第二章紫外-可见光谱分析法

第二章紫外-可见光谱分析法第一节概述•紫外-可见光谱分析法是基于物质分子对波长为200-780nm区域内光辐射的吸收而建立起来的分析方法。由于200-780nm光辐射的能量主要与物质中原子的价电子的能级跃迁相适应，所以紫外-可见分光光度法又称电子光谱法。一、紫外-可见分光光度法分类•利用比较待测溶液本身的颜色或加入试剂后呈现的颜色的深浅来测定溶液中待测物质的浓度的方法就称为比色分析法。比色分析中根据所用检测器的不同分为目视比色法和光电比色法。•应用分光光度计，根据物质对不同波长的单色光的吸收程度不同而对物质进行定性和定量分析的方法称分光光度法（又称吸光光度法）。目视比色法•用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法。标准系列未知样品光电比色法(分光光度法）•通过滤光片得一窄范围的光(几十nm)光电比色计结构示意图二、紫外-可见分光光度法的特点•1.具有较高的灵敏度和一定的准确度，适用于微量组分的测定。•2.适用范围广•近年来，由于分光光度法的选择性和灵敏度都有所提高，几乎所有的无机物质和许多有机物质的微量成分都能用此法进行测定。•3.手续简便，分析速度快，适用于控制分析•分光光度法的操作过程，主要包括试样的溶解，待测组分的显色等内容，操作简便，完成吸光光度分析的全过程一般只需几十分钟，甚至可在几分钟内完成，适合于控制分析。•4.仪器简单，容易掌握•但吸光光度分析也有一定的局限性，对超纯物质的分析，灵敏度达不到要求，相对误差较大，不利于高含量组分的测定。第二节物质对光的选择性吸收•一、光的基本性质•光是一种电磁波，具有波粒二象性。光既是一种波，因而它具有波长（λ）和频率（ν），光也是一种粒子，它具有能量（E）。它们之间的关系为：•式中：E——能量，eV(电子伏特）；•h——普朗克常数，6.626×10-34J·S;•ν——频率，Hz;•C——光速，3×1010cm·s-1;•λ——波长，nm。•λνchhE二、光的种类•1、单色光和复合光•具有同一种波长的光，称为单色光。激光接近单色光。•含有多种波长的光称为复合光，例如日光、白炽灯光等。•2、可见光和互补光•凡是能被肉眼感觉到的光称为可见光，其波长范围为400～780nm。•如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合，也可成为白光，这两种颜色的光称为互补色光。红橙黄绿青青蓝蓝紫白三、溶液颜色的产生•溶液颜色是基于物质对光有选择性吸收的结果。表观现象示意完全吸收完全透过吸收黄色光光谱示意四、溶液的吸收光谱曲线•吸收光谱曲线是通过实验获得的，具体方法是：将不同波长的光依次通过某一固定浓度和厚度的有色溶液，分别测出它们对各种波长光的吸收程度（用吸光度Ａ表示），以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，画出曲线，此曲线即称为该物质的光吸收曲线（或吸收光谱曲线），它描述了物质对不同波长光的吸收程度。高锰酸钾的光吸收曲线•（1）KMnO4溶液对不同波长的光的吸收程度不同，对绿色光区中525nm的光吸收程度最大（此波长称为最大吸收波长，以λmax表示），所以吸收曲线上有一高峰。在进行光度测定时，通常都选择在λmax处来测量，这时可得到最大的灵敏度。•（2）不同浓度的KMnO4溶液吸收曲线相似，λmax不变。所不同的是吸收峰峰高随浓度的增加而增高。这个特性可作为物质定量分析的依据。•（3）不同物质的吸收曲线，其形状和最大吸收波长都各不相同。因此，可利用吸收曲线来作为物质定性分析的依据。四、有机化合物紫外-可见吸收光谱•1、紫外-可见吸收光谱•有机化合物的紫外-可见吸收光谱是由化合物分子中三种不同类型的价电子，在各种不同能级上跃迁产生的。这三种不同类型的价电子是：形成单键的σ电子、形成双键的π电子和氧或氮、硫、卤素等含未成键的ｎ电子。•当它们吸收一定能量ΔE后，这些价电子将跃迁到较高的能级（激发态），此时电子所占的轨道称为反键轨道，而这种特定的跃迁是同分子内部结构有着密切关系的。•（1）σ→σ＊跃迁•所需能量最大。•σ＊表示σ键电子的反键轨道，饱和碳氢化合物只有σ键电子，它吸收远紫外线（10-200nm）后，由基态跃迁至反键轨道。•（2）n→σ＊跃迁•所需能量较大。•饱和碳氢化合物中氢被氧、氮、硫、卤素等取代后（单键），其孤对电子n较σ键电子易于激发，使电子跃迁所需能量减低，吸收波长较长，一般在150-250nm范围内。•（3）π→π＊跃迁•所需能量较小。•含有π电子的基团如烯类、炔类都能发生π→π＊跃迁，非共轭的π→π＊跃迁所吸收的波长较短。•具有共轭双键的化合物，相间的π键与π键形成大π键，由于大π键各能级间距离较近，电子容易激发，吸收波长向长波长方向移动。•（4）n→π＊跃迁•所需能量最低。•凡有机化合物中含有杂原子氮、氧、硫等同时又具有双键，吸收紫外光后产生n→π＊跃迁，吸收带在200-400nm之间，为弱吸收，ε在10-100之间。•上述四种类型的电子跃迁，按照所需能量的大小进行排列，其次序为：•σ→σ※n→σ※π→π※n→π※2、紫外吸收光谱中常用的术语•1、生色团（或发色团）•分子中含有不饱和键，能吸收外来辐射时并引起n-*和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。•如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—CN。•2、助色团•含有未成键n电子，本身不产生吸收峰，但与生色团相连时，能使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。•如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等3、红移与蓝移•有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:•λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。•4、溶剂效应•由于溶剂的极性不同引起某些化合物的吸收峰的波长、强度及形状产生变化，这种现象称为溶剂效应。一般溶剂效应有以下规则：当溶剂由非极性变为极性时，对于n→π＊跃迁类型化合物，吸收产生蓝移，并且吸收强度增大，对于π→π＊跃迁类型的化合物，吸收产生红移，并且吸收强度减弱。第三节光的吸收定律•一、朗伯-比耳定律•1、透光度和吸光度•当一束辐射强度为I0的平行单色光垂直照射到一定浓度的均匀透明溶液时，由于溶液的吸收，透过光的辐射强度变为It,则It与I0之比称为透光度，用T表示：•物质对光的吸收程度可用吸光度A表示，吸光度与光强度、透光度之间的关系为：0tIIT入射光I0透射光Itt0IIlgT1lgTlgA•2、朗伯定律•即当一束平行光照射到一固定浓度的溶液时，其吸光度与光通过的液层厚度成正比，这就是朗伯定律，其数学表达式为：•A=k1b•式中：b——液层厚度；•k1——比例系数。•3、比耳定律•当单色光通过液层厚度一定的有色溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，这个关系称为比耳定律，用下式表示：•A=k2c•式中：c——溶液浓度，g/L或mol/L；•k2——比例系数。4、朗伯-比耳定律•当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比，这就是朗伯-比耳定律。这个定律是各类吸光光度法定量分析的基础。•当溶液的浓度为质量浓度单位g/L时，其数学表达式为•A=abc•式中：a为质量吸光系数，L/(g·cm)，相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。•当溶液的浓度单位为mol/L时，其数学表达式为•A=εbc•式中：ε为摩尔吸光系数，L/(mol·cm)，相当于浓度为1mol/L,液层厚度1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。5、吸光系数•吸光系数是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。•吸光系数的特点•（1）不随浓度和液层厚度的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，吸光系数仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关，可作为定性鉴定的参数。•（2）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的，在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax表明了该物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。•（3）εmax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。εmax＞6×104L/(mol·cm)属于高灵敏度；εmax在1×104～6×104L/(mol·cm)属于中等灵敏度，εmax＜1×104L/(mol·cm)属于低灵敏度。•例1：已知含Fe3+浓度为500μg·L-1的溶液用KCNS显色，在波长480nm处用2cm吸收池测得A＝0.197，计算摩尔吸光系数，铁的相对原子质量为55.85g/mol。)cmmolL(101.121095.8197.0bcA)Lmol(1095.885.5510500)Fe(c11461663•例2：铁（Ⅱ）浓度为2.5×10-4g/L的溶液，与邻菲罗啉反应，生成橙红色络合物。该络合物在波长508nm，比色皿厚度为2cm时，测得A=0.15。计算邻菲罗啉亚铁的a及ε,铁的相对原子质量为55.85g/mol。)cmmol/(L10676.130085.55)cmg/(L300105.2215.0bcAa446、吸光度的加和性•当溶液中有多种组分对光产生吸收时，且各组分之间不存在相互作用时，测该溶液在某一确定波长下的总吸光度等于各吸光度之和，即吸光度具有加和性。可用下式表示：•A总=A1+A2+…+An=(ε1c1+ε2c2+…+εncn)b•式中下角标指吸收组分1，2，…，n。吸光度的加和性主要用于多组分同时测定。二、影响光吸收定律的主要因素•根据吸收定律，在理论上，吸光度对溶液浓度作图所得的直线的截距为零，斜率为εb。实际上吸光度与浓度关系有时是非线性的，或者不通过零点，这种现象称为偏离光吸收定律。•如果溶液的实际吸光度比理论值大，则为正偏离吸收定律；吸光度比理论值小，为负偏离吸收定律。1、入射光非单色性引起偏离•吸收定律成立的前提是入射光是单色光。但实际上，一般单色器所提供的入射光并非是纯单色光，而是由波长范围较窄的光带组成的复合光。而物质对不同波长的吸收程度不同（即吸光系数不同），因而导致了对吸光定律的偏离。2、溶液的化学因素引起偏离•溶液中的吸光物质因离解、缔合，形成新的化合物而改变了吸光物质的浓度，导致偏离吸收定律。因此，测量前的化学预处理工作十分重要，如控制好显色反应条件，控制溶液的化学平衡等，以防止产生偏离。3、比尔定律的局限性引起偏离•严格地说，比尔定律是一个有限定律，它只适用于浓度小于0.01mol/L的稀溶液。因为浓度高时，吸光粒子间平均距离减小，以致每个粒子都会影响其邻近粒子的电荷分布。这种相互作用使它们的摩尔吸光系数ε发生改变，因而导致偏离比尔定律。为此，在实际工作中，待测溶液的浓度应控制在0.01mol/L以下。第四节紫外-可见分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器信号显示系统I0参比It样品bcIIlgT1lgTlgAt01.光源•光源的作用是供给符合要求的入射光。分光光度计对光源的要求是：在使用波长范围内提供连续的光谱，光强应足够大，有良好的稳定性，使用寿命长。•在可见区常用的光源为钨灯或卤钨灯，可用的波长范围为320～1000nm；在紫外区常用的光源为氢灯和氘灯，它们发射的连续光波长范围为185～375nm，其中氘灯的辐射强度大、稳定性好、使用寿命长。2.单色器•单色器是将光源辐射的复合光分成单色光的光学装置。•①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；•②准光装置：透镜或凹面反射镜使入射光成为平行光束；•③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；•④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；•⑤出射狭缝。3.吸收池•吸收池又叫比色皿，是用于盛放待测液和决定透光液层厚度的器件。吸收池一般为长方体，其底及两侧为毛玻璃，另两面为光学透光面。•根据光学透光面的材质，吸收池有玻璃吸收池和