哈工程分析化学第6章紫外-可见

第6章紫外-可见分光光度法HarbinEngineeringUniversity§6.1紫外-可见分光光度法的基本原理§6.2紫外-可见分光光度法计§6.3显色反应及其光度测定条件的选择§6.4分光光度法定量测定方法§6.5紫外-可见分光光度法的应用HarbinEngineeringUniversity本章教学基本要求掌握分光光度法的特点、基本原理、测定方法及计算方法；掌握朗伯-比尔定律，摩尔吸收系数与质量吸收系数，吸光度与透光度，偏离朗伯-比尔定律的原因；掌握显色反应条件及光度测量条件的选择；熟悉仪器的基本组成及关键部件；掌握差示分光光度法的原理、特点；了解紫外-可见分光光度法在结构分析中的应用；了解双波长分光光度法导数分光光度法。吸光光度法是基于物质分子对光的选择性吸收而建立起来的分析方法，包括比色法，可见及紫外分光光度法及红外分光光度法，这些方法所涉及到的都是分子吸收光谱。本章重点讨论紫外--可见光区的吸光光度法。紫外--可见吸光光度法的特点：1.灵敏度较高适用于微量或痕量组分分析，测定浓度一般为10-5～10-6mol/L。§6.1紫外-可见分光光度法的基本原理概述3.选择性较好通过选择适当的测定条件，可在多组分共存体系中进行单组分或多组分测定。4.操作简便，快速，仪器设备简单，故应用范围广几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可以直接或间接地用分光光度法进行测定。近年来，由于新的灵敏度高，选择性好的显色剂和掩蔽剂的不断出现，常常可以不经分离就可以直接进行分光光度分析。2.准确度较高相对误差为2～5%，对于微量组分的测定，已完全能满足分析的要求。如果采用精密的分光光度计，相对误差会更小，可减小至1～2%。电磁波谱范围表光谱名称波长范围分析方法X-射线10-1～10nmX-射线光谱法远紫外线10～200nm真空紫外光度法近紫外线200～400nm紫外光度法可见光400～750nm比色及可见光度法近红外光0.75m～2.5m近红外光谱法中红外光2.5m～50m中红外光谱法远红外光50m～1000m远红外光谱法微波0.1～100cm微波光谱法无线电波1～1000m核磁共振光谱法注：1m=103mm=106µm=109nm=1010Å光波谱区、跃迁类型与对应的分析方法在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000m,主要用于有机化合物结构鉴定。紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm(近紫外区)，可用于结构鉴定和定量分析。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm（780nm），主要用于有色物质的定量分析。6.1.1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/（Planck常数：h=6.62610-34JS)光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光单色光：单一波长的光(由具有相同能量的光子组成)可见光区：400～750nm紫外光区：近紫外区200～400nm远紫外区10～200nm（真空紫外区）6.1.2物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+光E=E2-E1=h量子化；选择性吸收;分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；用不同波长的单色光照射，测吸光度—吸收曲线与最大吸收波长max。M+hM*基态激发态E1（△E）E2物质的颜色是由于物质对不同波长的光具有选择性地吸收作用而产生的。例如CuSO４溶液吸收白光中的黄色光而呈蓝色.而KMnO４溶液吸收白光中的绿色光而呈紫红色。下表列出了物质颜色和吸收光颜色之间的关系。物质颜色及其补色光的互补：蓝黄以测量Fe(Ⅱ)—邻二氮杂菲的络合物（红色）对不同波长单色光（具有单一波长的光或波长范围很窄的光）吸收程度，以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图即可得到一条曲线（吸收曲线）Ⅰ为Fe2＋的含量为0.0002mg/mLⅡ为Fe2＋的含量为0.0004mg/mLⅢ为Fe2＋的含量为0.0006mg/mL吸收曲线的讨论：（1）同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax（2）吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。吸收曲线的讨论：（3）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。（动画）（4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。（5）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（动画）6.1.3光的吸收定律1.朗伯—比耳定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b朗伯定律（动画1）比耳定律（动画2）1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：朗伯—比耳定律数学表达式1lglglgIATabIT式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-1；к：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-11lglglgIATbcITρ：溶液的浓度，单位g·L-1a：质量吸光系数，单位L·g-1·cm-1a与к的关系：a=к/M（M为相对分子质量）或透光度(透光率)T透过度T:描述入射光透过溶液的程度:T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:A＝－lgT朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数к在数值上等于浓度为1mol·L-1、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸光度；质量吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g·L-1、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。2.分光光度法的灵敏度(1)摩尔吸光系数кmax越大表明该物质的吸光能力越强，用分光光度法测定该物质的灵敏度越高。一般认为：к105超高灵敏；к=(6～10）×104高灵敏；к=(2～6）×104中等灵敏；к２×104不灵敏。摩尔吸光系数к的讨论（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在波长等条件一定时，к与待测物浓度无关；（3）可作为定性鉴定的参数；（4）同一吸收物质在不同波长下的к值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以кmax表示。кmax表明了该吸收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。(2)质量吸光系数质量吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g·L-1，液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。a与к的关系为：a=к/M式中，M为物质的相对摩尔质量(g·mol-1)。质量吸光系数a便于定量地比较不同物质的灵敏度。因为对于不同待测组分，其相对质量往往不同，故不能简单地根据к的大小来判断其灵敏度。(3)桑德尔(Sandell)灵敏度S当产生A=0.001的吸光度时，单位截面积(cm2)光程内所能检测出的吸光物质的最低含量。单位为g·cm-2。一般分光光度计所能检测的最小吸光度A=0.001。设A=0.001时所能检出某物质的最低浓度为ρmin（g·mL-1)，ρminb总为定值，故定义桑德尔灵敏度SS=ρminbλmax下的桑德尔灵敏度Smax，反映了分光光度法测定某物质所能达到的最大灵敏度。S与к、a的关系：S=M/кS=1/a3.偏离朗伯—比耳定律的原因标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：（1）物理性因素，即仪器的非理想化所引起的；（2）化学性因素。（1）物理性因素难以获得真正的纯单色光。朗伯—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。非单色光作为入射光引起的偏离假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：A1＝lg（Ｉo1/Ｉt1）＝к1bcA2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝к2bc故：式中：Ｉ01、Ｉ02分别为λ1、λ2的入射光强度；Ｉt1、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；к1、к2分别为λ1、λ2的摩尔吸光系数；12t101t20210;10bcbcIIII因实际上只能测总吸光度A，并不能分别测得A1和A2，故：12001020102120102lglglg1010bcbctttIIIIIAIIIII设总的入射光强度为I0，总的透射光强度ItI0=I01+I02;It=It1+It2设λ1波长光的强度为I01在总入射光强度I0中所占的分数为；f1设λ2波长光的强度为I02在总入射光强度I0中所占的分数为；f2当然f1+f2=1，因为只有两种波长的光。故：I0=I01+I02=I0f1+I0f2=I0总(f1+f2)121212012010201212()lg1010(1010)lglg(1010)bcbcbcbcbcbcIffAIfIfIffIff1212121212112121212112212[lg(1010)][lgln(1010)](1010)lg101010ln1010ln10lg1010bcbcbcbcbcbcbcbcbcbcbcdAdffdeffdffefffbfbeff2121211221210101010bcbcbcbcbcdcbfbfdcff121211221210101010bcbcbcbcbfbfdAdcff可见在这种情况下，标准曲线的斜率为一定值即为кb吸光度A与浓度c呈直线关系，符合比耳定律。dAbdc(1)к=0；即：к1=к2=к当к1≠к2时，即入射光是复合光时，是否符合比耳定律，将上式进行二次微分：根据数学可知①=0，那么工作曲线仍然是直线；1212()22212122122.303()10(1010)bcbcbcffbdAdcff22dAdc②如果二级微商小于零，工作曲线有一极大值，即向下弯曲；③如果二级微商大于零，工作曲线有一极小值，则工作曲线要向上弯曲。讨论:(1)к=0；即：к1=к2=к则：A＝lg（Ｉo/Ｉt）＝кbc(2)к≠0若к0；即к2к1；－кbc0,A值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。讨论:(3)｜к｜很小时，即к1≈к2：可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使｜к｜很小，A≠Ａ1，且随着c值增大，A与A1的差异愈大，在图上则表现为A—c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。(2)化学性因素朗伯—比耳定律的假定：所有的吸