第8章 吸收光谱法

第8章吸收光谱法基于物质对的选择性吸收而建立起来的分析测定方法原子吸收光谱法红外吸收光谱法紫外-可见吸收光谱法分子吸收光谱法核磁共振波谱法紫外—可见吸收光谱特点：灵敏度较高最低测量浓度可达10-6~10-5mol/L可测10-7-10-4g·mL-1的微量组分。具有一定的选择性准确度较高，相对误差为1%~3%仪器简单、操作简便、测定速度快、应用广泛。8.1吸收光谱8.1.1光的基本性质—电磁波谱光的基本性质光由一个个的光子组成，每个光子具有的能量和质量E=h，E=mc2h---普朗克常数6.63×10-34m2kgs-1---频率（每秒钟光波振动的周数），周/秒或HzC---光速，在真空中C=3×1010cm/s=c/----光波移动一周的距离，cm、m、nm、Å1cm=104m=107nm=108Å光是电磁波，电磁波是一种横波8.1.2分子吸收光谱的产生当用频率为的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差△E恰好等于该电磁波的能量h时，即有△E=h（h为普朗克常数）在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透射光的强度变小。电子光谱是由分子中的价电子能级跃迁而产生的。有机化合物的价电子包括成键电子、成键电子和非键电子（以n表示）。分子的空轨道包括反键*轨道和反键*轨道，因此，可能的跃迁为*、*、n*n*等各种电子跃迁相应的吸收峰和能量示意图能量*反键轨道*反键轨道n非键轨道城键轨道成键轨道200300400/nm***n**n*无机化合物的紫外可见吸收光谱无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁（即d—d跃迁和f—f跃迁）产生。8.1.3物质对光的选择性吸收与物质颜色的关系可见光波长范围：400nm~800nm物质颜色与吸收光颜色的互补关系白光（复合光）、单色光、互补色560~580400~450580~600450~480600~650480~490650~780490~500常用术语(1)吸收曲线（2)生色团和助色团生色团是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将能吸收紫外、可见光的原子团或结构定义为生色团。生色团溶剂/nmmax跃迁类型烯基正庚烷17713000*炔基正庚烷17810000*羧基乙醇20441n*酰胺基水21460n*羰基正己烷1861000n*，n*偶氮基乙醇339，665150000n*，硝基异辛酯28022n*亚硝基乙醚300，665100n*硝酸酯二氧杂环己烷27012n*助色团指带有非键电子对的基团，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等，不吸收大于200nm的光，但与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。（3）红移与蓝移（紫移）(Redshiftorblueshift)某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，称为红移效应。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基团称为向红基团。在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，称为蓝移（紫移）效应。这些会使某化合物的最大吸收波长向短波方向移动的基团（如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3）称为向蓝（紫）基团。溶剂的选择溶剂透明界限（nm）水190乙腈190正己烷200异辛烷200环己烷20595%乙醇205甲醇205乙醚2151，4-二氧六环215三甲基磷酸酯215氯仿2151.同一浓度的有色溶液对不同波长的光有不同的吸光度;2.对于同一有色溶液，浓度愈大，吸光度也愈大；3.对于同一物质，不论浓度大小如何，最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长λmax)不变.并且曲线的形状也完全相同。8.1.4定量分析吸收曲线：物质在不同波长下吸收光的强度大小，A～λ关系光吸收定律－朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律吸光光度法的理论依据，研究光吸收的最基本定律I0=Ir+It+IaI0=It+IaI0IrItIaT=It/I0,T:透射比或透光度A=lg(I0/It)＝lg(1/T),A:吸光度朗伯定律（1760年）：光吸收与溶液层厚度成正比比尔定律（1852年）：光吸收与溶液浓度成正比定量依据当一束平行单色光垂直照射到稀溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（溶液的厚度）成正比关系－－－朗伯比尔定律－－－光吸收定律数学表达：A＝lg(1/T)=klc其中，A:吸光度，T:透射比，k:比例常数，l:溶液厚度，c:溶液浓度注意：平行单色光均相介质无发射、散射或光化学反应摩尔吸光系数吸收系数A=lcA=klcc:mol/L表示物质的浓度为1mol/L,液层厚度为1cm时溶液的吸光度。单位：(L•mol-1•cm-1)ε是吸光物质吸光能力的量度，可以用ε的大小估计定量方法的灵敏度,ε越大，灵敏度越高。ε与入射光的波长、吸光物质的性质和温度等有关，与吸光物质的浓度、光程无关c:g/LA=alca:吸光系数定量方法（标准曲线法）通常用标准曲线进行测定。具体方法为:C12345A……………图9-4标准溶液系列配制0123456780.000.050.100.150.200.250.300.35Aconcentration有时标准曲线不通过原点.可能的原因是：参比溶液选择不当吸收池厚度不等吸收池位置不妥，吸收池透光面不清洁等是系统误差，找出原因，加以避免校正曲线偏离朗伯-比尔定律的因素在吸光光度分析中，经常出现标准曲线不呈直线的情况，特别是当吸光物质浓度较高时，明显地看到通过原点向浓度轴弯曲的现象（吸光度轴弯曲)。这种情况称为偏离朗伯-比尔定律。若在曲线弯曲部分进行定量，将会引起较大的误差。偏离朗伯－比尔定律的原因主要是仪器或溶液的实际条件与朗伯-比尔定律所要求的理想条件不一致非单色光引起的偏移物理化学因素：非均匀介质及化学反应对朗伯-比尔定律的偏移（1）仪器的影响朗伯-比尔定律只适用于单色光由于单色器色散能力的限制和出口狭缝需要保持一定的宽度，所以目前各种分光光度计得到的入射光实际上都是具有某一波段的复合光。由于物质对不同波长的光的吸收程度的不同，因而导致对朗伯－比尔定律的偏离克服非单色光引起的偏离的措施使用比较好的单色器，从而获得纯度较高的“单色光”人射光波长选择在被测物质的最大吸收处，保证测定有较高的灵敏度测定时应选择适当的浓度范围，使吸光度读数在标准曲线的线性范围内复合光由1和2组成，对于浓度不同的溶液a和b,引起的吸光度的偏差不一样，浓度大，复合光引起的误差大，故在高浓度时线性关系向下弯曲。（2）样品性质的影响朗伯－比尔定律适用于稀溶液溶液中的吸光物质常因解离、缔合、形成新化合物或互变异构等化学变化而改变其浓度，因而导致偏离朗伯—比尔定律。（A）解离---大部分有机酸碱的酸式、碱式对光有不同的吸收性质，溶液的酸度不同，酸(碱)解离程度不同，导致酸式与碱式的比例改变，使溶液的吸光度发生改变。（B）配位---显色剂与金属离子生成的是多级配合物，且各级配合物对光的吸收性质不同，例如在Fe(Ⅲ)与SCN-的配合物中，Fe(SCN)3颜色最深，Fe(SCN)2+颜色最浅，故SCN-浓度越大，溶液颜色越深（C）缔合----例如在酸性条件下，CrO42-会缔合生成Cr2O72-，而它们对光的吸收有很大的不同。Cr2O72-+H2O＝2HCrO4-＝2H＋+2CrO42-介质不均匀引起的偏离朗伯－比尔定律要求吸光物质的溶液是均匀的如果被测溶液不均匀，是胶体溶液、乳浊液或悬浮液时，入射光通过溶液后，除一部分被试液吸收外，还有一部分因散射现象而损失，使透射比减少，因而实测吸光度增加，便标准曲线偏离直线向吸光度轴弯曲。故在光度法中应避免溶液产生胶体或混浊要求：a.选择性好b.灵敏度高(ε104)c.产物的化学组成稳定d.化学性质稳定e.反应和产物有明显的颜色差别(60nm)没有颜色的化合物，需要通过适当的反应定量生成有色化合物再测定－－显色反应1、分光光度计的组成光源单色器样品池检测器读出系统8.2分光光度计光源单色器吸收室检测器显示(1)光源在紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～375nm的连续光谱。常用光源光源波长范围(nm)适用于氢灯185~375紫外氘灯185~400紫外钨灯320~2500可见，近红外卤钨灯250~2000紫外，可见，近红外氙灯180~1000紫外、可见（荧光）能斯特灯1000~3500红外空心阴极灯特有原子光谱激光光源特有各种谱学手段(2)单色器将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返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（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电管、光电倍增管、光二级管阵列。5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理分为红敏和紫敏，阴极表面涂银和氧化铯为红敏，适用625－1000nm波长；阴极表面涂锑和铯为紫敏，适用200－625nm波长分光光度计的类型1.单光束简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2.双光束可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，3.双波长将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。8.3显色反应及其影响因素8.3.1显色反应按显色反应的类型来分，主要有氧化还原反应2Mn2++5S2O82-+8H2O=2MnO4-+10SO42-+16H+配位反应Fe2++3phen=Fe(phen)32+8.3.2显色剂（1)无机显色剂不多，因为生成的配合物不稳定，灵敏度和选择性也不高。如用KSCN显色测铁、钼、钨和铌；用钼酸铵显色测硅、磷和钒;用H2O2显色测钛等。(2)有机显色剂A、磺基水杨酸OO型螯合剂，可与很多高价金属离子生成稳定的螯合物，主要用于测Fe3+。B、丁二酮肟NN型螯合显色剂，用于测定Ni2+。C、1，10-邻二氮菲NN型螯合显色剂，测微量Fe2+。D、二苯硫腙含S显色剂，萃取光度测定Cu2+，Pb2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+等。E、偶氮胂Ⅲ(铀试剂Ⅲ)偶氮类螯合剂，强酸性溶液中测Th(Ⅳ),Zr(Ⅳ)，U(Ⅳ)等；在弱酸性溶液中测稀土金属离子。F、铬天青S三苯甲烷类显色剂，测定Al3+G、结晶紫三苯甲烷类碱性染料，测定Tl3+。8.3.3多元络合物多元配合物是由三种或三种以上的组分所形成的配合物。重要的三元配合物类型：A、三元混配配合物金属离子与一种配合剂形成未饱和配合物，然后与另一种络合剂结合，形成三元混合配合物，简称三元混配配合物。例如；V(V)，H2O2和吡啶偶氮间苯二酚(PAR)形成1:1:1的有色络合物，可用于钒的测定，其灵敏度高，选择性好B、离子缔合物金属离子先与配合剂生成配阴离子或配阳离子，再与带反电荷的离子生成离子缔合物。主要用于萃取光度法。如：Ag+与1，10-邻二氮菲形成阳离子，再与溴邻苯三酚红的阴离子形成深蓝色的离子缔合物。用F-、H2O2、EDTA作掩蔽剂，可测定微量Ag+。作为离子