基礎化學課件 第十三章-可見和紫外分光光度法

第13章

可見和紫外分光光度法分析化學的分類化學分析儀器分析重量分析法容量（滴定）分析法酸堿滴定氧化還原滴定絡合滴定沉淀滴定光譜分析法（UV、IR）電化學分析法色譜分析法（TLC、GC、HPLC）第13章可見和紫外分光光度法

§13.1

分光光度法基本原理

§13.3

原子吸收分光光度法

§13.2

可見-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

吸收光譜的產生和吸收曲線13.1.3

朗伯-比爾定律分光光度法(spectrophotometry)按所吸收光的波長區域不同，分為紫外分光光度法、可見分光光度法和紅外分光光度法。分光光度法是利用物質的分子或離子對某一波長范圍的光的吸收作用，對物質進行定性分析和定量分析的分析方法。其所依據的光譜是分子或離子吸收入射光中特定波長的光而產生的吸收光譜。分光光度法的分類波長范圍紫外分光光度法10nm~380nm可見分光光度法380nm~780nm紅外分光光度法780nm~300000nma

與其它光譜分析方法相比，其儀器設備和操作都比較簡單，費用少，分析速度快;b

靈敏度高;c

選擇性好;d

精密度和準確度較高;e

用途廣泛。

紫外-可見分光光度法的特點：

13.1.1

分光光度法的基本原理1.吸收光譜的產生與吸收曲線光是一種電磁波，如果按波長或頻率排列，有如下所示的電磁波譜。波譜名稱

波長范圍

分析方法

γ射線

0.005~0.17nm

中子活化分析，穆斯堡爾譜法

X射線

0.1~10nm

X射線光譜法遠紫外

10~200nm

真空紫外光譜法

近紫外

200~400nm

紫外光譜法可見光

400~760nm

比色法，可見吸光光度法

核磁共振光譜法1~1000m射頻微波光譜法1~1000mm微波紅外光譜法50~1000遠紅外紅外光譜法2.5~50中紅外紅外光譜法0.76~2.5近紅外光具有波粒二相性。光的波長λ、頻率、速率c、能量E之間的關系為：

不同波長的光具有不同的能量，光的波長越短，光的能量就越大；光的波長越長，光的能量就越小。光和電磁輻射可見光譜(連續光譜)可見光的波長范圍λ：380nm~760nm380nm760nm紫外,紫,藍,青藍,青,綠,黃,橙,紅,紅外單色光:單一波長的光復色光:含多種波長的光白光是一種復色光互補色光:若兩種顏色的光按適當強度比例可組成白光，則這兩種光稱為互補色光。白互補色光示意圖紅橙黃綠青青藍藍紫物質對光的選擇性吸收用光照射物質，物質微粒（分子、離子、原子、電子）與光子發生作用，物質微粒吸收光子的能量由基態躍遷到激發態。M（基態）+hv（光子能量）M（激發態）不同物質激發態與基態的能量差不同，選擇吸收光子的能量不同。物質選擇性地吸收一定波長的光物質對光的吸收具有選擇性用白光照射物質，若物質選擇性地吸收了某種顏色的光，則物質呈現吸收光的互補光的顏色硫酸銅溶液是藍色的硫酸銅溶液吸收了黃色的光高錳酸鉀溶液是紫色的高錳酸鉀溶液吸收了綠色的光顏色的互補關系示意圖物質的吸收光譜曲線吸光度A（absorbance）物質對光的吸收程度用不同波長的單色光依次照射溶液，測定溶液對不同波長的單色光的吸光度A。物質對不同波長的光的吸光度是不同的。以波長λ為橫坐標、吸光度A為縱坐標作圖，可以得一曲線，稱為吸收光譜曲線，簡稱吸收光譜或吸收曲線。動畫A0.20.40.6400500600λ(nm)某溶液的吸收曲線λmax吸收光譜中吸光度最大處的波長。最大吸收波長λmax不同物質的λmax不同。λmax是應用分光光度法對物質進行定性分析的基礎。定性分析：檢測是否含某種物質。A0.20.40.6400500600λ(nm)不同物質溶液的吸收光譜λmaxλmax物質1物質2同一物質的溶液，λmax不變。但吸光度A隨濃度變化。濃度越大，吸光度A越大。吸光度A隨溶液濃度變化。這是應用分光光度法對溶液進行定量分析的基礎A0.20.40.6400500600λ(nm)某物質不同濃度溶液的吸收光譜λmax高濃度低濃度動畫2.透光率和吸光度設入射光強度為I0，吸收光強度為Ia,透射光強度為It，反射光強度為Ir，則用一束平行單色光通過溶液，光一部分被吸收，一部分透過，一部分被反射。I0=Ia+It+Ir由于反射光強度基本相同，其影響可相互抵消，上式可簡化為：

I0=Ia+It單色光入射光I0吸收光Ia透射光It吸收池厚度b透光率：透過光的強度It與入射光強度I0之比稱為透光率，用T表示：透光率越大，溶液對光的吸收越少。T=ItI0

吸光度:透光率的負對數稱為吸光度，用A表示，吸光度越大，溶液對光的吸收越多。A=－lg

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

T

3.朗伯(Lambert)-比爾(Beer)定律

：當一束平行單色光通過一固定濃度的溶液時，溶液的吸光度A與液層厚度b成正比，即式中比例系數k1

與吸光物質的本性、入射光波長、溶液濃度、溶劑類型及溫度等因素有關。A=k1

b

動畫式中比例系數k2

與吸光物質的本性、入射光波長、液層厚度、溶劑類型及溫度等因素有關。

Beer(比爾)定律：當一束平行單色光通過一液層厚度固定的溶液時，溶液的吸光度A與溶液濃度c成正比，即A=k2

c動畫

朗伯-比爾定律是紫外-可見分光光度法的理論基礎。

Lambart-Beer定律將Lambart定律與Beer定律合并，即得Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩爾吸光系數，單位L·mol－1·cm－1b：液層厚度，單位cmc：物質的量濃度，單位mol·L－1。Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩爾吸光系數，單位L·mol－1·cm－1b：液層厚度，單位cmc：物質的量濃度，單位mol·L－1。Lambart-Beer定律另一形式A=

abρa：質量吸光系數，單位L·g－1·cm－1b：液層厚度，單位cmρ：質量濃度，單位g·L－1。Lambart-Beer定律A=

εbcε：摩爾吸光系數，單位L·mol－1·cm－1b：液層厚度，單位cmc：物質的量濃度，單位mol·L－1。Lambart-Beer定律另一形式A=

abρE：比吸光系數，單位mL·g－1·cm－1b：液層厚度，單位cmρ：質量濃度，單位g·mL－1。或A=

EbρLambart-Beer定律A=

εbcA=

abρε與a的關系ε=aMM：被測物質的摩爾質量A=

εbc

=

abρεc=aρc=ρ/MLambart-Beer定律A=

εbcε可應用標準溶液（濃度準確已知的溶液）求得ε越大，測定的靈敏度就越高。一般ε大于103即可用分光光度法進行測定。同一物質的溶液，在不同波長下ε不同在λmax處ε最大。例某化合物的相對分子質量為251，其濃度為1.50×10－4mol·L－1的溶液在480nm處用2.00cm的吸收池測定時的透光率為39.8%.求該化合物在480nm處的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-可見分光光度法1.可見及紫外分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示動畫光源單色器樣品室檢測器顯示在可見分光光度計中，常用的光源是鎢燈(1)光源鎢燈可發出包含全部可見光波長范圍的連續光譜，最適宜的波長范圍是360nm~1000nm在紫外-可見分光光度計中還裝有氫燈或氘燈。氫、氘燈發射150～400nm的連續光譜單色器的主要組成：色散元件、入射狹縫、出射狹縫、和準直鏡等部分。(2)單色器（單色光器，分光器）單色器質量的優劣，主要決定于色散元件的質量。色散元件常用棱鏡和光柵。吸收池又稱比色皿，按材料可分為玻璃吸收池和石英吸收池，前者不能用于紫外區。(3)吸收池吸收池的種類很多，其所裝溶液液層厚度可在0.1~10cm之間，其中以1cm吸收池（即液層厚度為1cm）最為常用。

(4)檢測器檢測器的作用是檢測光信號，并將光信號轉變為電信號。現今使用的分光光度計大多采用光電管或光電倍增管作為檢測器。(5)信號顯示系統常用的信號顯示裝置有直讀檢流計，電位調節指零裝置，以及自動記錄和數字顯示裝置等。分光光度計的類型很多目前國內廣泛采用的721型分光光度計。具有結構簡單、價格低廉、操作方便、維修也比較容易，適用于常規分析。現在已有很多與計算機相聯。2.測定方法及應用(1)標準曲線法方法：配制一系列不同含量的標準溶液，選用適宜的參比，在相同的條件下，測定系列標準溶液的吸光度，作A-c曲線，即標準曲線，也可用最小二乘數處理，得線性回歸方程。在相同條件下測定未知試樣的吸光度，從標準曲線上就可以找到與之對應的未知試樣的濃度。標準曲線cA相同的條件包括①選擇的入射光波長要相同（一般選擇最大吸收波長λmax為測定波長）。②吸收池厚度要相同。③選擇的參比溶液（空白溶液）要相同。參比溶液（空白溶液）參比溶液是用作空白對照的溶液。測定試樣溶液的吸光度之前，需先用參比溶液調節分光光度計，使參比溶液的透光率為100%（吸光度為0），以消除測定誤差。參比溶液可以消除以下因素對測定的影響：①溶劑及其他物質對入射光的吸收。②吸收池界面對光的反射。③光在溶液中的散射。

①溶劑參比（溶劑空白）試樣簡單、共存其它成分對測定波長無吸收，只考慮消除溶劑與吸收池等因素的影響；

參比溶液的選擇視分析體系而定，具體有：②試劑參比（試劑空白）如果顯色劑或其它試劑在測定波長有吸收，按顯色反應相同的條件，不加入試樣，同樣加入試劑和溶劑作為參比溶液。

③試樣參比（試樣空白）如果試樣基體溶液在測定波長有吸收，而顯色劑不與試樣基體顯色時，可按與顯色反應相同的條件處理試樣，只是不加入顯色劑。將待測溶液與某一標樣溶液，在相同的條件下，測定各自的吸光度，建立比爾定律，解方程求出未知樣濃度與含量。

As=Kcs

Ax=Kcx(2)直接比較法顯色反應及顯色條件的選擇可見分光光度法只能用于測定有色溶液。對無色溶液和顏色較淺的溶液進行測定時，必須加入一種能與被測組分反應生成顏色較深的有色化合物的試劑，然后再進行測定。將被測組分轉變成有色化合物的化學反應稱為顯色反應，能與被測組分反應使之生成有色化合物的試劑稱為顯色劑。例鐵離子（無色）+磺基水楊酸（無色）穩定的黃色物質磺基水楊酸就是鐵離子的顯色劑例鋼中微量錳的測定，

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4-

+10SO42-＋16H+

將Mn2＋

氧化成紫紅色的MnO4-后，在525nm處進行測定。顯色劑必須具備的條件：（1）靈敏度要高。生成的有色物質ε越大越好。（2）選擇性好。盡可能選擇只與被測物質顯色而與溶液中共存的其他物質不顯色的顯色劑。（3）生成的有色物質要有確定組成。（4）生成的有色物質要穩定。（5）顯色劑對測定波長無吸收。常用顯色劑類型無機顯色劑：硫氰酸鹽、鉬酸銨等。有機顯色劑：種類繁多偶氮類顯色劑：性質穩定、顯色反應靈敏度高、選擇性好、對比度大，應用最廣泛。偶氮胂III、PAR等。三苯甲烷類：鉻天青S、二甲酚橙等適當的顯色條件的選擇a.顯色劑用量要適當。通過實驗確定適當用量吸光度與顯色劑用量的關系b.溶液酸度要適當c.顯色時間和溫度要適當溶液的酸度對顯色反應的影響主要表現在對被測組分存在狀態的影響對顯色劑的平衡濃度和顏色的影響對有色化合物組成的影響通過實驗確定適當酸度通過實驗確定適當的時間和溫度3.測定誤差的分析(1)溶液偏離Beer定律引起的誤差標準曲線cA符合Beer定律偏離Beer定律原因

①化學因素吸光物質不穩定，濃度變化時發生反應。

②光學因素入射光不是完全的單色光，而是一束波