第九章吸光光度法(简)

第九章吸光光度法Chapter9Spectrophotometry吸光/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，可分为比色法、可见分光光度法、紫外分光光度法及红外分光光度法。根据试样颜色深浅的程度与已知标准溶液比较来确定物质含量的方法称为比色法。用分光光度计进行比色分析的方法称为吸光/分光光度法。化学分析与光度分析方法比较光度法：结果0.048%～0.052%,满足要求容量法：V(K2Cr2O7,浓度1.6x10-3mol/L)≈0.02mL,测不准重量法：m(Fe2O3)≈0.14mg,称不准例:含Fe约0.05%的样品,称0.2g,则m(Fe)≈0.1mg光度分析：微量组分(10-3～10-6),相对误差2%～5%依据物理或物理化学性质,需要特殊的仪器化学分析：常量组分(1%),相对误差0.1%～0.2%依据化学反应,使用玻璃仪器准确度高灵敏度高分光光度法的特点：1灵敏度高。检测下限可达10－5～10－6mol/L，适用于微量分析；2比色法相对误差5～10％；分光光度法相对误差2～5％（满足微量要求）3操作简便、检测快速；4应用广泛，几乎所有无机物和多数有机物均可检测。远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）10nm~200nm200nm~380nm380nm~780nm780nm~2.5m2.5m~50m50m~300m光学光谱区物质的颜色与光的关系•单色光: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:由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种单色光按一定比例混合而成。光的互补:两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。蓝黄紫红绿紫黄绿绿蓝橙红蓝绿4物质的颜色:物质对不同波长的光具有选择性吸收作用。吸收光在可见光区,吸收光与透过光的颜色为互补关系,物质呈现透过光的颜色。CuSO4溶液：吸收白光中的黄色光而呈蓝色；KMnO4溶液：吸收白光中的绿色光而呈紫色。如吸收光在紫外区，则物质不呈现颜色。光的互补性与物质的颜色§9－1吸光光度法的基本原理一物质对光的选择性吸收透射光束界面反射损失溶液中散射损失界面反射损失入射光束溶液对光的作用示意图I0吸收后I•分子、原子、离子具有不连续的量子化能级当照射光子的能量hv与被照射粒子的基态和激发态的能级差ΔE=E激－E基＝hv=hc/λ相等时才能发生吸收。•不同物质微粒的结构不同，量子化能级的能量差ΔE也不同，则λ也不同，因此物质对光的吸收具有选择性•选择性：不同物质对特定波长的光具有最大吸收。物质对光的选择性吸收的原因吸收曲线:将不同波长的光通过某一固定浓度和厚度的有色溶液,测量每一波长下的吸光度横坐标：波长λ纵坐标：吸光度A作图,即可得一曲线.这种曲线描述了物质对不同波长光的吸收能力,称吸收曲线。4005006000.00.10.20.30.4I0.0002mg/mLII0.0004mg/mLIII0.0006mg/mLIIIIIIA/nm１，１０－邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线max吸收光谱或吸收曲线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波长叫做最大吸收波长，用max表示▲。不同浓度的KMnO4溶液所得的吸收曲线都相似。KMnO4溶液的吸收曲线(cKMnO4:abcd)max苯(254nm)甲苯(262nm)A230250270苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱形状及max均不同吸收光谱或吸收曲线定性分析基础不同的物质，其吸收曲线形状和最大吸收波长各不相同，可对物质进行定性分析。定量分析基础不同浓度的同一物质，其max不变，在吸收峰及附近处，吸光度随浓度增大而增大，呈一定比例关系。可对物质进行定量分析。KMnO4溶液的吸收曲线(cKMnO4:abcd)max吸收曲线说明(1)物质呈现颜色是由于对光的选择性吸收(2)是选择测定波长的重要依据（λmax）(3)物质一定时，随浓度增大，吸光度也增大，但最大吸收波长λmax不变。二光吸收基本定律——朗伯―比尔（Larnbert-Beer）定律三、光的吸收定律—朗伯-比尔定律1.朗伯定律（1760年）吸光度A与液层厚度b的关系2.比尔定律（1852年）吸光度A与物质浓度c的关系光源检测器0.00吸光度检测器b样品光源0.22吸光度光源检测器0.44吸光度b样品b样品1.朗伯定律：A=k'b吸光度0.00光源检测器吸光度0.22光源检测器b吸光度0.44光源检测器b1倍浓度2倍浓度2.比尔定律：A=k”c式中A：吸光度（无量纲单位）I0:入射光强度I:透射光强度a：吸收系数，单位L·g-１·cm-１b:液层厚度，单位通常为cmc：溶液的浓度，单位g·L-１光吸收定律——朗伯—比尔定律的数学表达式▲cbaIIA0lgcbIIA0lg式中ε：摩尔吸收系数，单位L·mol-１·cm-１；b：液层厚度，以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-１；a与ε的关系为：ε=Ma（M为摩尔质量）朗伯—比尔定律的另一数学表达式▲摩尔吸收系数的含义当c的单位用mol·L-1表示时A＝bc的单位:L·mol-1·cm-1在数值上等于浓度为1mol/L的吸光物质在厚度为1cm光程中的吸光度A，是物质吸光能力大小的量度。值越大，测定方法越灵敏。通常在104以上时，认为方法灵敏，准确。描述入射光透过溶液的程度T=I/I0吸光度A与透光度T的关系:▲(1)朗伯-比尔定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。(2)吸光度具有加和性。nnnbcbcbcAAA221121A总透光度T（百分透光度T%)cbIITA0lglg010203040506070809010000.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.52AT%吸光度透光率吸光度与透光率的关系例9-1浓度为25.0μg/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（11-214.L.g103.001000.50.2300.0cmLgcmbcAa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=T2三偏离朗伯――比尔定律的原因实验中，工作曲线经常偏离线性而弯曲。偏离原因（１）非单色光引起（２）溶液因素引起（3）化学因素引起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。1.单色光不纯所引起的偏离2.由于溶液本身的原因所引起的偏离朗伯—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。3.溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化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。§9－2目视比色法及光度计的基本部件一目视比色法用眼睛比较溶液颜色的深浅以测定物质含量的方法称为目视比色法。二光度分析法1光电比色计－光电比色法－滤光片2分光光度计－分光光度法－棱镜或光栅（单色器）三光度法与目视法比较的优点：1准确度高。消除了人眼睛的主观误差。2选择性强。可利用单色器消除干扰。3使用标准曲线可简化手续加快分析速度。分光光度计分光光度计四光度计的基本部件光源单色器样品室检测器显示器一、显色反应的选择待测物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，所加入试剂称为显色剂。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▲§9－3显色反应与条件的选择无色有色对显色反应的要求1灵敏度高，即ε要大，一般为104～105。2选择性好，最好仅与一种或少数几种显色。3显色剂在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求△60nm。4化学性质稳定。二、显色反应条件的选择1显色剂用量显色反应▲为了保障反应完全，且对反应无不利影响，需通过实验确定合适的显色剂用量．M+RMR（待测组分）（显色剂）（有色化合物）确定方法：将待测组分的浓度c及其他条件固定，加入不同量的显色剂，测定其吸光度绘制吸光度A――浓度CR关系曲线，得到三种曲线.2.反应体系的酸度在相同实验条件下，分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。3.显色时间与温度实验确定4.溶剂5.干扰的消除三显色剂1无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵等。2有机显色剂：种类繁多（1）偶氮类显色剂：性质稳定、显色灵敏度高、选择性好、对比度大，应用最广泛。偶氮胂III、PAR等。（2）三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等§9－4吸光度测量条件的选择一选择适当的入射波长一般应该选择λmax为入射光波长▲如果λmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。如图选500nm波长测定，灵敏度虽有所下降，却消除了干扰，提高了测定的准确度和选择性。二参比溶液的选择参比溶液:在吸光度测定时用来调节仪器的零点,消除由于比色皿、溶剂、试剂、其它组分对于入射光的反射和吸收所带来的误差。原则：试液的吸光度能真正反映待测物的浓度。试液参比IIIIAlglg0参比溶液的选择原则(1)如果仅待测物与显色剂的反应产物有吸收,可用纯溶剂作参比溶液.(2)如果显色剂或其它试剂略有吸收,应用空白溶液(不加试样溶液)作参比溶液．(3)如试样中其他组分有吸收,但不与显色剂反应,则当显色剂无吸收时,可用试样溶液作参比溶液,当显色剂略有吸收时,可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂,以此溶液作参比溶液.三吸光度读数范围的选择在光度计中,透光度T标尺刻度均匀,吸光度A读数不均匀.AαC，A读数不均匀，C的误差也不均匀不同吸光度A下,相同的吸光度读数误差对测定带来的浓度误差是不同的.通过对误差进行推导,以有限制表示浓度的相对误差：其中::浓度的相对误差∆T:透光度的绝对误差.这样以∆C/C对溶液的透光度T作图得如下曲线:CC=0.434TlgTTCC0204060801000.51.01.52.02.53.03.54.0c/cx100T/%浓度的相对误差曲线从曲线可见,透光度T=36.8%或A=0.434时,相对误差最小,数值为1.4%,而在20%～65%(吸光度0.2～0.7)的范围内误差较小,且彼此接近.所以分光光度计测量的读数范围以吸光度介于0.2～0.7之间为宜.§9－5吸光光度法的应用一高含量组分的测定――示差法选用浓度稍低于待测样品的标准溶液作参比溶液,调整T=100%,测定待测样品相对吸光度Ar及相对透光度Tr以普通光度法,纯溶剂或空白作参比,测定试样及标准溶液吸光度Ax，As；Tx，T