分析化學-分光光度法

儀器分析緒論

什么是儀器分析儀器分析與化學分析的關(guān)系儀器分析的分類儀器分析的特點1什么是儀器分析

儀器分析是以物質(zhì)的物理和物理化學性質(zhì)為基礎建立起來的一類分析方法，測定時，常常需要使用比較復雜的儀器。2儀器分析與化學分析的關(guān)系①聯(lián)系：儀器分析是在化學分析的基礎上發(fā)展起來的。②區(qū)別：化學分析—以化學反應為基礎，通過人的感覺來實現(xiàn)的。儀器分析—將化學反應的信息轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硇盘?，然后檢測該信號，從而確定其含量。3儀器分析的分類

光譜分析法：建立在物質(zhì)對光的選擇性吸收基礎上的方法。電化學分析法：建立在研究物質(zhì)及其溶液所組成電池的電化學性質(zhì)基礎上的方法。色譜分析法：利用物質(zhì)在兩相中分配情況的差異建立起來的方法。原子光譜分子光譜原子吸收光譜(AAS)原子發(fā)射光譜(AES)原子熒光光譜(AFS)可見分光光度法400-800nm紫外分光光度法(UV)200-400nm紅外分光光度法(IR)>800nm光譜分析法電化學分析法電位分析法庫侖分析法伏安法電位滴定法色譜分析法氣相色譜法液相色譜法4儀器分析的特點化學分析儀器分析靈敏度準確度速度自動化程度成本常量分析（V>10ml,m>0.1g）微量分析（V<10ml,m<0.1g）誤差≤0.1%誤差∈（1％，10％）幾天幾分鐘小高小大第一章吸光光度法1-1概述許多物質(zhì)是有顏色的

——例如高錳酸鉀在水溶液中呈深紫色，Cu2+在水溶液中呈藍色。這些有色溶液顏色的深淺與這些物質(zhì)的濃度有關(guān)。濃度愈大，顏色愈深。因此，可以用比較顏色的深淺來測定物質(zhì)的濃度，這種測定分析方法稱為比色析分法。C一、吸光光度法1、定義：基于物質(zhì)對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。它包括比色法，可見分光光度法，紫外分光光度法及紅外分光光度法。2、特點：（1）靈敏度高：常用于測量1%~1‰的微量組分，還可測定10－4~10－6的痕量組分。（2）準確度高：比色分析，相對誤差5~10%，分光光度法，2~5%，1~2%；（3）應用廣泛：可測定幾乎所有無機物和許多有機物；（4）操作簡便，儀器設備易普及。二、物質(zhì)對光的選擇性吸收1幾個概念①復合光：不同波長的單色光按照一定比例混合而成的光。②單色光：只有一種波長的光。③互補光：適當波長的光按照一定比例混合形成白光，這幾種單色光就叫互補光，對應的顏色叫互補色。/nm顏色互補光400-450紫黃綠450-480藍黃480-490綠藍橙490-500藍綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍610-650橙綠藍650-760紅藍綠2物質(zhì)對光吸收的本質(zhì)當一束光照射到某物質(zhì)時，組成該物質(zhì)的分子、原子或離子與光子發(fā)生碰撞，光子的能量就轉(zhuǎn)移到分子、原子上，使這些粒子由最低能態(tài)（基態(tài)）躍遷到激發(fā)態(tài)：M+hv→M*——分子、原子或離子具有不聯(lián)系的量子化能級，僅當照射光光子的能級與被照射物質(zhì)粒子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量之差相等時才會發(fā)生吸收?！煌奈镔|(zhì)粒子由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級，其能量差值也不相同。因此，物質(zhì)對光的吸收具有選擇性。3物質(zhì)的顏色：

4吸收曲線：測量某種物質(zhì)對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標，得到的一條吸收光譜曲線。結(jié)論：①任何有色溶液都有自身的最大吸收波長；②對比3組曲線，不同濃度的溶液它的最大吸收波長一樣；③λmax附近，最大，最小。所以選λmax為入射光波長。4005006000.3000.2000.100nmⅠⅡⅢⅠ——0.0002mol/LⅡ——0.0004mol/LⅢ——0.0006mol/L1,10-鄰二氮雜菲亞鐵溶液的吸收曲線1-2光的吸收定律一、朗伯-比爾定律1、朗伯定律（Lambert’sLaw）：1760Lambert通過實驗發(fā)現(xiàn)電磁被物質(zhì)吸收時，透過能量呈指數(shù)減少。假定一輻射能通過光路后被吸收25%，再通過下一個光路時被吸收0.75×25%，剩56.25%,依次類推，在無限大的光路中將吸收全部輻射能寫成指數(shù)形式T=I/I0=10-kbT稱為透光率lgT=lgI/I0=-kb

2、比爾定律(Beer’sLaw):1852BeerandBermard發(fā)現(xiàn)類似定律，T和吸光物質(zhì)的濃度有關(guān)：T=I/I0=10-k’clgT=lgI/I0=-k’c3、朗伯－比爾定律：合并上述兩個定律為朗伯-比爾定律T=I/I0=10–abca是k和k’合并常數(shù)lgT=lgI/I0=-abcA=-lgT=lg1/T=lgI0/I=abc,

a是吸收系數(shù)；A是吸光度，大小取決于波長和吸光物質(zhì)的性質(zhì)如果c以摩爾濃度表示，則A=κbc，κ單位L·mol-1·cm-1，表示物質(zhì)的量濃度為1mol·L-1，液層厚度為1cm時溶液的吸光度。4朗伯－比爾定律的物理意義：——物理意義：當一束單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質(zhì)溶液時，溶液的吸光度與溶液濃度和液層厚度的乘積成正比。前題條件入射光是單色光；

吸收發(fā)生在均勻介質(zhì)中；

吸收過程中，吸光物質(zhì)不發(fā)生相互作用。

①k是吸光物質(zhì)在特定波長和溶劑的情況下的一個特征常數(shù)。數(shù)值上等于１mol/L吸光物質(zhì)在１cm光程中的吸光度，是吸光物質(zhì)吸光能力的量度?？勺鳛槎ㄐ澡b定的參數(shù)，也可以用來估量定量方法的靈敏度(k越大，靈敏度越高；k:103-105)。②實驗測出的k是用總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度計算得出，因此稱為表觀摩爾吸光系數(shù)。③k與a的關(guān)系

k=M·a(L·mol-1·cm-1)(g·mol-1)(L·g-1·cm-1)5κ的含義（也可用ε表示）

6.A和T的關(guān)系:透光率T=I/I0

A=-lgT=lg1/T=lgI0/I=abc百分透光率T%=I/I0×100%A=2.00-lgT%對于多組分體系，若吸光物質(zhì)間無相互作用，則：A總＝A1+A2+…An7例題鐵（Ⅱ）濃度為5.0×10-4

g·L-1

的溶液，與1,10-鄰二氮雜菲反應，生成橙紅色絡合物。該絡合物在波長508nm，比色皿厚度為2cm時，測得A=0.19。計算1，10-鄰二氮雜菲亞鐵的a及κ。需要知兩個公式A=abc

以及κ=Ma解：先求a，再求κ已知M(Fe)=55.85a=A/bc=0.19/2×5.0×10-4=190L·g-1·cm-1κ=Ma=55.85×190=1.1×104L·mol-1·cm-1二偏離比爾定律的原因1、非單色光引起的偏離假設入射光由λ1和λ2組成對于λ1，對于λ2復合光入射強度為（I0’+I0’’）透射光強度為（I1+I2）圖9-8復合光對比爾定律的影響2、化學因素引起的偏離：①溶液濃度過大（>0.01mol·L-1）；②介質(zhì)不均勻；③吸光組分的解離、締合、形成化合物或互變異構(gòu)；Cr2O72-+H2O2H++2CrO42-（橙色）

（黃色）

練習題1、人眼能感覺到的光稱為可見光，其波長范圍是A。400-800nmB。200-320nmC。200-800nmD。200-1000nm答案：A2、符合比爾定律的一有色溶液，當其濃度增大時，最大吸收波長和吸光度分別是A。不變，增加B。不變，減少C。增加，不變D。減少，不變答案：A

3、下列表述不正確的是A。吸收光譜曲線，表明了吸光度隨波長的變化關(guān)系B。吸收光譜曲線中,最大吸收處的波長為最大吸收波長C。吸收光譜曲線，以波長為縱坐標,以吸光度為橫坐標D。吸收光譜曲線，表明了吸光物質(zhì)的吸收特性答案：C4、影響有色物質(zhì)摩爾吸收系數(shù)的因素是A。吸收池厚度B。入射光波長C。有色物質(zhì)溶液的濃度D。入射光的強度答案：B

5、某有色物質(zhì)溶液，遵守比爾定律，當其濃度為c時，吸光度A=0.30，那么當濃度為2c時，該溶液的吸光度A=。6、某有色物質(zhì)溶液，遵守比爾定律，當其濃度為c時，用1.00cm比色皿測得其透光度為T，當濃度減小為0.50c時，在同樣條件下測定，其透光率應為A。T2B。2TC。T1/2D。T/2答案：c0.601-3目視比色法及光度計的基本部件一、目視比色法1、定義：用眼睛比較溶液顏色深淺以測定物質(zhì)含量的方法。2、測定方法：標準系列法。標準溶液梯度待測溶液條件：相同比色管等量顯色劑3、優(yōu)點：設備簡單，操作方便，不要求嚴格遵守比爾定律。4、用途:用在要求不高的常規(guī)分析中。5、缺點：準確度不高，標準系列制作麻煩，容易受干擾。二、光電比色法和分光光度法1與目視比色法比較：（1）是用儀器代替人眼進行測量，消除了人的主觀誤差，提高了準確度；（2）待測溶液中有其它有色物質(zhì)共存時，可以選擇適當?shù)膯紊夂蛥⒈热芤簛硐蓴_，因而提高選擇性；（3）在分析大批試樣時，使用標準曲線法可以簡化手續(xù)，加快分析速度。2基本組成光源—單色器—吸收池—檢測系統(tǒng)0.575光源單色器吸收池檢測器顯示3光電比色法與分光光度法的區(qū)別光電比色法：濾光片分光光度法：棱鏡、光柵6010紫外/可見分光光度計722分光光度計4各部件的特點(1)光源：要求穩(wěn)定，強度高，常用6~12V鎢燈，發(fā)320nm~2500nm的連續(xù)光譜，覆蓋整個可見光區(qū)400~800nm;氫燈或氘燈，發(fā)射光譜為200-400nm，紫外區(qū)(2)單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置，分為濾光片，棱鏡和光柵。a濾光片：由玻璃或石英構(gòu)成，濾掉對溶液吸光度不高的光線，選擇有色溶液最大吸收波長的光作為入射光。濾光片的顏色應與溶液是互補色。T%：最大透光度“半寬度”（Ws）：當最大透光度一半時曲線寬度。Ws越小，單色性能越好，通常為30－100nmWsT%λ可見光區(qū)：玻璃濾光片紫外區(qū)：石英濾光片b棱鏡：根據(jù)光的折射原理而將復合光色散為不同波長的單色光，然后讓所需波長的光通過一個很窄的狹縫照射到吸收池上。分辨率比濾光片大，通常為5-10nm的單色光。玻璃棱鏡：400－700nm石英棱鏡：200－1000nm利用光的衍射和干涉原理，將復合光分為單色光。光柵的分辨率比棱鏡大，可達到0.1nm。c光柵：（3）比色皿：也稱吸收池，長方體，兩面透明，有玻璃和石英玻璃兩種，規(guī)格有0.5，1.0，2.0，3.0,5.0cm等；（4）檢測器：a光電轉(zhuǎn)換器作用是接受從吸收池發(fā)出的透射光并轉(zhuǎn)換成電信號進行測量。分為光電池、光電管、光電倍增管和光電二極管陣列。b顯示器作用是把放大的電信號以吸光度A或透射比T的方式顯示或記錄下來。常用的顯示裝置是檢流計、微安表、數(shù)字顯示記錄儀。顯色反應：將待測組分轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩衔锏姆磻?。顯色劑：與待測組分形成有色化合物的試劑。+顯色劑1-4顯色反應及顯色條件的選擇一、顯色反應的選擇：1、顯色反應的類型：配位反應和氧化還原反應。2、對顯色反應的要求：⑴靈敏度足夠高:κ在104~105為高靈敏，κ＜103不靈敏Cu與不同顯色劑顯色劑顯色條件最大吸收波長（nm）

k氨6201.2x102銅試劑pH8.8-9.6CCl4萃取

4361.3x104雙硫腙0.1mol/L濃度CCl4萃取

5335x104⑵顯色劑在測定波長處無明顯吸收，試劑空白小。對比度：兩有色物質(zhì)最大吸收波長之差Δλ=|λMAXMR-λMAXR|≥60nm⑶有色化合物組成及化學性質(zhì)穩(wěn)定，選擇性好，干擾小。二、顯色劑1、無機顯色劑：應用不多，因其生成絡合物不穩(wěn)定，靈敏度選擇性也不高。目前有使用價值的主要有：硫氰酸鹽：測定Fe3+、Mo(Ⅵ)、W(Ⅴ)、Nb5+等。鉬酸銨：測定P、Si、W等。過氧化氫：測定V5+、Ti4+等2、有機顯色劑：⑴特點：有機顯色劑大多能與金屬離子生成極其穩(wěn)定的螯合物，具有特征顏色，其選擇性，靈敏度均高。不少螯合物易溶于有機溶劑，可以進行萃取比色。有機顯色劑多是含有生色團和助色團的化合物。⑵生色團：可以吸收光子產(chǎn)生躍遷的原子基團。一般含有不飽和鍵的基團，如-N=N-,＞C=C＜,-N=O,＞C=O,＞C=S、醌基等。⑶助色團：某些含有孤對電子的基團,它們與生色團上的不飽和鍵相互作用,影響其吸收,使顏色加深（紅移）。如-OH,-RH,-NH2,-NHR,-SH,-Cl,-Br,-I等。⑷類型：①偶氮類：偶氮胂Ⅲ，偶氮氯膦，二苯硫腙(PAR)等；②三苯甲烷類：鉻天青S，二甲酚橙，結(jié)晶紫等；三、多元絡合物多元絡合物是由三種或三種以上的組分所形成的絡合物。目前應用較多的是由一種金屬離子與兩種配位體所組成的三元絡合物（V-H2O2-PAR），三元絡合物在吸光光度分析中應用較普遍。主要特點為；1、穩(wěn)定性強；2、對比度和靈敏度高；3、選擇性好。四、顯色條件的選擇1、顯色劑的用量：

M+RMR待測組分顯色劑有色配合物2、溶液的酸度：M+HRMR+H+

⑴影響顯色劑濃度和顏色；⑵影響Mn+的存在狀態(tài);⑶影響配合物的組成。間苯二酚，pH<6時，黃色；pH:7~12，橙色；pH>13時，紅色磺基水楊酸與鐵（Ⅲ）pH：1.8~2.54~88~11.51:11:21:3

紫紅色棕褐色黃色3、顯色溫度的選擇：一般在室溫，有時需加熱，通過實驗確定4、顯色反應時間：制作吸光度-時間曲線5、溶劑：降低有色化合物離解度，增加靈敏度如在Fe(SCN)3的溶液中加入與水混溶的有機試劑（如丙酮），由于降低了Fe(SCN)3的解離度而使顏色加深，提高了測定靈敏度。6、干擾及其消除：（1）控制溶液酸度；（2）加入絡合掩蔽劑或氧化還原掩蔽劑；（3）利用氧化還原反應改變離子的狀態(tài)；（4）選擇適當?shù)牟ㄩL，要求吸收大，干擾??；（5）選擇合適的參比溶液；（6）采用適當?shù)念A先分離的方法。1、紫外可見分光光度計在可見區(qū)測量時所用光源是A氫燈B鎢燈C空心陰極燈D紅外燈答案：

B2、在光度計的檢流計上刻有A和T，二者關(guān)系為A=-lgT=lg1/T。練習題3、吸光光度法進行定量分析的依據(jù)是

,用公式表示為

,式中各項符號分別表示

;其中吸光系數(shù)可表示為

和

，其單位各為

和

。4、分光光度計與比色計主要差別是（）不同；分光光度計主要由（），（），（），（），（）五部分組成。1-5吸光度測量條件的選擇一、入射光波長的選擇1、原則：“吸收最大，干擾最小”，κ大，A變化小的區(qū)域。選500nm進行測定二、參比溶液的選擇選擇參比液目的：使試液的吸光度真正反映待測物的濃度。在測量A時，利用參比溶液來調(diào)整儀器的零點，消除由于吸收池壁及溶劑對入射光的反射和吸收帶來的誤差。選擇參比液的原則①僅MR有色→純?nèi)軇┳鲄⒈取、R均無色，在水體系中，選用蒸餾水作參比。②顯色劑R或其它試劑有吸收→試劑空白作參比。(即不加試樣的溶液)

③試樣中其它組分N有吸收，但不與R反應。

a：則當R無吸收時——試樣溶液作參比。

即：N、MR有吸收——含N，不含MR的作參比，即不加顯色劑的溶液作參比。

b：當R、N、MR均有吸收，在試樣中加入掩蔽劑，將待測組分M掩蔽后再加顯色劑，作參比。即：掩蔽M后用含R、N的溶液作參比。三、吸光度讀數(shù)范圍的選擇A=-lgT=κbc,(1)dA=-dlgT=-0.434dlnT=-0.434dT/T=κbdc(2)=(2)÷(1)

以有限值表示：=一般光度計ΔT約為±0.2%~±2%。假定為0.5%，代入上式計算不同濃度相對誤差如下圖?！鰿/C最小(1.36%)。當T在10%~70%，A在0.15～1.0△C/C<2.2%例題有一化合物在醇溶液中的λmax=240nm，其k=1.7×104，問若用b=1cm的比色皿時，應配置什么濃度范圍測定含量時合適？解：吸光度在0.15~1.0之間時分光光度法適宜。A=kbcc=A/(kb)下限:C下=0.15/(1.7×104×1)=0.88×10-5mol/L上限:C上=1.0/(1.7×104×1)=5.88×10-5mol/L1-6吸光光度法的應用一、微量組分的測定１．絕對法c

x=A/κ·b２．直接比較法As=κbcs

A

x=κbc

x兩者κ，b值相同，所以c

x＝A

x/A

s·cs３．加入法A

x=κbc

x（1）

As=κbc

s（2）根據(jù)加合性A

x＋s=A

x+A

s=A

x+κbc

s（3）則A

x＋s－A

x=κbcs（4）兩式相除（1）÷（4）,得c

x＝A

x

cs/(A

x＋s－A

x)４．標準曲線法

（5）二、高含量組分的測定－示差法與普通分光光度法比較主要不同之處：用一個稍低于試液的標準溶液作參比，與未知濃度的試樣溶液比較，克服普通分光光度法在測定組分濃度過高時產(chǎn)生較大誤差的不足。原理：設待測液為cx，標液濃度cs(cx＞cs)，調(diào)T=100%,測試液的吸光度Ar根據(jù)比爾定律得到：Ax=κbcx

As=κbcs兩式相減，得

Ar=ΔA=Ax－As=κb（cx－cs）=κbΔcΔA=κbΔc△C△A△Ax△Cx0示差法準確測定高濃度組分的原因在普通分光光度法中，以空白溶液作參比，假如濃度為CX的溶液透光度TX=7%(不屬于10%~70%)，CS→TS=10%，在示差法中以CS作參比，調(diào)節(jié)TS=100%，則TR=70%(屬于10%~70%)。示差法的濃度相對誤差公式為4.03.02.01.0020406080100Tr%E％(a)(b)(c)(d)%TS100804020隨參比溶液濃度增加，即TS減小，濃度相對誤差減小。普通法：對于透光度為5%的溶液，用普通法和示差法測量的誤差分別為三、多組分分析：以兩組分為例1、吸收光譜不重疊：同單組分2、吸收光譜重疊：列方程組求解

Aλ1=κx1bcx+κy1bcyAλ2=κx2bcx+κy2bcyXXXYYY雙波長吸光光度法λλ2λ1XYA光源單色器λ1單色器λ2切光器吸收池檢測器優(yōu)點：只用一個比色皿，消除了兩個吸收池之間的差異及試液與參比液的差異四、光度滴定1、定義：在定量滴定分析中，若被測組分、滴定劑、或反應產(chǎn)物在紫外或可見區(qū)有特征吸收，就可通過滴定體系的吸光度變化來指示滴定過程和滴定終點，這就是分光光度滴定。2、幾種指示終點的情況：（1）滴定產(chǎn)物有特征吸收20.00mLof5.00×10-3mol·L-1Cu2+titrationwith5.00×10-3mol·L-1EDTA（2）滴定劑有特征吸收20.00mLof1.00×10-3mol·L-1Fe2+titrationwith2.00×10-3mol·L-1KMnO4（3）被測物有特征吸收AV終點（4）滴定劑和被測物均有特征吸收AV終點（5）連續(xù)滴定五、配合物組成及其穩(wěn)定常數(shù)的測定摩爾比法求配合物組成：M+nLMLn固定金屬離子濃度cM而逐漸改變配位體濃度cL，測定一系列cM一定、cL不同的溶液的吸光度。以吸光度A為縱坐標，cL/cM為橫坐標作圖。穩(wěn)定常數(shù)的測定如形成1：1的配合物時，根據(jù)物料平衡

cM=[M]+[ML]cL=[L]+[ML]

A=kML[ML](b=1cm)(假定金屬離子和配位體在測定波長無吸收)kML=A0/CM解聯(lián)立方程，求得[M]、[L]、[ML]，則K=[ML]/[M][L]M+L→ML某金屬離子M2+能與過量的絡合劑X-生成絡離子MX3-,并在350nm處有最大吸收。今有兩份含M2+及X-的溶液,M2+的總濃度均為5.0×10-4mol/L,而X-的總濃度分別為0.20mol/L及2.50×10-3mol/L,用1.0cm比色皿于350nm處分別測得其吸光度為0.80和0.64。設在第一種情況下,M2+完全被絡合,求MX3-的總穩(wěn)定常數(shù)。練習題1、在光度分析中，選擇參比溶液的原則是A。一般選蒸餾水B。一般選試劑溶液C。根據(jù)加入試劑和被測試液的顏色性質(zhì)選擇D。一般選褪色溶液答案：C2、某有色物質(zhì)溶液的吸光度值較小時，則表明A。該物質(zhì)的濃度較小B。該物質(zhì)摩爾吸收系數(shù)較小C。所用比色皿較薄D。上述三者都可能答案：D

3、為使某待測物質(zhì)測定的靈敏度較高，則應選擇A。較高濃度的待測溶液B。采用具有較大吸收系數(shù)的體系C。在較長的波長下進行D。用較強的光源答案：B4、高濃度有色物質(zhì)的光度法測定常用的方法是A。示差法B。摩爾比法C。光度滴定法D。目視比色法答案：A5、用普通分光光度法測得標液c1的透光率為20%，試液的透光率為12%，若以示差法測定，以c1為參比，則試液的透光率為A。40%B。50%C。60%D。70%答案：C6.濃度的相對誤差和透光度讀數(shù)范圍