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1、第九章 紫外可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry）19.1 概述9.2 光的吸收定律朗伯比尔定律9.3 紫外可见分光光度计及测定方法9.4 显色反应及其影响因素9.5 紫外可见分光光度法的误差和测量 条件的选择9.6 紫外可见分光光度法应用实例2学习要求1了解物质颜色与光的吸收关系2了解紫外可见分光光度法的仪器及测量误差和测量条件的选择3了解显色反应及其影响因素4熟悉紫外可见分光光度法的实际应用5掌握朗伯比尔定律及其偏离的原因6掌握紫外可见分光光度法的测定方法39.1 概述分分光光光光度度法法是基于物质分子对光的选择性吸收而建立起来
2、的分析方法。按物质吸收光的波长不同，可分为可见分光光度法、紫外分光光度法及红外分光光度法。特点：*灵敏度较高（110L-1），适用于微量组分的测定。但相对误差较大（25%）。*具有操作方便、仪器设备简单、灵敏度和选择性较好等优点，为常规的仪器分析方法。49.1.1光的基本性质 光是一种电磁波。所有电磁波都具有波粒二象性。光的波长、频率与光速c的关系为：（9-1）光速在真空中等于2.9979108ms-1。光子的能量与波长的关系为：（9-2）式中E为光子的能量；为频率；h为普朗克常数，为6.62610-34JS。5电磁波谱6表9-1 电磁波谱范围表光谱名称波长范围 跃迁类型 分析方法X射线 10
3、-1100nm K和L层电子 X射线光谱法远紫外光 10200nm 中层电子 真空紫外光度法近紫外光 200400nm 外层电子 紫外光度法可见光 400750nm 外层电子 比色及可见光度法近红外光 0.752.5m 分子振动 近红外光谱法中红外光 2.55.0m 分子振动 中红外光谱法远红外光 5.01000m 分子转动和振动 远红外光谱法微波 0.1100cm 分子转动 微波光谱法无线电波 11000m 核的自旋 核磁共振光谱法79.1.2物质的颜色与光的关系单色光单色光(monochromatic light)只具有一种波长的光。混合光混合光 由两种以上波长组成的光。白白光光是由红、橙
4、、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成的。物物质质的的颜颜色色是由于物质对不同波长的光具有选择性的吸收作用而产生的。例如：硫酸铜溶液因吸收白光中的黄色光而呈蓝色；高锰酸钾溶液因吸白光中的绿色光而呈紫色。因此，物质呈现的颜色和吸收的光颜色之间是互补关系。8 如果把两种适当颜色的光按一定的强度比例混合也可以得白光，这两种光就叫互补色光互补色光。如果吸收光在可见区,吸收光的颜色与透过光的颜色为互补关系,物质呈现透过光的颜色。如果吸收光在紫外区，则物质不呈现颜色光的互补性与物质的颜色9吸收光谱(absorption spectrum)或吸收曲线 测定某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长
5、为横坐标，吸光度为纵坐标作图。KMnO4溶液对波长525nm附近的绿色光吸收最强，而对紫色光吸收最弱。光吸收程度最大处的叫做最大吸收波长，用max表示。不同浓度的KMnO4溶液所得的吸收曲线都相似，其最大吸收波长不变，只是相应的吸光度大小不同。10E=hv=h(C/)分子的吸收分子的吸收光谱是与其光谱是与其相应的电子相应的电子能级特征相能级特征相关的。同时关的。同时也与振动和也与振动和转动能级有转动能级有关。关。分子的光吸收机理 119.2 光的吸收定律Lambert-beer定律9.2.1 朗伯比尔定律当一束平行的单色光照射到有色溶液时，光的一部分将被溶液吸收，一部分透过溶液，还有一部分被器
6、皿表面所反射。设入射光强度为I0，透过光强度为It，溶液的浓度为c，液层宽度为b，经实验表明它们之间有下列关系：(9-3)12透光度、吸光度与溶液浓度及液层宽度的关系（9-4）溶液浓度与宽度的乘积与吸光度成正比，而不是与透光度成正比。以上两式中k是比例系数，与入射光波长、溶液的性质及温度有关。当入射光波长和溶液温度一定时，k代表单位浓度的有色溶液放在单位宽度的比色皿中的吸光度.。当c的单位为gL-1，b的单位为cm时，k以a表示，称为吸光系数(absorption coefficient)，其单位为Lg-1cm-1，此时式（9-3）变为(9-5)13 如果浓度c的单位为molL-1，b的单位为
7、cm，这时k常用 表示。称为摩尔吸光系数(molar absorptivity)，其单位为Lmol-1cm-1，它表示吸光质点的浓度为1molL-1，溶液的宽度为1cm时，溶液对光的吸收能力。值越大，表示吸光质点对某波长的光吸收能力愈强，故光度测定的灵敏度越高。值在103以上即可进行分光光度法测定，高灵敏度的分光光度法可达到105106。于是式（9-3）可写成为：A=bc （9-6）与a的关系为：=Ma （9-7）式中M为吸光物质的摩尔质量14实际测定中选用参比的重要性15例9-1 浓度为25.0g/50mL的Cu2+溶液，用双环已酮草酰二腙分光光度法测定，于波长600nm处，用2.0cm比色
8、皿测得T=50.1%，求吸光系数a和摩尔吸光系数。已知M(Cu)=64.0。解 已知T=0.501，则A=lgT=0.300，b=2.0cm,则根据朗伯比尔定律 A=abc，而=Ma=64.0gmol-13.00102 Lg-1cm-1=1.92104(Lmol-1cm-1)16例例9-29-2 某有色溶液，当用1cm比色皿时，其透光度为T，若改用2cm比色皿，则透光度应为多少？解解:由A=-lgT=abc可得 T=10-abc 当b1=1cm时，T1=10-ac=T 当b2=2cm时，T2=10-2ac=T217桑桑德德尔尔（San-dellSan-dell）灵灵敏敏度度S S:当仪器所能测
9、出最小吸光度A=0.001时，单位截面积光程内所检测出来的吸光物质的最低量，单位是ugcm-2。S和的关系推导如下：A=0.001=cb，故 （9-8）c的单位是molL1，即mol(1000cm3)1，b的单位是cm，则cb单位为mol(1000cm2）1，再乘以吸光物质摩尔质量M（gmol1）就是单位截面积光程内吸光物的质量，即为S，所以将（9-8）式中的bc代入得18例9-3 用氯磺酚法测定铌，50mL溶液中含铌50.0g，用2.0cm比色皿测得吸光度为0.701，求桑德尔灵敏度。解:已知A=0.701，b=2.0cm，M(Nb)=92.9gmol-1C则根据朗伯一比尔定律可得根据式（9
10、-9），桑德尔灵敏度S为19 定量分析时，通常液层厚度是相同的，按照比尔定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过直角坐标原点的直线。但在实际工作中，往往会偏离线性而发生弯曲，见图9-4中的虚线。若在弯曲部分进行定量，将产生较大的测定误差。9.2.2 偏离朗伯一比尔定律的原因20 朗伯一比尔定律只对一定波长的单色光才能成立，但在实际工作中，即使质量较好的分光光度计所得的入射光，仍然具有一定波长范围的波带宽度。在这种情况下，吸光度与浓度并不完全成直线关系，因而导致了对朗伯一比尔定律的偏离。所得入射光的波长范围越窄，即“单色光”越纯，则偏离越小。单色光不纯所引起的偏离21由于溶液本身的原因所引起的
11、偏离 吸光系数k与溶液的折光指数n有关。溶液浓度在0.01molL-1或更低时，n基本上是一个常数，说明朗伯一比尔定律只适用于低浓度的溶液。浓度过高会偏离朗伯一比尔定律。朗伯比尔定律是建立在均匀、非散射的溶液这个基础上的。如果介质不均匀，呈胶体、乳浊、悬浮状态，则入射光除了被吸收外，还会有反射、散射的损失，因而实际测得的吸光度增大，导致对朗伯比尔定律的偏离。22 溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化也会引起偏离。其中有色化合物的离解是偏离朗伯比尔定律的主要化学因素。例如，显色剂KSCN与Fe3+形成红色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：Fe(SCN)3 Fe3+3SCN溶液稀释时，上述平衡
12、向右，离解度增大。所以当溶液体积增大一倍时，Fe(SCN)3的浓度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，导致偏离朗伯比尔定律。239.3 紫外可见分光光度计及测定方法9.3.1分光光度计基本构造 光光源源(light(light sourcesource)：可见分光光度计都以钨灯（3601000nm）作光源。钨灯是612V的钨丝灯泡，仪器装有聚光透镜使光线变成平行光，为保证光强度恒定不变，配有稳压电源。紫外可见分光光度计除有钨灯外其光源还有氢灯，氢灯发射150400nm波长的光，适用于200400nm波长范围的紫外分光光度法测定。24 单单色色器器(monochromator)(monochro
13、mator)：其作用是将光源辐射的复合光分解成按波长顺序排列的单色光。包括狭缝和色散元件及准直镜三部分。色散元件用棱镜或光栅制成。玻璃棱镜的色散波段一般在360700nm，主要用于可见分光光度计中。石英棱镜的色散波段一般在2001000nm，可用于紫外可见分光光度计中。光栅其特点是工作波段范围宽，适用性强，对各种波长色散率几乎一致。25吸收池吸收池(absorption cell)(absorption cell)又称比色皿，是由无色透明的光学玻璃或熔融石英制成，用于盛装试液或参比溶液。玻璃吸收池：在见光范围内使用。石英吸收池：在紫外光范围内使用。吸收池，通常有0.5cm、1cm、2cm、3c
14、m和5cm宽，可适用于不同浓度范围的试样测定。同一组吸收池的透光率相差应小于0.5%。26检测器检测器(detector)(detector)把透过吸收池后透射光强度转换成电讯号的装置。检测系统应具有灵敏度高、对透过光的响应时间短、且响应的线性关系好，对不同波长的光具有相同的响应可靠性。在分光光度计中常用光电管和光电倍增管等做检测器。光电倍增管其灵敏度要比光电管约高200倍。27显示器(display)显示器是将检测器检测的信号显示和记录下来的装置。在分光光度计中常用的是微安表、数码显示管等。简单的分光光度计多用微安表。在标尺上有透光度（T）和吸光度（A）两种刻度，由于吸光度和透光度是负对数关
15、系，因此透光度的刻度是均匀的，而吸光度的刻度是不均匀的。28分光光度计的主要类型单光束型29双光束型30光电二极管阵列型（DAD)31标准曲线法 其方法是先配制一系列浓度不同的标准溶液，用选定的显色剂进行显色，在一定波长下分别测定它们的吸光度A。以A为纵坐标，浓度c为横坐标，绘制A-c曲线，若符合朗伯比尔定律，则得到一条通过原点的直线，称为标准曲线。然后用完全相同的方法和步骤测定被测溶液的吸光度，便可从标准曲线上找出对应的被测溶液浓度或含量，这就是标准曲线法。在仪器、方法和条件都固定的情况下，标准曲线可以多次使用而不必重新制作，因而标准曲线法适用于大量的经常性的工作。9.3.2分光光度测定的方
16、法32Blank Standard Sample Sample33 标准对照法(直接比较法)将试样溶液和一个标准溶液在相同条件进行显色、定容，分别测出它们的吸光度，按下式计算被测溶液的浓度。k标=k测 b标=b测所以 要求A与c线性关系良好，被测样品溶液与标准溶液浓度接近，以减少测定误差。用一份标准溶液即可计算出被测溶液的含量或浓度，方便，操作简单。34 3吸光系数法在没有标准品可供比较测定的条件下，按文献规定条件测定被测物的吸光度，从样品的配制浓度、测定的吸光度及文献查出的吸光系数即可计算样品的含量，因为 则样品含量35 例9-4 已知维生素B12在361nm条件下a标=20.7Lg1cm1
17、。精确称取样品30mg，加水溶解稀释至1000mL，在波长361nm下，用1.00cm吸收池测得溶液的吸光度为0.618，计算样品维生素B12的含量。解：A=a样bc则维生素B12的含量=369.4.1 显色反应及显色剂：这种被测元素在某种试剂的作用下，转变成有色化合物的反应叫显色反应（color reaction），所加入试剂称为显色剂(color reagent)。常见的显色反应大多数是生成配合物的反应，少数是氧化还原反应和增加吸光能力的生化反应。显色剂显色剂9.4 显色反应及其影响因素37 显色反应的要求：选选择择性性好好 所用的显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色，或其它组分干
18、扰少。灵灵敏敏度度要要足足够够高高 有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般应有104105数量级。有有色色配配合合物物的的组组成成要要恒恒定定 显色剂与被测物质的反应要定量进行，生成有色配合物的组成要恒定。生生成成的的有有色色配配合合物物稳稳定定性性好好 即要求配合物有较大的稳定常数，有色配合物不易受外界环境条件的影响，亦不受溶液中其它化学因素的影响。有较好的重现性，结果才准确。色色差差大大 有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。38 9.4.2影响显色反应的因素 显色剂的用量显色剂的用量显色反应一般可表示为M+R MRM+R MR39 溶液的酸度溶液的酸度
19、许多显色剂都是有机弱酸或有机弱碱，溶液的酸度会直接影响显色剂的解离程度。对某些能形成逐级配合物的显色反应，产物的组成会随介质酸度的改变而改变，从而影响溶液的颜色。另外，某些金属离子会随着溶液酸度的降低而发生水解，甚至产生沉淀，使稳定性较低的有色配合物的解离。40显色温度显色温度 有些反应需要加热。有些显色剂或有色配合物在较高温度下易分解褪色。此外温度对光的吸收及颜色深浅也有影响，要求标准溶液和被测溶液在测定过程中温度一致。显色时间显色时间 显色反应有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的显色反应需放置不同的时间，并在一定的时间范围内进行比色测定。41副反应的影响副反应的影响 例如，被测金属离
20、子M与显色剂R反应，生成有色配合物MRn，此时，若M有配位效应，R有酸效应，影响M配位反应的完全程度。通常，当金属离子有99%以上被配位时，就可认为反应基本上是完全的。共存离子的影响共存离子的影响 吸光度增加，造成正干扰。被测组分或显色剂的浓度降低，引起负干扰。429.5 紫外可见分光光度法的误差和测量条件的选择9.5.1分光光度法的误差 溶液不遵守朗伯溶液不遵守朗伯比尔定律所引起的误差比尔定律所引起的误差 利用标准曲线的直线段来测定被测溶液的浓度，从而减少由入射光为非单色光引起的误差；也可以利用试剂空白和确定适宜的浓度范围来减少由溶液本身所引起的误差。光度测量误差光度测量误差 吸光度与透光率
21、是负对数关系，故吸光度的标尺刻度是不均匀的。一般来说透光率为2065（吸光度为0.20.7）时，浓度测量的相对误差都不太大。这就是分光光度分析中比较适宜的吸光度范围。43仪器误差仪器误差 比色皿的质量，检流计的灵敏度。，光源不稳定、棱镜的性能、安装条件及光电管的质量等都可以使分析产生误差。操作误差操作误差 由分析人员所采用的实验条件与正确的条件有差别所引起的，如显色条件和测量条件掌握得不好等。449.5.2分光光度法测量条件的选择入射光波长的选择入射光波长的选择 以最大吸收波长max为测量的入射光波长。在此波长处，摩尔吸光系数最大，测定的灵敏度最高。若干扰物在max处也有吸收，在干扰最小的条件
22、下选择吸光度最大的波长。有时为了消除其它离子的干扰，也常常加入掩蔽剂。45 吸光度读数范围的选择吸光度读数范围的选择 透光度读数误差T是一个常数，但在不同的读数范围内所引起的浓度的相对误差却是不同的。因此，为了减小浓度的相对误差，提高测量的准确度，一般应控制被测液的吸光度A在0.20.7（透光度为65%20%）。当溶液的吸光度不在此范围时，可以通过改变称样量、稀释溶液以及选择不同厚度的比色皿来控制吸光度。46 参比溶液的选择参比溶液的选择原则:使试液的吸光度能真正反映待测物的浓度。利用空白试验来消除因溶剂或器皿对入射光反射和吸收带来的误差。纯溶剂空白 当试液、试剂、显色剂均为无色时，用纯溶剂（
23、或蒸馏水）作参比溶液。试剂空白 试液无色，而试剂或显色剂有色时，加入相同量的显色剂和试剂,作为参比溶液。试液空白 试剂和显色剂均无色，试液中其它离子有色时，用不加显色剂的溶液作为参比溶液。479.6 紫外可见分光光度法应用实例应用:测量试样微量组分 测定配合物的组成及稳定常数、弱酸的解离常数、化学反应的速率常数、催化反应的活化能等.根据分子的紫外光谱数据判断分子的空间构型，确定分子结构。489.6.1单组分含量测定实例一：1.1,10-二氮菲测定微量铁 该试剂能与Fe2+能形成3：1的红色配离子：max=512nm，为1.1104Lmol1cm1。在pH为39范围内，反应能迅速完成，且显色稳定
24、。在铁含量0.58mL1范围内，浓度与吸光度符合朗伯比尔定律。用pH=4.55.0的缓冲液保持其酸度，并用盐酸羟胺还原其中的Fe3+，用标准曲线法进行测定。49实例二：磷钼蓝法测定全磷 用浓硫酸和高氯酸（HClO4）处理样品，使磷的各种形式转变为H3PO4，然后在HNO3介质中，H3PO4与（NH4）2MoO4反应形成磷钼黄杂多酸，反应如下：H3PO4+12(NH4)2MoO4+21HNO3=(NH4)3PO412MoO3+12NH4NO3+12H2O 用适当的还原剂如维生素C将其中的Mo(VI)还原为Mo(V)，即生成蓝色的磷钼蓝，其最大吸收波长为max=660nm，用标准曲线法可测得样品的
25、全磷含量。509.6.2多组分含量测定 溶液的总吸光度等于各组分的吸光度之和：A=A1+A2+A3+An吸收峰互不重叠 A、B两组分的吸收峰相互不重叠，则可分别在处用单组分含量测定法测定组分A和B。51吸收峰相互重叠A、B两组分的吸收峰相互重叠，可分别在和处测出A、B两组分的总吸光度A1和A2，然后根据吸光度的加和性列联立方程：在 处，在 处，式中 分别为A和B在波长 处的摩尔吸光系数 分别为A和B在 波长 处的摩尔吸光系数52导数分光光度法54导数分光光度法的应用导数分光光度法分辨两个紫外光谱相近组份图例55导数光谱消除宽背景吸收干扰图例569.6.3配合物组成的测定 物质的量比法物质的量比
26、法 固定一种组分如金属离子M的浓度，改变配位剂R的浓度，分别测定其吸光度。以吸光度A为纵坐标，配位剂与金属离子的浓度比值为横坐标作图。当金属离子全部被配位剂配合后，再增加配位剂，其吸光度亦不会增加了，利用外推法可得一交叉点D，D点所对应的浓度比值就是配合物的配合比。57 连续变化法连续变化法 设配位反应为 M+nR MRnM为金属离子，R为配合剂。并设cM和cR为溶液中M和R两组分的浓度，cM+cR=c0（常数）金属离子和配位剂的物质的量分数分别为：配制一系列不同xM（或xR）值的溶液，溶液中配合物浓度随xM而改变，当xM（或xR）与形成的配合物组成相当时，即金属离子和配位剂物质的量之比和配合
27、物组成一致时，配合物的浓度最大。根据与最大吸光度对应的x值，即可求出n。58599.6.4 紫外分光光度法定性分析简介比较吸收光谱曲线法：比较吸收光谱曲线法：不饱和有机化合物（特别是含共轭体系的有机化合物）既含有未共享的n电子又含有电子，其中的*跃迁吸收谱带和n-*跃迁吸收谱带属于紫外可见特征吸收光谱。可以将在相同条件下测得的未知物的吸收光谱与标准谱图进行比较来作定性分析。如果吸收光谱的形状，包括吸收光谱的 、吸收峰的数目、位置、拐点以及等完全一致，则可以初步认为是同一化合物。60山梨酸标样苯甲酸标样雪碧样品61有机化合物构型构象的判断有机化合物构型确定图例62紫外标准光谱图及有关手册“Sad
28、tler Standard Spectra(Ultraviolet)”Heyden,London,1978.“Ultraviolet Spectra of Aromatic Compounds”Wiley,New York,1951.“Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra of Organic Compounds”New York,Plenum,1967“Oranic Electronic Spectral Data”利用标准图谱定性利用标准图谱定性63 利用利用Woodward-Woodward-FieserFieser规则和规则和ScottScott规则定性规则定性 根据Woodward-Fieser规则和Scott规则来计算最大吸收波长，并与实验值进行比较，来确认物质的结构。Woodward-Fieser规则是计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物 的经验规则。该规则主要以类丁二烯结构作为母体得到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体上的不同取代基以及其他结构因素加以修正，得到一个化合物的 总值。用Scott规则来计算芳香族羰基衍生物和取代苯的 。其方法类似于Woodward-Fieser规则。64