儀器分析全冊配套完整課件4

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第2章可見－紫外吸光光度法

VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy2.1可見吸光光度法概述

最早出現(xiàn)了目視比色法，然后出現(xiàn)了光電比色法和可見分光光度法。

這些方法都是依據(jù)物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法，所以又稱為吸光光度法。

基于光與物質相互作用的性質而建立起來的分析方法稱之為光學分析法。2.1.1可見吸光光度法的特點

（1）靈敏度高：

測定濃度下限10-5～10-6mol·L-1或更低。（2）準確度高：

相對誤差約為1～5％。（3）操作簡便快速。（4）儀器性價比高。（5）應用范圍廣。2.1.2光的基本性質

光是一種電磁波，它具有波粒二象性。光的波動性可用波長

、頻率

、光速

c等參數(shù)來描述：

c

=

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數(shù)：h=6.626×10-34J·

S

)光的波長越短，或頻率越高，其光子所具有的能量就越大。

各種電磁波依其波長的不同，分別屬于下列光譜區(qū)間：

γ

射線：0.001～0.01nm

；

X射線：0.01～10nm；紫外光：10～380（400）nm

；可見光：380～780nm;或（400～800nm）；紅外線：0.78（800）～1000

μm

；微波：0.1～10cm

；

射頻：10cm以上。單色光：最初指具有單一顏色的光?，F(xiàn)指波長范圍很窄的光。光的波長范圍越窄，其單色性就越好。

復合光：由不同波長的光組合而成的波長范圍較寬光。2.1.3物質對光的選擇性吸收

（1）光色的互補關系

可見光的波長范圍：

380～780nm。

太陽光、白熾燈光的波長是多少呢？實驗表明，太陽光等“白光”可以分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色的光。

白光380nm780nm

將紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種顏色的光按一定比例混合，就能得到白光。進一步研究表明，兩種適當顏色的光以一定比例相混合，也能夠得到白光。這兩種色光就叫做互補色光。

白紅橙黃綠青青藍藍紫

不同顏色的可見光具有不同的波長，見p.4，表2.2。

（2）物質的顏色

世界上的物質為什么會有各種各樣的顏色呢？

CuSO2溶液：

KMnO4溶液：

K2CrO4溶液：

物質呈現(xiàn)不同的顏色，是由于它對光的選擇性吸收的結果，顯示出的顏色是它吸收的顏色的互補色。（3）物質對光的選擇性吸收的實質M

+熱M+

熒光或磷光

物質的分子、原子或離子具有確定的組成和結構，因而具有一系列不連續(xù)的量子化的特征能級。M+h

→

M*

基態(tài)

激發(fā)態(tài)E1

E2E1E2E3h

如果照射光子的能量（h

）等于其某兩個特征能級差（△E）時

：

E=E2-

E1=h

光子的能量將向物質轉移，產(chǎn)生對該特定波長的光吸收，并從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。各種物質具有不同的特征能級，因此會對不同波長的光產(chǎn)生選擇性吸收。E1E2E3h

1.2.4吸收曲線（AbsorptionCurves）

用不同波長的單色光照射試樣，測量其對應的吸光度值，可得到反映試樣物質對不同波長的光的吸收特性的曲線——吸收曲線（吸收光譜）。（1）同一種物質在不同波長處測得的吸光度不同。吸光度最大處所對應的波長叫最大吸收波長λmax。

（2）不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。濃度越高，吸光度越大。

（3）在λmax處測定，吸光度最大，靈敏度最高。通常選擇λmax作為定量分析中的入射光波長。

（4）不同物質的吸收曲線的形狀不同。

（5）吸收曲線能提供物質的結構信息，可以作為物質定性分析的依據(jù)，是物質的重要基本特性之一。

2.2光的吸收基本定律——朗伯—比耳定律

2.2.1朗伯定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關系:2.2.2比耳定律

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間的關系：將二者相結合，則可得朗伯—比耳定律。c2.2.3朗伯—比耳定律（1）朗伯—比耳定律的表述

把朗伯定律和比耳定律合并起來，便得到朗伯-比耳定律。它可表述為：當一束平行單色光通過單一均勻的、非散射的吸光物質溶液時，溶液的吸光度與溶液濃度和厚度的乘積成正比。（2）表達形式（Ⅰ）式中，A：吸光度,反映了溶液對光的吸收程度，為無因次量；

b：液層厚度(吸收光程長度)，單位為cm；

c：溶液的濃度，單位g·L-１

；

a：吸光系數(shù)，單位L·g-１·cm-１。

（3）表達形式（Ⅱ）

如果濃度

c的單位取

mol·L-１，則有

式中，ε：摩爾吸光系數(shù)，單位

L·mol-１·cm-１；

有時，吸光度也用消光度

E，光密度

D

代替。

（4）描述入射光透過溶液的程度:

透光度

T

(透射比)

（4）吸光度

A與透光度

T

的關系:

A=-lgT=εbc

朗伯—比耳定律是吸光光度法定量測定的依據(jù)。

百分透光度：

（5）吸光系數(shù)

a

和摩爾吸光系數(shù)ε：吸光系數(shù)a（L·g-1·cm-1）相當于濃度為1g/L、液層厚度為1cm

時，該溶液在某一波長下的吸光度。摩爾吸光系數(shù)ε（L·mol-1·cm-1

）在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm

時，該溶液在某一波長下的吸光度。

a

與ε的關系為：

a

=ε/M（M

為摩爾質量）

（6）摩爾吸光系數(shù)

ε的特點（?。┠栁庀禂?shù)ε為吸光物質在一定波長、溫度和溶劑條件下的特征常數(shù)；

（ⅱ）ε不隨

c和

b的改變而改變。

在溫度、波長、溶劑等條件一定時，ε僅與吸光物質本身的性質有關；

（ⅲ）同一吸光物質在不同波長下的ε值是不同的；在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數(shù)，叫最大摩爾吸光系數(shù)，表示為εmax

，它表明了該吸光物質最大限度的吸光能力。ε的大小反映了光度法測定該物質靈敏度的高低。

（ⅳ）ε可以作為物質定性鑒定的特征參數(shù)。

2.2.4吸光度的加和性對于多組分共存體系，若各組分濃度很低，可忽略相互影響，則有：

A總＝A1＋A2＋A3＋…＋An

＝ε1bc1

＋ε2bc

2＋ε3bc

3＋…＋εnbc

n

這叫做吸光度的加和性。

2.2.5定量分析的方法

（一）單點校正法

配制濃度為

cs的標準溶液和濃度未知

cx

的試樣溶液，在相同條件下測定它們的吸光度：

標準溶液

cs————

As,

待測組分

cx————

Ax，

由朗伯－比耳定律，可得：

As＝εbcsAx＝εbcx

二式相比得：

cx＝

(Ax／As)×cs（二）標準曲線法（1）配制濃度遞增的標準系列：c1、c2、c3…cn

；（2）配制濃度未知（cx

）的試樣溶液；（3）在相同條件下測定其吸光度：

c1

→

A1,c2→

A2,c3→

A2…cn→

An,

cx→

Ax；（二）標準曲線法（4）根據(jù)

A＝abc,在直角坐標系中作標準曲線:

坐標變量的標度，描點，配線（5）由測得的

Ax從標準曲線上查出對應的

cx

；（6）進行濃度換算，求出原始樣品中待測組分濃度。（三）一元線性回歸法二變量具有的線性關系，可用一元線性回歸方程表示：y＝ax＋b式中，

a為回歸系數(shù)，即回歸曲線的斜率；

b為回歸曲線在

y軸上的截距。

標準系列值：x1、x2、x3……xn

，均值為x

對應觀測值：y1、y2、y3……yn

，均值為y

由最小二乘法可推得：

在同樣條件下測定試樣溶液的觀測值yi

,代入回歸方程，便可求出試樣待測值：

回歸方程是否有意義？由相關系數(shù)

γ

來檢驗。為了便于記憶，令

則有：

a

＝lxy／lxx2.2.5偏離比耳定律的原因

用標準曲線法測定未知溶液的濃度時，有時會發(fā)生標準曲線向上或向下彎曲的現(xiàn)象，即產(chǎn)生了對比耳定律的偏離。

偏離會導致測定的誤差。

是什么原因引起這種偏離的呢？

（一）非單色光引起的偏離

比耳定律的前提條件之一是入射光為單色光。而人們卻難以獲得真正的純單色光。一般的分光光度計只能獲得近乎單色的波長范圍狹窄的光帶。復合光可導致對比耳定律的正或負偏離。

如上圖所示，在吸收曲線中的a

處測量時，物質對光束中不同波長的光的吸收能力相同，故不會引起標準曲線的彎曲；而在b

處測量時，則會引起標準曲線向下彎曲。

AAλ

/nmcabba為了克服非單色光引起的偏離，首先應選擇單色性較好的單色器；此外還應將入射光波長選定在吸收曲線較平坦的地方，通常選在待測物質的最大吸收波長處。AAλ

/nmcabba（二）濃度過高引起的偏離

比耳定律成立的條件之一：所有的吸光粒子相互獨立，不發(fā)生相互作用。

只有在稀溶液(c<10－2mol/L)中，吸光粒子之間相距較遠，才基本符合上述條件。

當溶液濃度c>10－2mol/L

時，吸光粒子之間距離縮短，其電荷分布相互影響加強，引起吸光行為的變化，使吸光能力減弱，導致標準曲線向下彎曲。

同時，濃度很高時儀器對吸光度測定的誤差增大。

故：朗伯—比耳定律只適用于稀溶液。(三)化學性因素引起的偏離通常，待測溶液為一復雜的化學體系，當條件改變時，就會引起吸光物質發(fā)生相應變化，比如離解、締合、化合、互變異構、絡合等等。使吸光物質的濃度發(fā)生變化，從而影響吸光度。

例如在弱酸性介質中重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：Cr2O72-

＋

H2O

2HCrO4-

CrO42-

＋

2H＋

（橙黃）

（黃）（黃）

在450nm

入射光下，測定不同濃度的K2Cr2O7溶液標準系列，標準曲線向上還是向下彎曲？為什么？怎樣避免這一現(xiàn)象的發(fā)生？在弱酸性介質中重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：Cr2O72-

＋

H2O

2HCrO4-

CrO42-

＋

2H＋

（橙黃）

（黃）（黃）

怎樣避免“標準曲線向上彎曲”這一現(xiàn)象的發(fā)生？控制溶液的pH值,使其保持在高酸度的條件下測定，使化學平衡向左移動，就不會引起偏離。

第2章可見－紫外吸光光度法

VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy

2.3可見分光光度計簡介

可見分光光度計

紫外-可見分光光度計（德國耶拿公司）

紫外-可見分光光度計（日本島津公司）光源單色器吸收池檢測系統(tǒng)用于測定溶液吸光度或透光度的儀器有：

光電比色計和分光光度計。

儀器的基本組成框圖如下所示：分光光度計光電比色計濾光片分光系統(tǒng)

常用單光束分光光度計的外觀

2.3.1可見分光光度計的主要部件和工作原理（一）光源

要求：在整個可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命?？梢姺止夤舛扔嫷墓庠赐ǔＳ砂谉霟艉头€(wěn)壓電源組成。

光源常用鎢絲白熾燈，其規(guī)格為12V、25W

或10V、7.5W。輻射波長范圍為320～2500nm

的連續(xù)光譜，其中可見光部分僅為10％左右。

電子穩(wěn)壓電源提供穩(wěn)定的燈電壓，保證燈的發(fā)射穩(wěn)定。近年已改用發(fā)光效率更高的鹵鎢燈。

激光器也可作為光源。

（二）單色器

是能將光源發(fā)射的復合光分解成單色光，并能選出測量所需單色光的光學系統(tǒng)。

包括：光電比色計中的濾光片分光光度計中的棱鏡式單色器或光柵式單色器（1）濾光片

由有色玻璃片或有色塑料片制成。

濾光片只允許與它顏色相同的光通過。其透光性能可用透光曲線（～T%關系曲線）反映。

藍色濾光片的透光曲線

半寬度：最大透光度一半處的透光曲線的寬度。半寬度越窄，單色性越好。濾光片的半寬度一般約為10～30nm。

藍色濾光片的透光曲線

濾光片的選擇：

濾光片的顏色應該是待測溶液顏色的互補色。（2）棱鏡式單色器

其主要元件包括：入射狹縫、準光裝置、色散元件（棱鏡）、聚焦裝置、出射狹縫等。

棱鏡式單色器的單色性取決于棱鏡的色散率和單色器的狹縫寬度，其半寬度約為5～10nm。

此外，還有性能更好的光柵型單色器。棱鏡入射狹縫出射狹縫準直透鏡聚焦透鏡反射鏡反射鏡（三）吸收池規(guī)格：0.5、1、2、3cm

工作時應將各種類型的吸收池（比色皿）放置在樣品室和相應的池架附件內。吸收池主要有石英玻璃池和光學玻璃池兩種。在可見光區(qū)一般用光學玻璃池，紫外光區(qū)應采用石英玻璃池。

使用比色皿的注意事項。1cm2cm3cm（四）檢測系統(tǒng)

由檢測器和讀數(shù)裝置組成。（1）檢測器：

分光光度計的檢測器是利用光電效應將透過吸收池的光信號轉變成便于測量的電信號的裝置。常用的光電轉換元件有光電池、光電管、光電二極管、光電阻或光電倍增管。（a）硒光電池及其工作原理：

硒光電池的結構和工作原理：

硒光電池的特點：

靈敏度高；光譜敏感范圍窄；易產(chǎn)生“疲勞現(xiàn)象”；內阻低；響應時間長。目前，分光光度計常用硅光電池作為光電轉換元件，其性能比硒光電池好得多。（b）光電管及其工作原理光電管的構造：光電管的工作原理：

陽極陰極電源電阻放大器讀數(shù)裝置光＋－光電管的特點：內阻高；光譜敏感范圍寬而平；響應時間短；性能穩(wěn)定；壽命長。

光二極管陣列檢測器結構示意圖具有二極管陣列檢測器的分光光度計示意圖：

（2）讀數(shù)裝置：可見分光光度計的讀數(shù)裝置可以是檢流計、微安表頭、數(shù)字顯示器、液晶顯示屏、微機控制和結果處理裝置。2.3.2常用分光光度計（1）單光束型分光光度計

簡單，價廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。光源比色皿檢測器單色器

單光束可見分光光度計原理圖棱鏡入射狹縫出射狹縫透鏡透鏡反射鏡反射鏡比色皿光電管放大器讀數(shù)裝置光源能自動記錄，快速全波段掃描。

可消除光源不穩(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響。

特別適合于結構分析。

儀器復雜，價格較高。（2）雙光束型分光光度計（3）雙波長型分光光度計

將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過同一吸收池而后到達檢測器。產(chǎn)生交流信號。無需參比池。兩波長同時掃描即可獲得導數(shù)光譜。單光束（1）、雙光束（2）、雙波長（3）分光光度計基本光路的比較島津SHIMADZU雙光束型紫外分光光度計UV-2550/2450

光纖分光光度計示意圖

光纖光度計2.4分析方法的建立

第2章可見－紫外吸光光度法

VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy2.4.1顯色反應的選擇顯色反應：將待測組分轉變?yōu)橛猩衔锏姆磻?/p>

主要為配位反應、氧化還原反應、縮和反應、重氮化－偶合反應等。顯色劑：能與待測組分形成有色化合物的試劑。

選擇顯色反應時，應考慮的因素：

（一）靈敏度高。用ε

的大小來衡量顯色反應靈敏度的高低。ε

越大，靈敏度越高。一般ε

約為103～105。（二）選擇性高。即共存組分不與顯色劑發(fā)生明顯的干擾反應。

選擇性試劑和特效試劑。

（三）顯色劑無干擾吸收

顯色劑在測定波長處無明顯吸收。對比度：兩種有色物最大吸收波長之差（△

）。要求顯色劑和顯色物的△

≥60nm。

（四）顯色反應的穩(wěn)定性要求與待測組分定量顯色，顯色物組成恒定、性質穩(wěn)定。2.4.2顯色反應條件的選擇（一）顯色劑用量顯色反應：

M＋

R

MR

固定其他條件，改變顯色劑用量，顯色后，測吸光度，作A～cR關系曲線，有如下所示的幾種情況。應選擇曲線變化平坦處的用量。（二）反應體系的

pH值

顯色劑：

HRH＋＋R－

顯色反應：

R－＋M＋

MR

固定其他條件，改變溶液酸度，在相同實驗條件下，分別測定不同

pH值下顯色溶液的吸光度。選擇曲線中吸光度較大且恒定的平坦區(qū)域內所對應的pH值。（三）顯色時間

t

作顯色物的穩(wěn)定性實驗：固定其他條件顯色，在不同時間測定顯色物的吸光度A，作A～t

關系曲線。選擇曲線中平坦部分所對應的時間作為顯色時間。（四）顯色溫度T

在不同溫度下作A～t

關系曲線，選顯色快、褪色慢、吸收強的曲線所對應的溫度。（五）溶劑

一般采用水相測定，也可適當改變溶劑成分。

此外，干擾情況，其他試劑的選擇和加量等也是必須考慮的。上述選擇最佳條件的方法叫做“單因素變動法”或“孤立變量法”。選擇多因素實驗的最佳條件的科學方法：

“正交實驗法”。2.4.3顯色劑

（一）無機顯色劑：

靈敏度較低，選擇性不太高，顯色物不太穩(wěn)定。現(xiàn)還在應用的有：硫氰酸鹽、鉬酸銨、過氧化氫等幾種。

（二）有機顯色劑：

種類繁多，常為螯合劑，生成絡合物后，顏色發(fā)生明顯變化；具有性質穩(wěn)定、顯色靈敏度高、選擇性好、對比度大等優(yōu)點，其應用最廣泛。

有機顯色劑及其顯色物的顏色與其分子結構密切相關它們往往含有生色團和助色團。

生色團：是指某些含有π

鍵的不飽和基團。

比如

>C=C<，—C≡C—

，>C=O，

—N=N—,－NO2，－NO、芳基、對醌基等都是生色團。

助色團：是含有帶孤對電子的雜原子的飽和基團和烷基，它本身不能吸收＞200nm的光，但它們與生色團相連時，能使化合物的λmax向長波方向移動，即產(chǎn)生了紅移，同時ε↑。

比如

—OH，—OR，—NHR，

—SH，—X，－CH3

等都是助色團。

顯色劑為什么能使金屬離子顯色呢？

當顯色劑與金屬離子與顯色劑發(fā)生反應后，生成的絡合物改變了顯色劑分子內的電子云分布，使體系的能量降低，吸收波長紅移，顏色加深。例如Al3＋的顯色反應：茜素茜素鋁（黃色）無色（紅色）

（1）偶氮類顯色劑：

分子中都含有偶氮基（－N＝N－）本身是有色物質，生成配合物后，顏色發(fā)生明顯變化；具有性質穩(wěn)定、顯色反應靈敏度高、選擇性好、對比度大等優(yōu)點，應用最廣泛。如偶氮胂Ⅲ、PAR

等都是偶氮類顯色劑。（2）三苯甲烷類：

如，鉻天青S、二甲酚橙、結晶紫等。

鉻天青S結晶紫（3）含硫顯色劑：

如雙硫腙、銅試劑、二硫酚、硫脲等?？蓽y定Cu2＋、Pb2＋、Hg2＋、Cd2＋、Zn2＋等離子。

雙硫腙（4）NN型鰲合顯色劑：

如鄰菲羅啉、丁二酮肟等。鄰菲羅啉丁二酮肟（三）提高光度測定靈敏度和選擇性的途徑

（1）合成新的高靈敏度有機顯色劑。（2）采用分離、富集和測定相結合的分析方法。如萃取分光光度法等。（3）采用三元(多元)絡合物顯色體系。

2.4.4共存離子干擾的消除（一）選擇適當?shù)娘@色反應條件（二）加入掩蔽劑

選擇掩蔽劑的原則是：掩蔽劑不與待測組分反應；掩蔽劑本身及掩蔽劑與干擾組分的反應產(chǎn)物不干擾待測組分的測定。如用鉻天菁S

光度法測定Al3+時，加入抗壞血酸作掩蔽劑將Fe3+還原為Fe2+，消除Fe3+的干擾。共存離子干擾的消除（三）分離干擾離子

采用如沉淀、萃取、色譜、離子交換等方法。2.4.5測定條件的選擇（一）入射光波長的選擇

一般應該選擇λmax為入射光波長。如果λmax處有共存組分干擾時，則應考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長。

（二）參比溶液的選擇

為什么要使用參比溶液？

當入射光照射試樣時，會產(chǎn)生什么現(xiàn)象呢？（1）界面反射；（2）微粒散射；（3）比色皿吸收；（4）非待測組分吸收（5）溶劑、試劑等的吸收；（6）待測組分的吸收。怎樣才能使測得的的吸光度真正反映出待測溶液的濃度？I0I

選用形狀、大小和光學性質完全相同的比色皿，分別裝入?yún)⒈热芤汉痛郎y試液。

參比溶液待測溶液I參

首先將參比液置于光路，調整入射光強度，使T參＝100％（A參=0）；

然后拉動比色皿槽，使待測溶液進入光路，此時：

A樣＝lg(I參/I樣)＝abc入射光

選擇參比溶液的原則：

讓參比溶液具有與待測溶液相同的干擾因素，以使試液的吸光度值盡可能真實地反映出待測組分的濃度。

參比溶液待測溶液I參入射光參比溶液待測溶液I參

（1）當待測試液、顯色劑和其他試劑無顏色時，可選用純溶劑作參比溶液。

（2）若顯色劑和其他試劑均有顏色，可在溶劑中加入顯色劑和其他試劑作為參比溶液，即用“空白溶液”作參比，也叫做試劑參比。

（3）若待測試液在測定波長處有吸收，而顯色劑和其他試劑無色，則可用不加顯色劑的試液作為參比溶液。（4）若顯色劑、試液中其他試劑均有顏色，則可在試液中加入適當掩蔽劑將待測組分掩蔽后，再加顯色劑和其他試劑，作為參比溶液。（三）吸光度讀數(shù)范圍的選擇

因T＝I/I0,A＝-lgT,

故T為均勻刻度，A為非均勻刻度。透光度的讀數(shù)誤差用ΔT表示，在不同的透光度位置讀數(shù)，ΔT不變，但ΔT所對應的ΔA

的大小不同。700201030405060

809010000.040.60.40.30.20.11.00.70.50.8∞T×100A（三）吸光度讀數(shù)范圍的選擇

而

A＝εbc

,因此在不同位置讀數(shù)，由讀數(shù)誤差ΔT產(chǎn)生的濃度測定的相對誤差Δc/c大小不同。

Δc/c在儀器不同的透光度或吸光度位置的變化規(guī)律是怎樣的呢？

700201030405060

809010000.040.60.40.30.20.11.00.70.50.8∞T×100A

若溶液服從朗－比定律，則有：

－lgT=εbc……(1)

將此式微分：

－dlgT＝－0.434dlnT(-0.434/T)

dT＝εbdc……（2）

(2)/(1)得：

dc/c＝（0.434/TlgT）dT

以有限值的增量表示，可得誤差公式：

Δc/c＝0.434ΔT

/（TlgT）

（3）

此式說明：Δc/c不僅與ΔT有關，而且與其透光度讀數(shù)T的值也有關。是否存在最佳讀數(shù)范圍？何值時誤差最??？利用誤差公式：

Δc/c

＝0.434ΔT/（TlgT）取ΔT=0.5%，代入不同T值則可繪出溶液濃度測定相對誤差Δc/c

與其T％的關系曲線。如圖所示：

當ΔT=0.5%，T

在10%～70%之間時，由讀數(shù)誤差所引起的濃度測定的相對誤差較小，約為1.4％～2.2％。即，測定的最佳讀數(shù)范圍是：對式dc/c=(

0.434/TlgT)dT

求導,令其導數(shù)為零，可得，當

T＝0.368

或

A＝0.434

時，濃度測定的相對誤差Δc/c最小。

T%=10～70%

或吸光度

A=1.0～0.15

第2章紫外－可見吸光光度法

VisibleandUltravioletAbsorptionSpectroscopy

2.5可見吸光光度法的應用

2.6簡易快速比色法2.5.1示差分光光度法（示差法）

普通分光光度法一般只適于測定微量組分，當待測組分含量較高時，將產(chǎn)生較大的誤差。

采用示差法可以克服這一缺點。采用濃度稍低于待測溶液濃度的標準溶液作參比溶液，然后提高入射光強度調零。

設待測溶液濃度為cx，標準溶液濃度為cs，且cs

＜

cx。

用標準溶液cs作參比，測定待測溶液吸光度：

Ａr＝εb（cx_－cs））=εbΔc故Ａr∝Δc

即示差法所測得的吸光度Ａr為待測溶液相對于標準溶液的相對吸光度。它與待測溶液和參比溶液的濃度差成正比。這就是示差法定量的依據(jù)。

若用普通法測定時，參比溶液是空白溶液，分別測定

cx、cs的吸光度，則有：Ax=εbcx

As=εbcsＡx－Ａs=εb(cx－cs）=εbΔc＝Ａr

這說明，示差法所測得的相對吸光度Ａr，相當于用普通法測得的待測溶液與標準溶液的吸光度之差ΔＡ。

示差法標尺擴展原理：

普通法：用空白溶液作參比，測得

cs的

T＝10%，

cx的T＝5%Ax＝1.30，Δc/c大。

示差法：

cs

做參比，調

T＝100%，標尺擴展了10倍。此時，

cx

的

T＝50%

Ar＝0.301，Δc/c小。2.5.2溶液中多組分分析溶液中多組分的同時測定分如下情況：

⑴若各組分的吸收曲線互不重疊，則可在各自最大吸收波長處分別進行測定。這本質上與單組分測定沒有區(qū)別。

2.5.2溶液中多組分分析⑵若各組分的吸收曲線互有重疊，則可根據(jù)吸光度的加合性，求解聯(lián)立方程組得出各組分的含量。

A1=εa1bca＋εb1bcb

A2=εa2bca＋εb2bcb

2.5.3酸堿離解常數(shù)的測定一元弱酸HL在水溶液中的離解平衡：

HLH＋＋L－其總濃度

c

＝HL＋L－配制一系列總濃度c不變、pH值遞變的該一元弱酸溶液：pH低pH高pH適中全為酸式

HLAHL＝εHLc全為堿式

L－AL-＝εL-c

HL＋L－A＝εHL

HL＋εL

-L－引入分布系數(shù)：=[HL]/

c

=[L-]/c則有：當pH值足夠低時，有：當pH值足夠高時，有：將此二式代入式：可得：取負對數(shù)，可得HL

的離解平衡常數(shù)的基本公式：求

pKa的方法：（1）代數(shù)法：直接將實驗數(shù)據(jù)代入上式求解。（2）圖解法：a.根據(jù)式：作關系曲線：（2）圖解法：a.根據(jù)式：作關系曲線：b.作A～pH

關系曲線。2.5.4絡合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測定

在測定波長處，中心離子M、配體L均無明顯吸收。摩爾比法：

（一）絡合物組成的確定配制一系列不同摩爾比（cL/cM）的標準溶液，其中cM固定不變，cL遞增。顯色后，測其吸光度A，作A～cL/cM關系曲線。AcL/cMn

在曲線的轉折點處所對應的cL/cM值

n

，即為絡合物的組成比。

若

cL/cM＝n

則絡合比為：

M：L＝1：n

若n不為整數(shù)，可取近似整數(shù)值。AcL/cMn（二）絡合物穩(wěn)定常數(shù)的測定

用上述方法確定了絡合比為

1：n

后，則絡合平衡為：

M＋nLMLn

由物料平衡得：

在絡合物MLn得最大吸收波長處，用

1cm比色皿測出不同

cL/cM

溶液的吸光度，作A～cL/cM關系曲線。

在曲線轉折點后查出

A0

，有

A0＝εcM故ε＝A0

/cM

再選取曲線轉折點前的一點，查出其吸光度

A和對應的

cL/cM。

計算絡合物的平衡濃度：

[MLn]

＝A/ε

代入物料平衡關系式，可得：

[M]＝cM

－A/ε[L]＝cL

－nA/ε

將各平衡濃度值代入K穩(wěn)計算式，即可求出K穩(wěn)值。A0cL/cMA

2.5.5催化吸光光度法

若某催化劑能加快一有色反應的速度，則可由吸光度隨時間變化的關系的測定，求出痕量催化劑的濃度。這就是催化吸光光度法。

其特點是:靈敏度高，選擇性好，簡便快速。2.5.6雙波長吸光光度法

不需空白溶液作參比；但需要兩個單色器獲得兩束單色光(λ1和λ2)；以參比波長λ1處的吸光度Aλ1作為參比，來消除干擾。在分析渾濁或背景吸收較大的復雜試樣時顯示出很大的優(yōu)越性。靈敏度、選擇性、測量精密度等方面都比單波長法有所提高。

ΔA

＝Aλ2－Aλ1＝(ελ2－ελ1)bc

兩波長處測得的吸光度差值ΔA與待測組分濃度成正比。ελ1和ελ2分別表示待測組分在λ1和λ2處的摩爾吸光系數(shù)。

λ1λ2

關鍵問題:

測量波長λ2和參比波長λ1的選擇與組合。以兩組分x和y的雙波長法測定為例：設：x為待測組分，y為干擾組分，二者的吸光度差分別為:

ΔAx和ΔAy，則該體系的總吸光度差ΔAx+y為：

ΔAx+y=ΔAx+ΔAy如何選擇波長λ1、λ2有一定的要求。λ1λ2

選擇波長組合λ1、λ2的基本要求是：

（1）選定的波長λ1和λ2處干擾組分應具有相同吸光度，即：ΔAy=Ayλ2－Ayλ1=0故：ΔAx+y=ΔAx=(εxλ2－εxλ1)bcx此時：測得的吸光度差ΔA只與待測組分x的濃度呈線性關系，而與干擾組分y無關。若x為干擾組分，則也可用同樣的方法測定y組分。

可采用作圖法選擇符合上述兩個條件的波長組合。

（2）在選定的兩個波長λ1和λ2處待測組分的吸光度應具有足夠大的差值。

2.5.7固相吸光光度法

固相吸光光度法是用固體物質作載體，來提取待測組分，集分離、富集、顯色為一體的分析方法。其優(yōu)點是：大大提高了分析靈敏度，簡化了分析操作，節(jié)約了分析時間，降低了分析成本。2.5.8三元絡合物在吸光光度分析中的應用

由一個中心金屬離子與兩種（或兩種以上）不同配位體形成的配合物，稱為三元（多元）配合物（絡合物）。三元絡合物主要類型有：三元離子締合物、三元混配絡合物、三元膠束（增溶）絡合物。

（1）三元絡合物顯色反應具有更高的選擇性。

（2）三元絡合物的穩(wěn)定性很好，可以提高測定的準確度。

（3）三元絡合物吸光能力更強，與顯色劑的對比度更大，分析靈敏度更高。一方面是因為三元絡合物比其相應的二元絡合物分子截面積更大；另一方面是因為第二配位體的引入，可能產(chǎn)生配位體之間、配位體與中心離子間的協(xié)同作用，使共軛π電子的流動性和電子躍遷幾率增大。

（4）三元絡合物在水中和在有機溶劑中的溶解度差別較大，有利于萃取分光光度分析。

（5）三元絡合物體系還可以改善顯色條件。2.6簡易快速比色法2.6.1目視比色法1243756目視比色法21543x76人眼比色管白瓷板

2.6.2快速顯色法Fe2+與

2，2’－聯(lián)吡啶反應，生成深紅色絡合物。Fe2+與

2，2’－聯(lián)吡啶反應，生成深紅色絡合物。132還原劑緩沖劑顯色劑2.6.3檢氣管法進氣口出氣口2.6.4試紙比色法選用適當試劑浸泡處理濾紙，然后干燥備用。當溶液中的待測組分與試紙上的顯色劑接觸時，發(fā)生顯色反應而顯色，與標準色列比較，便能求得待測組分的含量。目前已有多種試紙供人們選用，例如，測定H2S、S2-、Hg2+、Pb2+、Mn2+等的試紙，以及測定尿糖、尿蛋白和血液、唾液中多項生化指標的試紙等等。

2.7紫外光譜法(UV)

UltravioletSpectrophotometry

2.7.1紫外光區(qū)的分類及波長范圍遠紫外:10～200nm

近紫外:200～380nm

2.7.2分子的能級組成和紫外光譜

一.分子的運動方式：

(1)分子的平動；

(2)分子中價電子的運動；

(3)分子內的原子在其平衡位置附近的振動；

(4)整個分子繞其質心的轉動。

后三種運動的能量都是量子化的，分別對應分子的電子能級、振動能級和轉動能級。

三種能級的能級差不同，需要不同波長的電磁輻射使它們躍遷，從而在不同的光學區(qū)出現(xiàn)吸收譜帶。

名稱

躍遷類型

能級差

吸收光波長范圍

紫外可見吸收光譜

電子能級

躍遷1~20ev200~780nm

紅外吸收光譜

振動能級

躍遷0.025~1ev0.78~50μm

轉動光譜（遠紅外譜）

轉動能級

躍遷0.003~0.025ev50~300μm

分子和原子一樣，也有自己的特征的分子能級；當分子發(fā)生電子能級躍遷的同時，必然會伴隨著振動和轉能級的躍遷；它們相互疊加的結果，形成了分子的特征光譜——帶狀光譜。125000200010005002001005020250300

右圖為：酪氨酸溶液的紫外吸收光譜pH2pH12/nm

二.紫外光譜的特點

吸收波長位于紫外區(qū)的吸收光譜，叫紫外光譜。

在吸光物質濃度和厚度一定的條件下，讓不同波長的光依次照射溶液，測量每一波長下溶液的吸光度。以波長為橫坐標，吸光度或lgε為縱坐標作圖，所得曲線即為該物質的吸收光譜（曲線）。

紫外光譜反映了物質對不同波長紫外光的吸收能力。它的兩個重要參數(shù)：●最大吸收波長（λmax）

：

物質具有最大吸收時所對應的吸收光波長。

●最大摩爾吸光系數(shù)（εmax）：

在最大吸收波長處，物質所對應的摩爾吸光系數(shù)。

不同物質吸收光譜的形狀、λmax和εmax可能會各不相同，利用這一特點可用作物質的初步定性分析；

同一物質在特定波長下，吸光度與濃度的關系符合朗伯－比耳定律，這是紫外光譜定量分析的依據(jù)。紫外光譜中的峰形、峰位、峰強、峰數(shù)提供了物質的結構信息。

紫外可見吸收光譜是電子能級的躍遷產(chǎn)生的（伴隨著振動、轉動能級的改變）。

電子能級的躍遷主要是指價電子能級的躍遷。內部電子的能級很低，躍遷所需要的能量很高，在可見－紫外光照射的情況下不能被激發(fā)。

2.7.3.分子中價電子躍遷的類型

2.7.3.1有機化合物的電子躍遷類型

有機化合物有三種價電子：σ、π、n

電子。例如：

當這些價電子吸收一定能量后，會躍遷到較高能級而處于激發(fā)態(tài)，此時電子所占的軌道稱為反鍵軌道，以*表示：

M+hv

→M*

可以看出，對于能級差ΔE來說，σ－σ*

＞n－σ*＞π－π*＞

n－π*

對于吸收峰的λmax來說，σ→σ*＜

n→σ*＜

π→π*＜

n→π*其中σ→σ*、n→σ*一般<

200nm。π→π*

吸收峰大都在200nm附近，且譜帶強度很大，為允許躍遷。孤立雙鍵<200nm，共軛雙鍵>200nm。共軛π→π*吸收帶叫K帶。n→π*吸收峰大都在270～320nm附近，譜帶強度很弱，為禁阻躍遷。

n→π*

吸收帶叫

R帶。2.7.3.2無機化合物的電于躍遷類型（1）電荷轉移躍遷。

（2）絡合物中心離子的d-d電子躍遷。

（3）f-f電子躍遷。

2.7.4溶劑對紫外光譜的影響

2.7.4.1紫外光譜測量的常用溶劑

（一）對溶劑的要求：不與樣品反應；對樣品有足夠的溶解能力；溶劑的吸收不干擾測定；揮發(fā)性??；毒性小或無毒；不易燃；價格便宜。

（二）常用溶劑及極限波長：

大于此波長時，溶劑是透明的；小于此波長時，溶劑將產(chǎn)生吸收。

溶劑極限波長/nm溶劑極限波長/nm水210乙醚220己烷210甘油230庚烷210氯仿245乙醇210乙酸250環(huán)己烷210四氯化碳265

2.7.4.2.溶劑對紫外光譜的影響—溶劑效應

（一）溶劑極性對紫外光譜的影響（1）增加溶劑極性，可使ππ*

躍遷吸收峰紅移。（2）增加溶劑極性，可使nπ*

躍遷吸收峰藍移。例：溶劑對異丙叉丙酮吸收帶的影響溶劑正己烷乙醚氯仿甲醇水(

→

*)

max/nm230230238238244(n→

*)

max/nm329326315312305

（二）溶劑pH對紫外光譜的影響

對于酸性或堿性化合物，溶劑pH對其紫外吸收光譜會產(chǎn)生明顯影響，使其吸收光譜的形狀、吸收峰的最大吸收波長和強度等發(fā)生變化。

例如：在pH13

的堿性介質中，苯酚能形成苯酚鹽陰離子，引起其吸收帶的紅移。

E2帶B帶Ph-OHPh-O-210nm(6200)235nm(9400)270nm(1450)287nm(2600)

在酸性介質中，苯胺轉變?yōu)楸桨符}陽離子，引起其吸收帶的藍移。E2帶B帶Ph-NH2Ph-NH3+230nm(8600)203nm(7500)280nm(1430)254nm(169)

（三）溶劑對紫外光譜形狀的影響氣態(tài)測定可能出現(xiàn)精細結構峰，為轉動、振動能級躍遷產(chǎn)生。在溶液中，受溶劑分子影響，轉動振動受阻，精細結構減弱（在非極性溶劑中）或消失（在極性溶劑中）。

2.7.5無機化合物的紫外吸收光

在一定條件下，許多金屬離子和非金屬離子都能產(chǎn)生紫外吸收光譜。

除鑭系和錒系元素外，大多數(shù)無機化合物的紫外光譜都比較簡單，很少有精細結構小峰，僅呈現(xiàn)1～2個較寬的吸收帶。

2.7.6有機化合物的UV譜

2.7.6.1無共軛雙鍵的有機化合物的UV譜

特點：其吸收峰通常位于遠紫外區(qū)，若含某些雜原子時，弱吸收峰能出現(xiàn)在近紫外區(qū)。

一、飽和化合物

（一）飽和烷烴：

只存在σ

σ*躍遷，λmax<200nm，強帶。CH4125nm，CH3CH3135nm，190nm

（正己烷、環(huán)己烷、正庚烷等常作為紫外溶劑）

（二）含雜原子的飽和化合物

由于分子中的雜原子（O、N、S、鹵素等）含有未參與成鍵的孤對電子（即n電子），因此

能產(chǎn)生

n

σ*

躍遷，

λmax在200nm左右。

通常隨著雜原子半徑增大，λmax增大，吸收強度增加。

CH3OH177nm（200）

CH3SH193nm（1350）225nm（160）

CH3—S—CH3

210nm（1020）229nm（140）

雜原子數(shù)量增多，λmax增大。

CH3Cl173nm,

CH2Cl2

220nm

CHCl3

227nm，

CCl4

257nm

二、孤立烯、炔類化合物

（一）孤立烯烴：

其σ

→

σ*躍遷和π

→

π*躍遷均在遠紫外區(qū)，為強吸收帶，烯碳上取代基增多將引起λmax紅移。

孤立烯π→

π*

躍遷：

CH2=CH2

165nm（1.2×104），

CH3CH2CH＝CH2

178nm（9000）,

（CH3）2C

＝C（CH3）2

197nm（1.15×104）

非共軛多烯的雙鍵之間若有三個以上的單鍵，則其ππ*躍遷的λmax與類似碳數(shù)的單烯相近，但吸收強度隨烯鍵增多而增大。例如：

CH2=CHCH2CH2CH2CH3

177nm（11800）

CH2=CHCH2CH2CH=CH2

178nm（26000）

孤立環(huán)烯的π→π*躍遷吸收波長略大于同碳的孤立鏈烯，若其烯碳上有烷基取代或環(huán)烷基取代，λmax將產(chǎn)生紅移。

183nm（6800）191nm（10200）

（二）炔烴孤立炔烴的π→π*

躍λmax<200nm，烷基取代后λmax紅移。例如，乙炔173nm，強。炔烴在220nm左右還有一弱吸收帶（ε100）。

三、孤立雙鍵上含雜原子的化合物

（一）羰基化合物孤立羰基化合物的羰基有三個吸收帶：

n→

σ*180~200nm（~104）

π→π*150~170nm（>104）

n→

π*270~310nm（<102），為R帶。

醛（R-COH）在非極性溶劑中，n→

π*

躍遷的R帶有精細結構，隨溶劑極性增加而逐漸消失。260280300320AⅣⅢⅡⅠ

Ⅰ.氣態(tài)；Ⅱ.庚烷；Ⅲ.乙醇；Ⅳ.水；乙醛在不同溶劑中的吸收光譜λ/nm

酮無類似的精細結構。若羰基碳上有助色團取代時，R帶將產(chǎn)生藍移，而π→

π*躍遷吸收帶將產(chǎn)生紅移。例如，在乙醇溶劑中，n→

π*

吸收峰

OOOH－C－HCH3－C－HCH3－C－CH3

310nm（5）279nm（20）295nm（21）

若酮類化合物的α碳上有助色團取代時，能使R帶紅移。例如，在乙醇溶劑中：

OOO

CH3-C-CH3CH3CH2-C-CH3(CH3)3－C－(CH3)3

270nm（12）277nm（20）295nm（21）

（二）硫羰基化合物（R2C＝S）

其π→π*躍遷λmax>200nm（>103）

n→σ*躍遷λmax>200nm（>103）

n→π躍遷（R帶）λmax

≈500nm

取代基對C＝S吸收的影響與羰基類似。

（C3H7）2C＝S

在己烷溶劑中的吸收帶：

n→π*503nm（9）

n→σ*215nm（5100）

π→π*230nm（6300）

（三）含氮雜生色團（C=N－、－C=N、－N=N－、－N=O、－NO2等）的化合物

亞胺基、腈基、偶氮基等：

π→π*

λmax<200nm

n→π*λmax240~360nm，

n→σ*λmax<200nm

硝基：

π→π*λmax

200nm（4000），

n→π*λmax278nm（16）

硝酸酯基（－O－NO2）：

n→

π*

270nm（20）

N－硝基（N－NO2）：

π→

π*

～200nm（4000）

～240nm（7000）

亞硝基（－N＝O）：

π→

π*

270～290nm（～1000）

n

→

π*

630～790nm（1~20）

2.7.6.2含共軛烯鍵的有機化合物的UV

含共軛雙鍵的有機化合物的紫外吸收光譜的λmax>200nm，隨著共軛體系的延長，λmax紅移增大。

A

200

250300350

nm

H－(CH=CH)n

－H的紫外光譜n＝3n＝4n＝5

（1）共軛二、三、四烯及其衍生物

λmax的計算

Woodward－Fieser規(guī)則___________________________________________________________

母體：λmax/nm基本值開鏈共軛雙烯217

異環(huán)共軛雙烯214（228）*同環(huán)共軛雙烯253（241）*_________________________________________________________________

*－括號外為六元環(huán)的數(shù)據(jù)；括號內為五元環(huán)或七元環(huán)的數(shù)據(jù)。

Woodward－Fieser規(guī)則（續(xù)）_____________________________________________________________________________________

取代狀況：

λmax/nm增加值

擴展共軛雙鍵

30

環(huán)外雙鍵

5

共軛雙鍵上的取代基：（1）－OCOR或－OCOAr0

（2）－OR6

（3）－R5

（4）－SR