無(wú)機(jī)與分析化學(xué)：第九章 紫外-可見(jiàn)分光光度法

2022/10/27第九章紫外-可見(jiàn)分光光度法1、了解物質(zhì)顏色與光的吸收關(guān)系；2、了解分光光度法的基本原理，測(cè)量誤差和測(cè)量條件的選擇；3、掌握朗伯-比耳定律；了解偏離朗伯-

比耳定律的原因；4、掌握分光光度法的有關(guān)計(jì)算2022/10/27第九章紫外-可見(jiàn)分光光度法第一節(jié)基本原理第二節(jié)顯色反應(yīng)與測(cè)量條件的選擇第三節(jié)吸光光度分析的方法和儀器第四節(jié)應(yīng)用實(shí)例2022/10/27第一節(jié)基本原理一、概述二、光的選擇性吸收三、吸光分析基本定律返回2022/10/27一、概述1、定義：分光光度法是基于物質(zhì)對(duì)光的選擇吸收而建立起來(lái)的分析方法紅橙黃綠青藍(lán)

紫2022/10/27一、概述2、分類(lèi)：(1)紅外吸收光譜：屬于分子振動(dòng)光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍在2.5～10um,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。(2)紫外吸收光譜：屬于電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍在200～400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。(3)可見(jiàn)吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍400～750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。2022/10/273、光的分類(lèi)①白光（太陽(yáng)光）：由各種單色光組成的復(fù)合光。②單色光：?jiǎn)尾ㄩL(zhǎng)的光（由具有相同能量的光子組成）遠(yuǎn)紫外光區(qū)：100～200nm（真空紫外區(qū)）近紫外區(qū)：200～400nm可見(jiàn)光區(qū)：400～750nm返回一、概述2022/10/27二、光的選擇性吸收

如果將兩種單色光按一定強(qiáng)度比例組合，也可成為白光，這兩種光稱為互補(bǔ)色光，處于對(duì)角線兩端的兩種色光為互補(bǔ)色光。1、互補(bǔ)色光如：綠光和紫光、黃光和藍(lán)光。2022/10/27

當(dāng)一束白光通過(guò)某一有色溶液時(shí)，一些波長(zhǎng)的光被溶液吸收，另一些波長(zhǎng)的光則透過(guò)，還有一些被器皿反射和散射（若被照射的是均勻溶液，則光的散射可忽略。透射光刺激人的視覺(jué)，使人感覺(jué)到顏色的存在。（若是不透明物質(zhì)，則為反射光。）2、溶液顏色和光吸收的關(guān)系二、光的選擇性吸收2022/10/27

顯然透射光和吸收光是互補(bǔ)色光，如果溶液吸收了某一波長(zhǎng)的光，這時(shí)溶液呈現(xiàn)的顏色就是透射光，即吸收光的互補(bǔ)色光，因?yàn)椴煌奈镔|(zhì)對(duì)光的吸收情況不同，所以物質(zhì)就呈現(xiàn)出各種顏色。例如：

CuSO4溶液吸收黃色光，呈現(xiàn)互補(bǔ)色光：藍(lán)色

K2Cr2O7溶液吸收藍(lán)色光，呈現(xiàn)互補(bǔ)色光黃色二、光的選擇性吸收2022/10/273、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收定義：指每一種物質(zhì)僅吸收特定波長(zhǎng)的光物質(zhì)吸收光(獲得能量)后，其分子或原子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)：M

+

hν

→

M*

→M

+

熱（+光）基態(tài)E1

激發(fā)態(tài)E2

基態(tài)E1二、光的選擇性吸收2022/10/27能級(jí)差：△E=E2-E1=hν

只有當(dāng)照射光的光子能量hν與被照射粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能級(jí)差相當(dāng)時(shí)，才能發(fā)生吸收。不同的物質(zhì)粒子由于結(jié)構(gòu)不同，而具有不同的量子化能級(jí)，其能量差也不同，所以物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性返回二、光的選擇性吸收2022/10/271.朗伯－比爾定律當(dāng)一束平行單色光照射到溶液時(shí)，光的一部分被溶液吸收，另一部分透過(guò)溶液，還有部分被器皿表面反射。

I0＝

Ia

＋I(xiàn)t

＋I(xiàn)r

入射光吸收光透射光反射光三、吸光分析基本定律2022/10/27若比色皿采用相同質(zhì)料的光學(xué)玻璃制成，則：

Ir≈0∴I0≈Ia＋I(xiàn)t

令：It/I0＝T（透光度），透光度取值范圍：0～1。溶液的透光度愈大，則對(duì)光的吸收愈??；反之，T愈小，則吸收愈大。三、吸光分析基本定律2022/10/27

以A代表吸光度，定義A＝lg(1/T)＝lg(I0/It)

實(shí)驗(yàn)證明，有色溶液的吸光度A與該溶液的濃度c、液層厚度b和入射光強(qiáng)度I0有關(guān)。三、吸光分析基本定律2022/10/27(1)公式形式布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度與吸收層厚度的關(guān)系。

A∝b1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度與吸收物濃度之間也具有類(lèi)似的關(guān)系。

A∝c三、吸光分析基本定律2022/10/27

二者的結(jié)合稱為朗伯-比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

A＝ε·b·c

或A＝a·b·c

ε—摩爾吸收系數(shù)，其值與入射光強(qiáng)度、波長(zhǎng)、溶液性質(zhì)和溫度有關(guān)，單位L·mol-1·cm-1；

b—液層厚度，單位cm；

c—溶液濃度，單位mol·L-1。三、吸光分析基本定律2022/10/27ε是在單位液層厚度，單位濃度時(shí)，溶液對(duì)單色光的吸光度，此時(shí)A＝εε數(shù)值表達(dá)了二層含義：對(duì)光吸收程度的大??；測(cè)試方法靈敏度的大小三、吸光分析基本定律2022/10/27ε愈大，表示該物質(zhì)對(duì)某波長(zhǎng)的光吸收程度愈大，因而光度測(cè)定的靈敏度愈高。一般：103<ε＜104

，靈敏度低

104

＜ε＜105，中等靈敏度

ε＞105

，高靈敏度三、吸光分析基本定律2022/10/27例：濃度為的Cu2+溶液，于600nm處用2.0cm比色皿測(cè)得T=50.1%，求a和ε解：三、吸光分析基本定律2022/10/27例：某有色溶液，當(dāng)用1cm比色皿時(shí)。其透光率為T(mén)，若改為2cm比色皿，求透光率？解：三、吸光分析基本定律2022/10/272.吸收曲線將物質(zhì)用不同波長(zhǎng)的單色光照射，測(cè)吸光度，以吸光度對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)作圖得到該物質(zhì)的吸收曲線。（動(dòng)畫(huà)）

KMnO4

的吸收光譜A：1×10－5mg.mL－1；B：2×10－5mg.mL－1；C：4×10－5mg.mL－1；D：8×10－5mg.mL－1。三、吸光分析基本定律2022/10/27①KMnO4溶液對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收情況不同，在525nm的處KMnO4的吸光能力最強(qiáng)，有一吸收高峰，對(duì)應(yīng)λmax（最大吸收波長(zhǎng)）；對(duì)420nm的紫光和680nm處的紅光吸收很弱，而對(duì)波長(zhǎng)為720nm以上的光則幾乎不吸收，完全透過(guò)，所以溶液呈現(xiàn)紫紅色。若在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)吸光度，則靈敏度最高。因此，吸收曲線的作用是從中選擇合適的入射光波長(zhǎng)。②由圖中還可看出，不同濃度的同一物質(zhì)在吸收峰附近，吸光度A隨濃度增大而增大，但最大吸收波長(zhǎng)不變。三、吸光分析基本定律2022/10/27吸收曲線的討論：

①由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。三、吸光分析基本定律2022/10/27③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。

④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度A

有差異，在λmax處吸光度A

的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。

⑤在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)返回三、吸光分析基本定律2022/10/27第二節(jié)顯色反應(yīng)與測(cè)量條件的選擇一、顯色反應(yīng)的要求二、顯色反應(yīng)條件的選擇三、光度測(cè)量的誤差四、測(cè)量條件的選擇

在比色分析時(shí)，對(duì)本身有顏色的物質(zhì)，可在其最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)得其吸光度；但若被測(cè)物質(zhì)的顏色很淺或著根本就沒(méi)有顏色，則無(wú)法使測(cè)量?jī)x器產(chǎn)生足夠的信號(hào)。2022/10/27

顯色反應(yīng)：

為提高靈敏度，大多數(shù)物質(zhì)的吸光測(cè)定都需要在被測(cè)物質(zhì)的溶液中加入一種或幾種適當(dāng)?shù)娘@色物質(zhì)，使被測(cè)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轭伾^深的有色物質(zhì)來(lái)測(cè)定。這種使被測(cè)物質(zhì)生成有色物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)叫做顯色反應(yīng)。

M待＋R顯

→

MR

待測(cè)離子顯色劑

顯色劑：所用的反應(yīng)物稱為顯色劑。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/271、定量進(jìn)行

顯色劑與被測(cè)物質(zhì)的反應(yīng)要定量進(jìn)行，顯色產(chǎn)物應(yīng)具有固定的化學(xué)組成，符合一定的化學(xué)式。

例如：Fe3＋＋3ssal→Fe（ssal）33-

磺基水楊酸顯色產(chǎn)物（黃色）2、選擇性要好在顯色條件下，顯色劑盡可能不要與溶液中其它共存離子顯色，如果其它離子也和顯色劑反應(yīng)，干擾離子的影響應(yīng)容易消除。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/273、靈敏度要高

靈敏度可從摩爾吸光系數(shù)來(lái)判斷，但靈敏度高不一定選擇性好，應(yīng)全面考慮。4、顯色產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定5、顯色劑在測(cè)定波長(zhǎng)處無(wú)明顯吸收。這樣，試劑空白值小，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。一、顯色反應(yīng)的要求2022/10/27二、顯色反應(yīng)條件的選擇1.顯色劑用量顯色反應(yīng)：M待＋R顯→MR根據(jù)溶液平衡原理，MR的K穩(wěn)值越大，或顯色劑用量越多，越有利于待測(cè)組分生成有色產(chǎn)物MR。但用量過(guò)多有時(shí)會(huì)引起副反應(yīng)，因此，顯色劑的用量必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。2022/10/27如圖為吸光度A與顯色劑用量CR關(guān)系的幾種情況。顯色劑的用量應(yīng)選擇在曲線變化平坦的范圍內(nèi)。而且對(duì)（b)要防止過(guò)量太多；對(duì)（c)必須嚴(yán)格控制顯色劑用量。二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/272.反應(yīng)體系的酸度(1)酸度對(duì)顯色劑濃度的影響大多數(shù)顯色劑是有機(jī)弱酸(HR)，酸度提高，使溶液中的HR濃度↑，而R的實(shí)際濃度↓，不利于顯色反應(yīng)進(jìn)行。此外，不同酸度下，R的濃度不同，將引起有色配合物配位數(shù)的改變。例如：

Fe3＋＋ssal

pH:1.8～2.5→紅褐色Fe（ssal）＋

pH:4～8→褐色Fe（ssal）2－

pH:8～11.5

→黃色Fe（ssal）33－二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/27(2)酸度對(duì)被測(cè)離子形態(tài)的影響對(duì)某些容易水解的被測(cè)金屬離子，若酸度低于某一限度，被測(cè)離子形成羥基配合物，甚至生成氫氧化物沉淀。(3)酸度對(duì)顯色劑顏色的影響例如：H2R→H+＋HR-→H+＋R2-

黃色pH:6.9橙色pH:12.4紅色必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定顯色反應(yīng)的pH二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/273.顯色時(shí)間因顯色反應(yīng)的時(shí)間各不相同，所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。顯色后，分別在不同時(shí)間測(cè)定吸光度，作圖得吸光度與時(shí)間變化曲線。一定時(shí)間后，吸光度不再隨時(shí)間變化。此時(shí)的時(shí)間為顯色反應(yīng)時(shí)間。4.顯色溫度通過(guò)繪制A～T溫度曲線確定適宜溫度。二、顯色反應(yīng)條件的選擇2022/10/27三、光度測(cè)量的誤差1、讀數(shù)誤差（動(dòng)畫(huà)）不同的透光度讀數(shù)，產(chǎn)生的誤差大小不同：

一般要求T在20%～65%之間，吸光度A=0.70～0.20。2022/10/272、偏離吸收定律引起的誤差根據(jù)朗伯－比耳定律，當(dāng)一定波長(zhǎng)的入射光強(qiáng)度I一定，比色皿或吸收池液層厚度b一定時(shí)，吸光度A∝有色溶液濃度c。測(cè)定中，我們將得到若干組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液未知液

c1c2c3……c未

A1A2A3……A未三、光度測(cè)量的誤差2022/10/27然后以吸光度為從坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)作圖。這時(shí)將得到一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，該直線稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線（或工作曲線）。

在相同條件下測(cè)得待測(cè)未知液的吸光度A未，從工作曲線上即可查得待測(cè)液的濃度。但是，在實(shí)際工作中，特別是在溶液濃度較高時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線不成直線的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為偏離朗伯－比耳定律。三、光度測(cè)量的誤差2022/10/27原因分析：(1)非單色光引起的偏離朗伯－比耳定律的基本假設(shè)條件是：入射光為單色光，但目前儀器所提供的入射光是具有一定波長(zhǎng)范圍的波帶，而非單色光。如果單色光的純度愈差，吸光物質(zhì)的濃度愈高，則偏離愈嚴(yán)重。三、光度測(cè)量的誤差2022/10/27(2)由溶液本身的的物理、化學(xué)因素引起的偏離①物理因素例如，被測(cè)溶液為非均勻介質(zhì)，如：膠體溶液、懸浮液或乳濁液等。入射光將被微粒散射，而引起損失，使透光度減小，如果微粒發(fā)生沉淀，將使吸光度下降。溶液的折光指數(shù)，只有低濃度的溶液折光指數(shù)才為常數(shù)三、光度測(cè)量的誤差2022/10/27②化學(xué)因素溶液中吸光組分發(fā)生化學(xué)變化，如締合、離解、互變異構(gòu)等，以及與溶劑的相互作用，都將導(dǎo)致偏離朗伯－比耳定律。

如果稀釋溶液或增大溶液pH值，則平衡右移，Cr2O72-轉(zhuǎn)變成CrO42-

，吸光組分發(fā)生變化，從而偏離朗伯－比耳定律。三、光度測(cè)量的誤差2022/10/273、儀器誤差

(1)儀器穩(wěn)定性

(2)儀器精度

(3)雜散光的影響三、光度測(cè)量的誤差2022/10/27四、測(cè)量條件的選擇1.選擇適當(dāng)?shù)娜肷涔獠ㄩL(zhǎng)一般應(yīng)該選擇λmax為入射光波長(zhǎng)，測(cè)定的靈敏度最高。但如果λmax處有共存組分干擾時(shí)，則應(yīng)考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長(zhǎng)。如下圖中選λ3作為入射光波長(zhǎng)較適宜。2022/10/272.控制適宜的吸光度（讀數(shù)范圍）（動(dòng)畫(huà)）測(cè)定時(shí)，應(yīng)盡量使溶液透光度值在：

T=20%～65%(吸光度A=0.70～0.20)。3.選擇合適的參比溶液參比溶液：又稱空白溶液。在光度分析中，利用參比溶液調(diào)節(jié)儀器的吸光度零點(diǎn)，消除顯色溶液中其它有色物質(zhì)的干擾，抵消比色皿器壁及溶液對(duì)入射光的反射和器壁對(duì)光的吸收，使測(cè)得的吸光度能真正反映待測(cè)溶液吸光強(qiáng)度。四、測(cè)量條件的選擇2022/10/27參比溶液的選擇一般遵循以下原則：（1）若僅待測(cè)組分與顯色劑反應(yīng)產(chǎn)物在測(cè)定波長(zhǎng)處有吸收，其它所加試劑均無(wú)吸收，用純?nèi)軇ㄋ?作參比溶液；（2）若顯色劑、試液中其它組分在測(cè)量波長(zhǎng)處有吸收，則可在試液中加入適當(dāng)掩蔽劑將待測(cè)組分掩蔽后再加顯色劑，作為參比溶液。返回四、測(cè)量條件的選擇2022/10/27第三節(jié)吸光光度分析的方法和儀器一、目視比色法二、光度分析法三、儀器四、分析方法2022/10/27一、目視比色法目視比色法：用眼睛比較溶液顏色的深淺來(lái)測(cè)定物質(zhì)含量的方法。

常用標(biāo)準(zhǔn)系列法。使用一套由同種材料制成的，大小形狀相同的平底玻璃管—比色管。管中分別放入一系列不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)液。在實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，再加入等量的顯色劑和其它試劑，稀釋至一定刻度然后觀察，比較待測(cè)液與標(biāo)準(zhǔn)溶液顏色的深淺，若待測(cè)液與某一標(biāo)準(zhǔn)溶液顏色深度一致，則兩者濃度相等；若介于了兩者之間，則取其濃度算術(shù)平均值。2022/10/27二、光度分析法光電比色法、吸光光度法統(tǒng)稱為光度分析法。

光電比色法是使用光電比色計(jì)測(cè)定溶液吸光度以進(jìn)行定量分析的方法；吸光光度法是使用吸光光度計(jì)測(cè)定溶液吸光度以進(jìn)行定量分析的方法。2022/10/27二者測(cè)定原理相同，所不同的只是獲得單色光的方法，前者采用濾光片，后者采用棱鏡或光柵。光度分析法與目視比色法的區(qū)別在于：目視比色法比較的是試液透光率的大?。还舛确治龇ū容^的是試液對(duì)光吸收程度（吸光度）的大小。二、光度分析法2022/10/27三、儀器1、分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)光電池＋檢流計(jì)光源單色器吸收池檢測(cè)系統(tǒng)721型可見(jiàn)分光光度計(jì)如圖所示：（動(dòng)畫(huà)）2022/10/27三、儀器(1)光源可見(jiàn)光區(qū)：鎢燈作光源，波長(zhǎng)在320～2500nm紫外區(qū)：氫、氘燈作光源。波長(zhǎng)在185～400nm的連續(xù)光譜。

光源必須發(fā)出檢測(cè)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光，且強(qiáng)度穩(wěn)定。隨著鎢絲溫度不同，將發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，而鎢絲燈的溫度決定于電源電壓，電壓的微小變化會(huì)引起光強(qiáng)的很大波動(dòng)，因此光源前需加穩(wěn)壓器。2022/10/27三、儀器(2)單色器單色器是將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。分光光度法使用棱鏡或光柵作單色器a:棱鏡原理：光通過(guò)入射狹縫，經(jīng)透鏡以一定角度射到棱鏡上，在棱鏡的兩界面發(fā)生折射而色散。色散的光經(jīng)過(guò)透鏡被聚焦，在帶有出射狹縫的表面上，移動(dòng)棱鏡或移動(dòng)出射狹縫的位置，就可使所需波長(zhǎng)的光通過(guò)狹縫射到試液上。2022/10/27入射狹縫準(zhǔn)直透鏡棱鏡會(huì)聚透鏡出射狹縫三、儀器2022/10/27三、儀器b:光柵光柵是利用光的衍射和干涉原理制成的色散元件，也是讓所需波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)狹縫照射到溶液中。要求鋁片光潔度要很高，劃痕非常多，可見(jiàn)光、紫外光區(qū)為15000～30000條，成本非常高。

劃痕

鋁片2022/10/27三、儀器(3)吸收池，又稱比色皿，是用光學(xué)玻璃制成的無(wú)色透明的長(zhǎng)方體容器，用來(lái)盛放待測(cè)溶液，比色皿有各種規(guī)格，如：0.5cm、1cm、2cm、3cm、5cm等（比色皿內(nèi)壁之間的距離，即液層厚度）。若采用紫外區(qū)光度法須用石英制的吸收池。2022/10/27三、儀器(4)檢測(cè)系統(tǒng)利用光電效應(yīng)使光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，常用的有：光電池、光電管或光電信增管，另外采