分光光度法

主要内容：重点难点：q分光光度法的基本原理仪器的测定原理分光光度法应用示例qqqq重点溶液显色的原因、光吸收定律，仪器测定原理。难点朗伯－比耳定律。第十章分光光度法(Vis-UVSpectrophotometry)光度分析法的特点•有色物质颜色的深浅和浓度有关，利用比较溶液颜色深浅来测定含量的分析方法称为比色分析法。•目视比色称为比色法；利用分光光度计测试，称为分光光度法。1.概念：分光光度法是根据物质的吸收光谱和光的吸收定律，对物质进行定量、定性分析的一种仪器分析方法。2.方法分类：根据测定时所选用的光源：可见分光光度法(400800nm)紫外分光光度法(200400nm)红外分光光度法(800nm50m)优点：⑴灵敏度高,主要用于微量分析；⑵准确度高,相对误差仅有2~5%；⑶操作简便、迅速，所需设备并不复杂；⑷应用广泛。缺点：⑴仅适合微量分析；⑵所需仪器相对昂贵。3.分光光度法的优缺点1．光的基本性质光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：=c；波数=1/=/c光是由光子流组成，光子的能量：E=h=hc/6（Planck常数：h=6.626×10-34J/S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。可见光区：400-750nm第一节分光光度法基本原理肉眼可感受到的光光的基本知识具有单一波长的光叫单色光，比如红光，蓝光等。由不同波长的光组成的光叫复色光。比如日光等棱镜实验------色散如果两种适当颜色的单色光按适当的强度比例混合能得到白光，则这两种颜色的光叫做互补色光。互补色光紫红橙黄绿青蓝青蓝白光物质对光的选择性吸收物质的颜色：•在可见光区(400~760nm)不同波长的光具有不同的颜色。•溶液呈现一定的颜色是对光选择性吸收的结果。当一束白光通过一有色溶液时，某些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过，溶液的颜色由透过光决定。•透射光与吸收光又可组成白光，这两种光称为互补色光。溶液的颜色⑴溶液为什么会有颜色？溶液之所以呈现不同的颜色，是由于溶液中的质点选择性地吸收某种颜色的光所引起的。⑵吸收光与溶液颜色的关系：当白光通过某一均匀溶液时：CuSO4溶液：之所以呈蓝色，是因为吸收了白光中的黄光，透过其黄光的互补光蓝光。①如溶液对其全不吸收，光全透过，溶液为无色；②如溶液对其全部吸收，无光透过，溶液呈黑色；③如溶液对其部分吸收，其余光透过，溶液呈透过光的颜色。又例如：KMnO4溶液，吸收了白光中的绿光，透过的为其互补光紫色，故其溶液呈紫色。再例如：NaCl、KNO3溶液，对其射入的可见光全不吸收，光全透过，因此溶液为无色。物质对光的吸收曲线某一溶液对何种波长的光吸收？吸收的程度如何？这可通过使不同波长的光通过某一固定浓度的有色溶液，分别测量每一波长下对应的光的吸收程度[吸光度，A]，作A-λ曲线，即吸收光谱曲线。•图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线，代表同一被测物质含量由低到高的吸收曲线。邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax（2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。（3）在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。吸收曲线的形状和max——是定性分析的基础溶液的浓度愈大吸光度光愈大——是定量分析的基础透光率和吸光度入射光强度I0，吸收光强度Ia，透过光强度It，反射光强度为IrI0＝Ia+It+Ir被测溶液和参比溶液的吸收池同样材料和厚度，反射光强度影响相互抵消，上式简化为I0＝Ia+It透射光的强度It与入射光的强度I0的比值称为透光率(T)透光率愈大，溶液对光的吸收愈少。透光率的负对数称为吸光度(A)吸光度愈大，溶液对光的吸收愈多。0tITI0lglgtIATI1760年，Lambert指出：一束平行单色光通过有色吸溶液后，光的吸收程度与溶液液层的厚度成正比。A=k1·b1982年，Beer指出：一束平行单色光通过有色溶液后，光的吸收程度与溶液的浓度成正比。A=k2·c将Lambert定律和Beer定律合并起来，就得到Lambert-Beer定律。二．光的吸收定律(Lambert-Beer定律)•当一束平行的单色光通过均匀、透明的有色溶液时，如溶液的浓度越大、液层厚度越大，则光强度的减弱越显著。c：溶液中吸光物质的浓度b：液层厚度K：吸光系数其数值的大小，与物质的性质、入射光波长、溶剂种类及溶液温度等因素有关。当波长等其他因素一定时，只与物质的性质有关。“A”称为吸光度，量纲为1bcIIAt0lg•如“c”的单位：mol·L-1(物质的量浓度)，液层厚度以厘米(cm)表示，此时的吸光系数称为摩尔吸光系数ε•A＝lg（I0/It)=εbc2.摩尔吸光系数ε的讨论吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关；可作为定性鉴定的参数；摩尔吸光系数ε的讨论ε反映了物质对某一特定波长光的吸收能力，越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。ε105：超高灵敏；ε=(6～10）×104：高灵敏；ε1×104：低灵敏。ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。若溶液的组成用质量浓度表示。Lambert-Beer定律可表示为：A=a·b·：质量浓度(g·L-1)b：为液层厚度(cm)a：质量吸光系数(L·g-1·cm-1)a和的换算关系为：=aM吸光度A与透光率T：A=－lgT=·b·cT=10-bc•例20-1：已知含Fe2+浓度为1.0mg·L-1的溶液，用邻二氮菲光度法测定铁(Fe2+与邻二氮菲反应，生成橙红色配合物)。使用厚度为2cm的吸收池，在波长510nm处测得吸光度A=0.390。计算该配合物的摩尔吸光系数。。•解：已知铁的相对原子质量为55.85。1145101.1108.12390.0cmmolLbcA153108.185.55100.1Lmolc•例：用双硫腙光度法测定Pb2+。Pb2+的浓度为0.08mg/50mL，用2cm比色皿在520nm下测得•T=53%，求k。•解：已知铅的相对原子质量为207.216107.7502.20708.0Lmolc28.0%53lglgTA1146108.1107.7228.0cmmolLbcAk对朗伯-比尔定律的偏离•1.比尔定律的局限性•2.非单色入射光引起的偏离•3.由于溶液本身发生化学变化的原因•引起的偏离1.比尔定律的局限性•通常在用分光光度法进行分析时，多采用标准工作曲线法。即固定液层厚度、入射光的波长，测定一系列不同浓度标准溶液的吸光度，此时A与c应成直线关系。在实际工作上，特别是在浓度较高时，常出现标准曲线不为直线，即偏离了朗伯—比尔定律。•比尔定律是一个有限制性的定律，它假设入射光为单色光，吸收粒子间没有干扰。因此仅在稀溶液中才适用。在高浓度时，由于吸光物质微粒间相互影响，从而改变了它对光的吸收能力，使吸光度与浓度的线性关系发生偏离。2.非单色光引起的偏离•比尔定律假设入射光为单色光，但是目前仪器所能提供的入射光不是严格的单色光，是由波长范围较窄的光带组成的复合光。•A=kbc，k在一定波长下是一常数，如入射光不为单色光，则k不为常数，A与c不成直线关系。•在最大吸收波长附近通常有一个吸收强度相差较小的区域，如入射光在此范围内，因k变化较小，引起的偏离也较小，A与c基本上呈直线关系。λAλmax3.由于溶液本身发生化学变化的原因引起的偏离•由于被测物质在溶液中发生缔合、离解或溶剂化、互变异构、配合物的逐级形成等化学因素，造成对比耳定律的偏离。•Cr2O72-+H2O2CrO42-+2H+橙色黄色应控制条件，使溶液中仅存在Cr2O72-或CrO42-，这样，c与A之间才成直线第二节分光光度计一．分光光度计的基本组成光源单色器吸收池检测器读出系统1．光源在所需光谱区域内发射连续的、足够强度、稳定、寿命长的辐射光。可见区：钨灯；紫外区：氢灯、氘灯2．单色器单色器是将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。单色器由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜等组成。玻璃棱镜适用于可见光区石英棱镜适用于紫外-可见整个光谱区•3.吸收池•作用：用于盛放试样溶液。也叫比色皿。•吸收池主要有石英和玻璃两种。在紫外区须采用石英吸收池，可见区一般用玻璃吸收池。•吸收池大多是长方形的，一般仪器都配有一套厚度为0.5、1、2、3cm的吸收池。吸收池放置的位置应使透光面垂直于光束方向。•注意事项：拿吸收池时，接触毛玻璃，不能接触光学面光学面不能与硬物或赃物接触，用擦镜纸或丝绸擦拭光学面保持干净，不能盛放腐蚀玻璃的物质不得加热或烘烤4．检测系统利用光电效应将透射光强度转换为电信号进行测定，电信号大小和透过光强度成正比。可见分光光度计常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管。分光光度计的类型显色反应和显色条件分光光度法对显色反应的要求在光度分析法中，使被测物质在试剂（显色剂）的作用下形成有色化合物的反应称为显色反应。对于显色反应，一般必须满足下列要求：（1）选择性好。即在显色条件下，显色剂尽可能不要与溶液中其他共存离子显色，如果其他离子也和显色剂反应，干扰离子的影响应容易消除。(2)灵敏度高。显色反应的灵敏度高，才能测定低含量的物质。灵敏度可从摩尔吸光系数来判断，但灵敏度高的显色反应，不一定选择性好。在实践中应全面考虑。（3）显色产物应具有固定的组成，符合一定的化学式。对于形成不同配合比的配合物的显色反应，需要严格控制实验条件，使生成一定组成的配合物，以提高其重现性。（4）显色产物的化学性质应该稳定。在测量过程中溶液的吸光度应改变很小。(5）显色产物与显色剂之间的颜色差别要大。通常k值达104~105显色反应条件的选择•1．显色剂的用量•通常显色反应可用下式表示：•M(被测离子)+HR(显色剂)MR+H+从平衡角度看，显色剂过量越多，越有利于有色配合物的形成。但显色剂过量太多，有时会引起副反应，故有一适宜用量，通常由实验确定。固定其它条件，改变显色剂的浓度，测A，作A~cR曲线，选择原则：选择曲线上平坦部分吸光度与显色剂用量关系曲线cRcRcRAAA(a)适合进行光度分析(对显色剂浓度控制不严格)(b)只能选择较窄的显色剂浓度范围(c)必须严格控制显色剂浓度。•2.酸度•酸度对显色反应的影响是多方面的：•H+浓度大，不利于有色配合物的形成；酸度还影响有些显色剂的颜色；某些被测组分与显色剂能形成不同组成的配合物；金属离子在酸度下降时会水解。•适宜的酸度范围由实验确定：固定其它条件，改变pH值测A，作A~pH曲线吸光度与pH关系曲线pHA选择曲线平坦部分对应的pH值作为测量条件。•3．显色时的温度和时间•多数显色反应在室温下能很快进行，有些反应需要加热。多数显色反应须经一定时间才能完成，有些有色物质放置时受到空气和光的作用，颜色会减弱。•适宜显色时间可通过实验确定。AtAt(2)(1)(1)随着时间的增加，有色化合物的浓度增大，A增大。反应完成后，A保持不变。(2)有色化合物性质不太稳定，随着放置时间的增加，在日光，空气的的作用下，有色化合物分解，浓度下降，A降低。•4.溶剂的影响•许多有色配合物在水中解离度较大，而在有机溶剂中解离度较小。有些配合物易溶于有机溶剂。•5.干扰物质的影响及消除•干扰离子本身有颜色或与显色剂作用显色等，都将干扰测定。•消除干扰的方法有：•(1)加掩蔽剂(2)选择适当的显色条件如通过控制酸度，使干扰离子不作用(3)选择适当的测量条件如波长、参比溶液等(4)分离干扰离子分光光度法仪器测量误