲酚橙及溴化十六烷基吡啶反应，生成三元络合物，在pH 89时呈蓝紫色，用于痕量稀土元素总量的测定,显色反应的选择 A 、灵敏度高，有色物质的应大于104。 B 、选择性好，干扰少，或干扰容易消除;有色化合物的组成恒定，符合一定的化学式。 C 、有色化合物的组成恒定，符合一定的化学式。化学性质稳定，至少保证在测量过程中溶液的吸光度基本恒定。这就要求有色化合物不容易受外界环境条件的影响。 D 、有色化合物与

18、显色剂之间的颜色差别要大，即显色剂对光的吸收与有色化合物的吸收有明显区别，要求两者的吸收峰波长之差(称为对比度)大于60 nm,8.3.4 影响显色反应的选因素 溶液酸度 显色剂用量 显色时间 显色温度,（1）溶液的酸度M+HR=MR + H+* 影响显色剂的平衡浓度和颜色* 影响被测金属离子的存在状态* 影响配合物的组成 Fe3+与磺基水杨酸(Sal2-)的反应,pH=1.82.5 Fe3 Sal2 Fe（Sal） 紫红色 pH=4 8 Fe3 2Sal2 Fe（Sal）2 紫褐色 pH=8 11.5 Fe3 3Sal2 Fe（Sal）33 黄色 pH 12 配合物被破坏，生成 Fe（OH）

19、3 沉淀,（2）显色剂的用量 M(被测组分)+R(显色剂) =MR(有色络合物) 为使显色反应进行完全，需加入过量的显色剂。但显色剂不是越多越好。 （3）显色反应时间有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定状态，并在较长时间内保持不变;有些显色反应虽能迅速完成，但有色络合物的颜色很快开始褪色;有些显色反应进行缓慢，溶液颜色需经一段时间后才稳定。制作吸光度-时间曲线确定适宜时间。,（4）显色反应温度 显色反应大多在室温下进行。但是，有些显色反应必需加热至一定温度完成。,（5） 共存离子的干扰及消除 a. 控制溶液酸度b.加入掩蔽剂 选取的条件是掩蔽剂不与待测离子作用，掩蔽剂以及它与干扰物质形成

20、的络合物的颜色应不干扰待测离子的测定。c.利用氧化还原反应，改变干扰离子的价态。d.用参比溶液消除显色剂和某些共存有色离子的干扰。e.选择适当的波长f.分离 以上方法均不奏效时，采用预先分离的方法,8.4 定量分析条件的选择,11.4.4.1 测量条件的选择 （1）入射光波长的选择,选择原则：“吸收最大，干扰最小”,灵敏度,选择性,（2）吸光度读数范围的选择 一般应控制标准溶液和被测试液的吸光度在0.151.0范围内,=,T,吸光度测量的误差在吸光光度分析中，仪器测量不准确也是误差的主要来源。任何光度计都有一定的测量误差。这些误差可能来源于光源不稳定，实验条件偶然变动，读数不准确等。 在光度计

21、中，透射比的标尺刻度均匀。吸光度标尺刻度不均匀。对于同一仪器，读数的波动对透射比为一定值；而对吸光度读数波动则不再为定值,吸光度越大，读数波动所引起的吸光度误差也越大，透射比很小或很大时，浓度测量误差都较大，即光度测量最好选吸光度读数在刻度尺的中间而不落两端。待测溶液的透射比T在70%10%之间，或使吸光度A在0.151.0之间，才能保证浓度测量的相对误差较小，约为1.4%2.2%。当A=0.434(或透射比T=36.8%)时，测量的相对误差最小,（3） 参比溶液的选择利用参比溶液来调节仪器的零点 消除由吸收池壁及溶剂对入射光的反射和吸收带来的误差 扣除干扰 A = lgI0 /I lgI参比

22、 /I试液,试剂参比 试样参比 溶剂参比,a 、试液及显色剂均无色，用溶剂作参比溶液。 b 、显色剂有颜色，可选择不加试样溶液的试剂作参比溶液。 c 、显色剂为无色，被测试液中存在其他有色离子，用不加显色剂的被测试液作参比溶液。 d 、显色剂和试液均有颜色，可将一份试液加入适当掩蔽剂，将被测组分掩蔽起来，使之不再与显色剂作用，而显色剂及其他试剂均按试液测定方法加入，以此作为参比溶液，这样就可以消除显色剂和一些共存组分的干扰 e 、改变加入试剂的顺序，使被测组分不发生显色反应，可以此溶液作为参比溶液消除干扰。,干扰及其消除方法a. 控制溶液酸度b.加入掩蔽剂 选取的条件是掩蔽剂不与待测离子作用，

23、掩蔽剂以及它与干扰物质形成的络合物的颜色应不干扰待测离子的测定。c.利用氧化还原反应，改变干扰离子的价态。d.用参比溶液消除显色剂和某些共存有色离子的干扰。e.选择适当的波长f. 以上方法均不奏效时，采用预先分离的方法,8.5 其他定量分析法,(1 )示差分光度法 吸光光度法一般仅适用于微量组分的测定，当待测定组分浓度过高或过低，会引起很大的测量误差，导致准确度降低。示差吸光光度法可克服这一缺点。 示差吸光光度法用一个比试液浓度稍低的标准溶液作参比溶液 试液浓度Cx,参比溶液浓度Cs , Cx Cs , I0 , Ix , Is 普通分光光度法: Ts= Is / I0 =10 - bcs,

24、Tx= Ix / I0 =10 - bcx 示差吸光光度法: Tr= Ix / Is = Ix / I0 Ix / I0 = 10 - b(cx-cs) Ar=Ax-As=A=b(Cx-Cs)= b C,普通法：Ts = 10 % , Tx = 5 % 示差法：Tr = 100 %, Tr,x = 50%,差示光度法标尺扩大原理图,（2） 光度滴定法,能测出化学计量点附近溶液颜色的微弱变化，并且由多次测量的数据来确定终点，因而有较高的精密度。 分光光度滴定只有参与滴定反应的有色杂质才干扰测定，如果有色杂质不参与滴定，尽管它对测定波长光有吸收，也不会影响测定结果，因此光度滴定法有较好的选择性。

25、在滴定剂、待测物质或反应产物中，只要有一种对紫外及可见光有吸收，就可以进行光度滴定，这样就降低了对滴定反应的要求，使滴定分析获得更广泛应用。,几种典型光度滴定曲线,（a) 待测物质对光吸收，滴 定剂和产物都不吸收。 (b)滴定剂有吸收，待测物质和产物都不吸收。 产物有吸收，待测物质和滴定剂都不吸收。 待测物质和滴定剂都有吸收，产物不吸收。 (e) 滴定剂和产物有吸收，待测物质不吸收。 (f) 待测物质和产物都有吸收，而滴定剂不吸收,几种典型光度滴定曲线,（3） 多组分分析,（4） 双波长分光光度法 使两束不同波长的单色光以一定的时间间隔交替地照射同一吸收池，测量并记录两者吸光度的差值。 这样就可以从分析波长的信号中扣除来自参比波长的信号，消除各种干扰，得待测组分的含量。 分析方法的灵敏度、选择性及测量的精密度高。 被广泛用于环境试样及生物试样的分析。,原理：,设在两个波长处都有背景吸收，吸光度为Ab，并且两道单色光的强度都相等于I0，则在两个波长位置，有下列关系：,1和2一般相差很少，Ab可视为相等，固有：,A与吸光物质浓度成正比。这是定量的理论依据