6.1光度法基本原理

第六章紫外-可见分光光度法6.1.1光的基本性质6.1.2物质分子对光的选择性吸收与吸收曲线6.1.3光的吸收定律6.1.4电子跃迁与吸收带类型第一节基本原理本章教学基本要求•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，摩尔吸收系数与吸收系数，吸收度与透光度，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；•熟悉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和导数分光光度法。概述基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。分为：光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析法是指在光（或其他能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析光波谱区、跃迁类型与对应的分析方法概述: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收光度法,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，主要用于有色物质的定量分析。本章主要讲授紫外–可见吸收光度法。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σ=1/=/c光是由光子流组成，光子的能量：E=h=hc/（Planck常量：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+荧光或磷光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，测吸收度——吸收曲线与最大吸收波长max。M+hM*基态激发态E1（ΔE）E2物质颜色及其补色光的互补：蓝黄吸收曲线的讨论：（1）同一种物质对不同波长的光的吸收度不同。吸收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，在某一定波长下吸收度A有差异，在λmax处吸收度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。（5）在λmax处吸收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。6.1.3光的吸收定律1.朗伯–比尔定律•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•1852年比尔(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–比尔定律，其数学表达式为A=lg(I0/It)=κbc,透光率T=It/I0,A=-lgT朗伯–比尔定律数学表达式A＝lg（I0/It)=κbc式中：A为吸收度（吸光度）；描述溶液对光的吸收程度；b为液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c为溶液的物质的量浓度，单位mol·L-1；κ(多用e)为摩尔吸收系数，单位L·mol-1·cm-1；或:A＝lg（I0/It)=abρρ为溶液的质量浓度，单位g·L-1；a为质量吸收系数，单位L·g-1·cm-1；a与κ(e)的关系为：a=κ/M（M为物质的相对分子质量）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吸收度A与透光度T的关系:A＝－lgT朗伯–比尔定律是吸收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；摩尔吸收系数κ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收度；A=κbc注意：实验中不能用该条件测定κ，因为浓度太大。质量吸收系数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收度。2.分光光度法的灵敏度(1)摩尔吸收系数κmax越大表明该物质的吸收能力越强，用分光光度法测定该物质的灵敏度越高。A=kbc，k为直线的斜率。一般认为κ105超高灵敏；κ=(6～10）×104高灵敏；κ=(2～6）×104中等灵敏；κ２×104一般灵敏。注意：上述灵敏度只是相对的，在没有好的分析方法时k=103的方法也是可行的。摩尔吸收系数κ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，κ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κ值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸收系数，常以κmax表示。κmax表明了该吸收物质最大限度的吸收能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。(2)质量吸收系数质量吸收系数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收度。a与κa=κ/M式中，M(g·mol-1)。质量吸收系数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，其摩尔质量往往不同，故不能简单地根据κ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的吸收度时，单位截面积(cm2)光程内所能检测出的吸收物质的最低含量。单位为μg·cm-2。一般分光光度计所能检测的最小吸收度A≈0.001。设A=0.001时所能检出某物质的最低浓度为ρmin（μg·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κ、a的关系：S=M/κS=1/a3.偏离朗伯–比尔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–比尔定律的偏离。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–比尔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–比尔定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯–比尔定律的偏离，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）＝κ1bcA2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝κ2bc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；κ1、κ2分别为λ1、λ2的摩尔吸收系数；cbcbII;II22211110100t0tkkA总＝lg（Ｉo总/Ｉt总)＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉt1+Ｉt2）＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉo110-κ1bc+Ｉo210-κ2bc）令κ1-κ2＝κ；设Ｉo1＝Ｉo2A总＝lg(2Io1)/[Ｉt1(1＋10-κbc）]＝lg(Io1/Ｉt1)+lg2-lg(1＋10-κbc）＝A1+lg2-lg(1＋10-κbc)因实际上只能测总吸收度A总，并不能分别测得A1和A2，故讨论:A总=A1+lg2-lg(1+10－κbc)①κ=0；即κ1=κ2=κ则：A总＝lg（Ｉo/Ｉt）＝κbc②κ≠0若κ0；即κ2κ1；－κbc0,lg(1＋10-κbc)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:A总=A1+lg2-lg(1＋10－κbc)③｜κ｜很小时,即κ1≈κ2，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｜κ｜很小，A总≠Ａ1，且随着c值增大，A总与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–比尔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–比尔定律的假定：所有的吸收质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c10-2mol·L-1)时才基本符合。当溶液浓度c10-2mol·L-1时，吸收质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。•故：朗伯—比尔定律只适用于稀溶液。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时，吸收质点的浓度发生变化，影响吸收度。•例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡2CrO42-＋2H+=Cr2O72-＋H2O溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸收性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。6.1.4电子跃迁与吸收带类型1．分子的内能与能级分子内能级：电子能级、振动能级和转动能级。Ｅ＝Ee+Ev+ErΔΕr：0.005～0.050eVΔΕv：0.05～1eVΔΕe：1～20eV电子能级跃迁产生紫外-可见光谱。2．有机化合物分子内的电子跃迁有机化合物的紫外–可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。四种主要跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为n→π*π→π*n→σ*σ→σ*⑴σ→σ*跃迁所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。⑵n→σ*跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。⑶π→π*跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸收系数κmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，κmax为1×104L·mol-1·cm－1。⑷n→π*跃迁需能量最低，吸收波长λ200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸收系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π*跃迁。丙酮n→π*跃迁的λ为275nmκmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。生色团与助色团生色团：最有用的紫外–可见光谱是由π→π*和n→π*跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基－N＝N－、乙炔基、腈基－C≡N等。助色团：有一些含有n电子的基团(如－OH、－OR、－NH２、－NHR、－X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n–π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。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