130 第十三章(分光光度法).ppt

第十三章第十三章第十三章第十三章 分分分分 光光光光 光光光光 度度度度 法法法法 利利用用物物质质对对光光的的选选择择性性吸吸收收，，可可进进行行定定性性分析和定量分析分析和定量分析 一定波长下，被测溶液对光的吸收程度与一定波长下，被测溶液对光的吸收程度与溶液中组分的浓度之间存在定量关系，可进行溶液中组分的浓度之间存在定量关系，可进行该组分的含量测定，该定量测定方法称为该组分的含量测定，该定量测定方法称为吸光吸光光度法光度法 吸光吸光光度法光度法单色光获得方法单色光获得方法滤光片滤光片棱镜或光栅棱镜或光栅光电比色法光电比色法分光光度法分光光度法 ▲ ▲ 红红外外分分光光光光度度法法：：吸吸收收光光波波长长范范围围2.5 1000  m ,主要用于有机化合物结构鉴定主要用于有机化合物结构鉴定 ▲ ▲ 紫紫外外分分光光光光度度法法：：吸吸收收光光波波长长范范围围200 400 nm（（近近紫紫外外区区）） ，，可可用用于于结结构构鉴鉴定定和和定量分析。

定量分析 ▲ ▲ 可可见见分分光光光光度度法法：：吸吸收收光光波波长长范范围围400 750 nm ，，主要用于有色物质的定量分析主要用于有色物质的定量分析 依物质对不同波长范围光的吸收，主要有：依物质对不同波长范围光的吸收，主要有： 第一节第一节 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 1 光的基本性质光的基本性质 上式表明光的波长越短，或者说频率上式表明光的波长越短，或者说频率越大，光的能量越高越大，光的能量越高 光是一种电磁波，具有波粒二象性，即波动光是一种电磁波，具有波粒二象性，即波动性、粒子性性、粒子性Planck常数常数：：h=6.63× 10 -34 J · S ) ● ● 日日常常生生活活中中肉肉眼眼所所见见到到的的白白光光，，如如日日光光等等是是由由红红、、橙橙、、黄黄、、绿绿、、青青、、蓝蓝、、紫紫等等光光按按适适当当的的强强度度比比例例混混合合而而成成的的，，是是在在400~750nm范范围围的的一种复合光一种复合光● ● 具有同一波长的光称为具有同一波长的光称为单色光单色光。

(由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成)● ● 不同波长组成的光称为不同波长组成的光称为复合光复合光 2 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 光的互补光的互补 两种颜色的光若按适当比例混合，可以形两种颜色的光若按适当比例混合，可以形成白光，这两种光称为成白光，这两种光称为互补色光互补色光 实实验验证证明明：：溶溶液液的的颜颜色色是是由由于于溶溶液液中中的的有有色物质吸收了某一波长的光所造成的色物质吸收了某一波长的光所造成的 如如KMnO4吸吸收收绿绿色色光光，，因因此此KMnO4溶溶液液呈呈现紫色白光白光青蓝青蓝青青绿绿黄黄橙橙红红紫紫蓝蓝互补色光互补色光 ◆◆ 物物质质的的分分子子具具有有不不连连续续的的量量子子化化能能级级，，见见图图13-1双原子分子的能级示意图双原子分子的能级示意图 ◆ ◆ 同同一一电电子子能能级级（（A或或B））中中有有几几个个振振动动能能级级（（V）），，而而同同一一振振动动能能级级中中有有几几个个转转动动能能级级（（J）），，电子能级间的能量差一般为电子能级间的能量差一般为1~20电子伏特（电子伏特（eV）。

 ◆ ◆ 当当光光子子的的能能量量=电电子子能能级级间间的的能能量量差差，，此此能能量量的的光光被被物物质质吸吸收收，，使使分分子子由由基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态，，由由于于激激发发态态的的分分子子不不稳稳定定，，很很短短的的时时间间内内又又回回到到基基态态，，在在这这个个过过程程中中，，物物质质所所吸吸收收的能量以热或光的形式释放出来的能量以热或光的形式释放出来 ◆ ◆ 由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外及可见光部分，称为分子的电子光谱于紫外及可见光部分，称为分子的电子光谱  一束平行单色光照射溶液时，光的一部分一束平行单色光照射溶液时，光的一部分被被吸收吸收，一部分，一部分透过透过溶液，一部分被器皿的表溶液，一部分被器皿的表面面反射反射透光率透光率T与吸光度与吸光度A 光通过溶液示意图光通过溶液示意图ItIo = It +IaIaLIo = It + Ia + Ir 若入射光强度为若入射光强度为Io，，吸收光的强度为吸收光的强度为Ia，，透过透过光强度为光强度为It，，反射光的强度为反射光的强度为Ir，，它们的关系是它们的关系是Io = It +Ia 在吸光光度法中，测定时都是采用同样材质在吸光光度法中，测定时都是采用同样材质的比色皿，反射光的强度基本上是不变的，约占的比色皿，反射光的强度基本上是不变的，约占4％，其影响可以相互抵消，上式可简化为：％，其影响可以相互抵消，上式可简化为：  溶液的透光度越大，说明对光的吸收越小，溶液的透光度越大，说明对光的吸收越小，浓度低；相反，透光度越小，溶液对光的吸收越浓度低；相反，透光度越小，溶液对光的吸收越大，浓度高。

大，浓度高 透过光强度透过光强度It与入射光强度与入射光强度Io之比称为之比称为透光透光度度或或透光率透光率用用 T 表示：表示：若光全部透过溶液，若光全部透过溶液，Io= It ，， A = 0 若全部被吸收，若全部被吸收， It = 0 ，， A = ∞吸光度吸光度A是用来衡量溶液中吸光物质对单色是用来衡量溶液中吸光物质对单色光光 λ 的吸收程度的吸收程度，，A值越大，其吸收程度越大；值越大，其吸收程度越大；反之亦然反之亦然吸光度吸光度A 将将不不同同波波长长的的光光依依次次透透过过某某浓浓度度一一定定的的溶溶液液，，测测量量不不同同波波长长下下溶溶液液对对光光的的吸吸光光度度，，用用A～～λλ作作图图KMnO4溶液的吸收曲线溶液的吸收曲线吸收曲线吸收曲线 （（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不）同一种物质对不同波长光的吸光度不同吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长长λmax （（2））不同浓度的同一种物质，其吸收曲线不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似、形状相似、λmax不变。

而对于不同物质，它们不变而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和的吸收曲线形状和λmax均不同可作为物质定均不同可作为物质定性分析的依据之一性分析的依据之一 有关吸收曲线：有关吸收曲线： （（3））不不同同浓浓度度的的同同一一种种物物质质，，在在某某一一定定波波长长下下吸吸光光度度 A 有有差差异异，，在在λmax处处吸吸光光度度A 的的差差异最大此特性可作为物质定量分析的依据此特性可作为物质定量分析的依据 （（4））在在λmax处处吸吸光光度度随随浓浓度度变变化化的的幅幅度度最最大大，，所所以以测测定定最最灵灵敏敏吸吸收收曲曲线线是是定定量量分分析析中选择入射光波长的重要依据中选择入射光波长的重要依据 3 分光光度法特点分光光度法特点 ●● 灵敏度高，灵敏度高，常测常测10 ––3 %~1%的微量组分，的微量组分，有时，有时，10 ––5 %~10 ––4 %的痕量组分；的痕量组分； 适用于微量分析适用于微量分析 ●● 准确度较高，相对误差为准确度较高，相对误差为2% ∼ ∼ 5% ● ● 快速简便快速简便 ● ● 应用广泛应用广泛。

 第二节第二节 光的吸收定律光的吸收定律 1 朗伯朗伯- -比耳定律比耳定律 ◆◆ 1760年朗伯年朗伯(Lambert) 阐明了光的吸收阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系程度和吸收层厚度的关系A∝∝L ◆◆ 1852年比耳年比耳( (Beer) )又提出了光的吸收程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度和吸收物浓度之间也具有类似的关系A∝∝c 数学表达式数学表达式： 朗伯朗伯—比尔定律比尔定律：一束平行单色光通过溶液一束平行单色光通过溶液时，溶液的时，溶液的吸光度吸光度A与与溶液溶液 的浓度的浓度c 和和液层厚度液层厚度b成正比 K为常数，表示物质对光的吸收能力，与吸为常数，表示物质对光的吸收能力，与吸光物质的光物质的本性，本性，入射光的入射光的波长波长及及温度温度等因素有关，等因素有关，与浓度与浓度c无关，数值随无关，数值随c选择的单位变化选择的单位变化 2 吸光系数和摩尔吸光系数吸光系数和摩尔吸光系数 （（1）吸光系数）吸光系数aA = a c L 当当c用用g ·L-1表示，表示，L用用cm表示时，表示时，K用用a表示，表示，称为吸光系数，单位为称为吸光系数，单位为 L·g -1·cm-1 ，，则：则：（（2）摩尔吸光系数）摩尔吸光系数ε 当当c用用mol·L-1表示，表示，L用用cm表示时，表示时，K用用ε表示，表示，称为摩尔吸光系数，单位为称为摩尔吸光系数，单位为L·mol -1·cm-1。

 （（1）） εε不随浓度不随浓度c和液层厚度和液层厚度L L的改变而的改变而改变在温度和波长等条件一定时，仅与吸收改变在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；有关有关摩尔吸光系数摩尔吸光系数εε （（2）同一吸光物质在不同波长下的）同一吸光物质在不同波长下的ε值是不值是不同的在最大吸收波长同的在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，处的摩尔吸光系数，常以常以εmax表示εmax表明了该吸收物质最大限度的表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度的最大灵敏度 由于由于ε值与入射光波长有关，故表示值与入射光波长有关，故表示ε时，应时，应注明入射光波长注明入射光波长  （（3））εmax 越大表明该物质的吸光能力越强，越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高用光度法测定该物质的灵敏度越高ε <104反应灵敏度反应灵敏度低低104< ε <5×104反应灵敏度反应灵敏度中中5×104< ε <105反应灵敏度反应灵敏度高高ε >105反应灵敏度反应灵敏度超高超高 （（4））ε在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1 mol · L- 1 、、液液层厚度为层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。

时该溶液在某一波长下的吸光度 显显然然，，不不能能直直接接取取1 mol · L- 1这这样样高高浓浓度度的有色溶液去测量，而只能通过计算求得的有色溶液去测量，而只能通过计算求得 例例 有有一一浓浓度度为为1.0  g · mL - 1 Fe2+的的溶溶液液，，以以邻邻二二氮氮菲菲显显色色后后，，在在比比色色皿皿厚厚度度为为 2 cm、、波波长长510nm处处测测得得吸吸光光度度为为0.380，，计计算算(1)透透光光率率T；；(2) 吸吸光光系系数数a；；(3) 摩尔吸光系数摩尔吸光系数  解：解：（（1））T＝＝10-A＝＝10-0.380＝＝0.417 （（2））（（3）） 练练习习 现现有有25.5  g / 50 mL的的Cu2+溶溶液液，，用用双双环环已已酮草酰二腙光度法进行测定，波长酮草酰二腙光度法进行测定，波长600 nm处用处用2 cm比比色皿进行测量，测得色皿进行测量，测得T为为50.5 %，求摩尔吸光系数，求摩尔吸光系数    ( 600) = L·· mol- -1··cm- -1 解：解：A = －－lgT = ε c L  3 偏离朗伯偏离朗伯- -比耳定律的原因比耳定律的原因 cA标准曲线标准曲线正误差正误差负误差负误差 ①① 溶液本身的化学和溶液本身的化学和物理因素引起的偏离。

物理因素引起的偏离 ◆◆ 介介质质不不均均匀匀性性引引起起的的当当被被测测试试液液是是胶胶体体溶溶液液，，乳乳浊浊液液或或悬悬浮浮物物质质时时，，入入射射光光中中有有部部分分因因散散射射而而损损失，而使实测吸光度增加失，而使实测吸光度增加  ◆◆ 溶液中的化学反应引起的溶液中的溶液中的化学反应引起的溶液中的吸光物质常因离解、缔合、形成新化合物或互吸光物质常因离解、缔合、形成新化合物或互变异构等化学变化而改变其浓度，导致偏离变异构等化学变化而改变其浓度，导致偏离 ② ② 由于非单色光引起的偏离由于非单色光引起的偏离 严严格格来来说说，，朗朗伯伯—比比耳耳定定律律只只适适用用于于单单色色光光，，但但我我们们用用各各种种方方法法所所得得到到的的入入射射光光，，实实质质上上都都是是复复合合光光（（物物质质对对不不同同波波长长光光的的吸吸收收程程度度不不同同）），因而导致偏离因而导致偏离 实际工作中，实际工作中，选择吸光物质的最大吸收波选择吸光物质的最大吸收波长的光为入射光长的光为入射光  第三节第三节 分光光度计分光光度计 (1) 光源：应有足够的发射强度而且稳定，光源：应有足够的发射强度而且稳定，如钨丝灯、氘灯等。

如钨丝灯、氘灯等 (2) 单色器：采用棱镜或光栅获得单色光单色器：采用棱镜或光栅获得单色光 (3) 吸收池：比色皿，厚度有吸收池：比色皿，厚度有0.5、、1、、 2、、3 cm等 (4) 检测器：检测器：硒光电池、光电管和光电倍增管硒光电池、光电管和光电倍增管 光源光源单色器单色器检测检测系统系统吸收池吸收池 第四节第四节 分析条件选择分析条件选择 1 反应条件的选择反应条件的选择 1.1 显色反应显色反应 使试样中的被测组分与化学试剂作用生成有使试样中的被测组分与化学试剂作用生成有色化合物的反应叫色化合物的反应叫显色反应显色反应mX(待待测物测物)＋＋nR(显色剂显色剂)＝＝XmRn(有色化合物有色化合物)显色反应主要有显色反应主要有配位反应配位反应和和氧化还原反应氧化还原反应，，其中绝大多数是配位反应其中绝大多数是配位反应 1.2 对显色反应的要求对显色反应的要求 (1) 灵敏度高灵敏度高，选择，选择  较大较大(104～～105)的显色的显色反应。

避免共存组分干扰避免共存组分干扰 (2) 选择性好选择性好，显色剂只与被测组分反应显色剂只与被测组分反应 (3) 有色物组成固定有色物组成固定，如：，如： Fe3+ + 磺基水杨酸磺基水杨酸 → 三磺基水杨酸铁三磺基水杨酸铁(黄色黄色) （组成固定）（组成固定） Fe3+ + SCN - → FeSCN2+、、 Fe(SCN)2 + …… （组（组成不固定）成不固定） (4) 有色物稳定性高有色物稳定性高，其它离子干扰才小其它离子干扰才小如三磺基水杨如三磺基水杨 酸铁的酸铁的Kf =1042 ，， F- 、、H3PO4 对它无干扰对它无干扰 (5) 色差大有色化合物与显色剂之间的色差大有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大，显色时颜色变化鲜明颜色差别要大，显色时颜色变化鲜明  1.3 显色条件的选择显色条件的选择 (1) 显色剂用量，显色剂用量，适当过量。

适当过量M+R=MR c(R)Ac(R)Ac(R)A(2) 溶液的酸度溶液的酸度 a 影响显色剂的平衡浓度和颜色影响显色剂的平衡浓度和颜色 因因 ，可见增加，可见增加H+浓度，浓度，不利于显色反应且显色剂具有酸碱指示剂的不利于显色反应且显色剂具有酸碱指示剂的性质，不同的酸度下有不同的颜色性质，不同的酸度下有不同的颜色  b 影响被测金属离子的存在状态影响被测金属离子的存在状态 当溶液酸度降低时，大部分金属离子当溶液酸度降低时，大部分金属离子在水中可能形成一系列氢氧基或多核氢氧基在水中可能形成一系列氢氧基或多核氢氧基配离子若酸度更低，可进一步水解生成碱配离子若酸度更低，可进一步水解生成碱式盐或氢氧化物沉淀式盐或氢氧化物沉淀 c 影响配合物的组成影响配合物的组成 对于某些生成逐级配合物的显色反应，对于某些生成逐级配合物的显色反应，酸度不同，配合比往往不同，颜色也不同酸度不同，配合比往往不同，颜色也不同。

 要找到显色反应的适宜酸度，通常是要找到显色反应的适宜酸度，通常是经实经实验确定验确定的固定溶液中被测组分与显色剂的浓的固定溶液中被测组分与显色剂的浓度，调节不同的度，调节不同的pH值，测值，测A，，作作pH——A曲线图曲线图，，找适宜找适宜pH值  绘制吸光度绘制吸光度——温度曲线加以确定温度曲线加以确定 (4) 显色温度显色温度 (3) 显色时间显色时间 用实验方法确定配制一份显色溶液，以加用实验方法确定配制一份显色溶液，以加入显色剂的时间开始，每隔几分钟测一次吸光度，入显色剂的时间开始，每隔几分钟测一次吸光度，绘制吸光度绘制吸光度——时间曲线图，确定适宜的显色时间时间曲线图，确定适宜的显色时间  2 仪器测量条件的选择仪器测量条件的选择 (1) 入射光的波长的选择入射光的波长的选择（（545nm））K2Cr2O7-KMnO4吸收曲线吸收曲线吸收最大，吸收最大，干扰最小干扰最小(2) 吸光度计数范围的选择吸光度计数范围的选择 根根据据朗朗伯伯—比比耳耳定定律律及及误误差差传传递递公公式式可可推推出下列结果：出下列结果： 当当T=36.8% 即即 A=0.4343 时时，，浓浓度度测测量量的的相相对误差最小。

对误差最小 一般来说，适宜的吸光度范围：一般来说，适宜的吸光度范围： T=15%~65% A=0.2~0.8  3 参比溶液的选择参比溶液的选择 测吸光度时，利用参比溶液调节测吸光度时，利用参比溶液调节T=100%（（即调节仪器的零点），以消除误差即调节仪器的零点），以消除误差 (1) 溶剂参比溶剂参比 试样、试剂、显色剂均无色试样、试剂、显色剂均无色 (2) 试剂参比试剂参比 试样无色、试剂或显色剂有色试样无色、试剂或显色剂有色 (3) 试样参比试样参比 试样有色、试剂和显色剂均无色试样有色、试剂和显色剂均无色 第五节第五节 定量方法定量方法 1 单组分定量方法单组分定量方法 1.1 标准曲线法标准曲线法 配制一系列不同含量配制一系列不同含量的标准溶液，以不含被测的标准溶液，以不含被测组分的空白为参比，在相组分的空白为参比，在相同条件下，测定标准溶液同条件下，测定标准溶液的吸光度，绘制吸光度的吸光度，绘制吸光度——浓度曲线，称之为标准曲浓度曲线，称之为标准曲线。

线 cA 标准曲线标准曲线Axcxc1c2c3c4c5A1A2A3A4A5 1.2 标准对照法标准对照法 同条件下分别测定未知液与标准溶液的同条件下分别测定未知液与标准溶液的吸光度吸光度Ax和和As，，根据朗伯根据朗伯-比尔定律，应有下比尔定律，应有下式：式： 2 多组分定量方法多组分定量方法 在在多多组组分分体体系系中中如如果果各各吸吸光光物物质质之之间间无无相相互互作作用用这这时时体体系系总总的的吸吸光光度度等等于于各各个个吸吸光光物物质质的吸光度之和的吸光度之和 (a) 组分组分x、、y互不干扰，互不干扰，可分别在可分别在λλ1和和λλ2处测溶液的吸处测溶液的吸光度  (b) x干扰干扰y，而，而y对对x无干无干扰 可先在可先在λ1处测溶液吸光度，求出处测溶液吸光度，求出x 组分的浓度组分的浓度cx 再再在在λ2处处测测 （（溶溶液液吸吸光光度度）），，纯纯组组分分x和和y的的 、、 则：则：  （（c））x x、、y y相互干扰。

相互干扰  3 示差分光光度法示差分光光度法 示示差差分分光光光光度度法法：：采采用用一一个个比比被被测测试试液液浓浓度度稍稍低低的的标标准准溶溶液液作作参参比比溶溶液液，，调调节节T为为100 % （（A =0））设设参参比比溶溶液液浓浓度度为为cs，，被被测测溶溶液液浓浓度度cx，， 则：则： 两式相减：两式相减： 两溶液的吸光度差两溶液的吸光度差△△A A与浓度差与浓度差△△c c成正比 标准溶液标准溶液c1、、 c2、、c3……以c1作参比，调作参比，调A = 0 测测 c2、、c3……的的△△A，用，用△△A对对△△c作图 同条件下测同条件下测△△Ax，，从示差工作曲线中查出从示差工作曲线中查出△△cx cx = △△cx + c1△△A△△c△△Ax△△cx示差工作曲线示差工作曲线 练练习习 采采用用邻邻二二氮氮菲菲法法测测定定铁铁称称取取试试样样0.5585g，， 经经 处处 理理 后后 加加 入入 显显 色色 剂剂 ，， 定定 容容 为为50.00mL，， 用用 厚厚 度度 为为 1cm的的 比比 色色 皿皿 在在λλmax=510nm处测得吸光度处测得吸光度A=0.400。

试计算该样品中铁的百分含量如果把溶试计算该样品中铁的百分含量如果把溶液稀释一倍，透光率是多少？液稀释一倍，透光率是多少？(εε570=1.0××104 L··mol-1··cm-1，， MFe：：55.85) 解：解：A=εεcL= ωω= A= - -lgT=εεcL = - -lgTT=10-0.200=63.1%  练练习习 测测得得浓浓度度为为6μg·mL- -1 Fe3+标标准准溶溶液液的的T=60%在同一条件下，测得试样溶液的在同一条件下，测得试样溶液的T=80%，，求试样求试样Fe3+的含量（的含量（μμg··mL-1） 解：解： 根据朗伯比尔定律根据朗伯比尔定律 A= - -lgT=εcL - -lg0.60=εL·6 - -lg0.80=εεL··c c= 。