分析化学第九章-紫外—可见分光光度法

1第九章紫外—可见分光光度法（UltravioletandVisibleSpectrophotometry）29.1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39.1概述分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。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（1~10·L-1），适用于微量组分的测定。但相对误差较大（2~5%）。*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2.9979×108m·s-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6.626×10-34J·S。chc/hE5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10-1~100nmK和L层电子X射线光谱法远紫外光10~200nm中层电子真空紫外光度法近紫外光200~400nm外层电子紫外光度法可见光400~750nm外层电子比色及可见光度法近红外光0.75~2.5m分子振动近红外光谱法中红外光2.5~5.0m分子振动中红外光谱法远红外光5.0~1000m分子转动和振动远红外光谱法微波0.1~100cm分子转动微波光谱法无线电波1~1000m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(monochromaticlight)只具有一种波长的光。•混合光由两种以上波长组成的光。•白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成的。•物质的颜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。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(absorptionspectrum)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=h•r=h(C/)分子的吸收光谱是与其相应的电子能级特征相关的。同时也与振动和转动能级有关。分子的光吸收机理11—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：kcbIIA0lg9.2光的吸收定律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g·L-1，b的单位为cm时，k以a表示，称为吸光系数(absorptioncoefficient)，其单位为L·g-1·cm-1，此时式（9-3）变为abcAkbcT1lgIIlgA013如果浓度c的单位为mol·L-1，b的单位为cm，这时k常用表示。称为摩尔吸光系数(molarabsorptivity)，其单位为L·mol-1·cm-1，它表示吸光质点的浓度为1mol·L-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105~106。于是式（9-3）可写成为：A=εbc（9-6）ε与a的关系为：ε=Ma（9-7）式中M为吸光物质的摩尔质量14kcbIIA0lg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ε=Ma=64.0g·mol-1×3.00×102L·g-1·cm-1=1.92×104(L·mol-1·cm-1))1000.5100.50100.251436LgLgc（11-2-14.L.g103.001000.50.2300.0cmLgcmbcAa16例9-2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: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桑德尔（San-dell）灵敏度S:当仪器所能测出最小吸光度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ug·cm-2。S和的关系推导如下：A=0.001=cb，故c的单位是mol·L－1，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（g·mol－1）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001.0cb3610101000cbcbMMSMS18例9-3用氯磺酚法测定铌，50mL溶液中含铌50.0μg，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)=92.9g·mol-1C则根据朗伯一比尔定律可得根据式（9-9），桑德尔灵敏度S为)·(1008.19.92100.50100.5015136LmolmolgLgbcA)··(1025.3·1008.10.2701.011415cmmolLLmolcmMS)(1086.21025.39.92231141cmgcmmolLmolg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偏离吸光系数k与溶液的折光指数n有关。溶液浓度在0.01mol·L-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)3Fe3++3SCN－溶液稀释时，上述平衡向右，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。239.3.1分光光度计基本构造光源(lightsource)：可见分光光度计都以钨灯（360-1000nm）作光源。钨灯是6~12V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150-400nm波长的光，适用于200-400nm波长范围的紫外分光光度法测定。9.3紫外—可见分光光度计及测定方法24单色器(monochromator)：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360~700nm，主要用于可见分光光度计中。石英棱镜的色散波段一般在200~1000nm，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(absorptioncell)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、3cm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(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。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。27分光光度计的主要类型单光束型28双光束型29光电二极管阵列型（DAD)309.3.2分光光度测定的方法•标准曲线法BlankStandardSampleSample00.10.20.30.40.50.60.70.8024681012Concentration(ug/mL)Abs31•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。标标标测测测标测bckbckAA标标测测ccAA323．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bcAa样%100abc%100a标标样Aa33例9-4已知维生素B12在361nm条件下a标=20.7L·g－1·cm－1。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=1)1000/30(618.0bcaA样116.20cmgL%5.99%10020.7.620349.4.1显色反应及显色剂有些被测物质的溶液的颜色很淡或者根本没有颜色，因此需要在被测溶液中加入某些物质，使被测物质转变为颜色较深的有色物质。