第六章 分光光度法.ppt

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1、第六章 分光光度法,2,要求学生认识物质对光选择吸收的基础； 掌握朗伯比耳定律是分光光度法的定量依据； 掌握分光光度法进行定量分析原理和方法； 了解一般分光光度计的构造原理及使用方法。,本章要点,3,6-1概述 P215,比色法 吸光光度法 可见自外分光光度法红外光谱法 1.光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性,4,电磁波谱范围表 P215,5,2.吸收光谱的原理,原子吸收光谱 分子吸收光谱 吸收光谱产生的原理吸收光谱有原子吸收光谱和分子吸收光谱。原子吸收光谱是由原子外层电子选择性地吸收某些波长的电磁波而引起的。原子吸收分光光度法就是根据原子的这一性质建立起来的。,6,分子吸收光谱,分

2、子吸收光谱比较复杂。这是由分子结构的复杂性所引起的。图61是双原子分子的能级示意图。从图中可看出，在同一电子能级中有几个振动能级，而在同一振动能级中又有几个转动能级。电子能级间的能量差一般为120电子伏特(eV)。因此，由电子能级跃迁而产生吸收光谱，位于紫外及可见光部分。这种由价电子跃迁而产生的分子光谱称为电子光谱。,7,电子能级120eV （可见紫外光谱，电子光谱） 振动能级0.051eV 转动能级0.05eV （红外光谱，分子的振-转光谱）,E分子内能=E电子位能+E震动能+E转动能,8,分子吸收光谱,可见光：400-750nm 单色光：具有同一波长的光 复合光：由不同波长组成的光 白光是

3、一种复合光。 物质的颜色是因 物质对不同波长的 光具有选择性吸收 作用而产生的。,9,溶液的光吸收曲线 P216,物质的颜色与吸收光颜色的关系 互补色光(P354 ) 最大吸收波长 maxmax=525nm,max, / nm,吸收强度,10,物质颜色和吸收颜色的关系,11,12,3.分光光度法的特点,灵敏度高：常用于含量在1%10-3 %的微量组分的测定，可测10-4 10-5 % 的痕量成分。 准确度较高：Et为25% 应用广泛 操作简便,13,6.1.2光吸收的基本定律 P217,1. 朗伯比耳定律 入射光为平行单色光 透光率 T,It,b,db,I,14,1.朗伯比耳定律,吸光度具有加

4、和性。A = A1 + A2 + A3 + ,15,2. 吸光系数、摩尔吸光系数与桑德尔灵敏度 P218,吸光系数 aA=Kbc; A = abc c g.L-1;bcm; a 称为吸光系数 摩尔吸光系数A = b c c mol.L-1;bcm; 称为摩尔吸光系数,P218,16,吸光系数反应物质对光的吸收能力，也反应用吸光光度法测定该物质的灵敏度。在一定的条件下为一常数，同一物质与不同显色剂生成不同的有色化合物时具有不同的 ，值是选择显色反应的依据。,17,桑德尔灵敏度 S,桑德尔灵敏度 S就是规定仪器的检测极限为 A = 0.001时，单位截面积光程所能检测出来的吸光物质的最低含量，以

5、g.cm-2 表示。由于此时仪器的信号检测能力已经确定，则S仅与物质的吸光能力有关，S与 的关系可推导如下：,18,19,例题,已知含Cd 2+浓度为140g.L-1 的溶液，用双硫腙法测定镉，液层厚度为2cm, 在max=520nm处测定的吸光度为0.22，计算，摩尔吸光系数及桑德尔灵敏度S。,20,21,6.1.3 比色法和分光光度法及其仪器,目视比色法用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。其优点是仪器简单，操作简便，适宜于大批试样的分析。灵敏度高，因为是在复合光白光下进行测定，故某些显色反应不符合朗伯比尔定律时，仍可用该法进行测定。其主要缺点是准确度不高，标准系

6、列不能久存，需要在测定时临时配制。,P219,22,23,2.吸光光度法,吸光光度法是借助分光光度计来测量一系列标准溶液的吸光度，绘制标准曲线，然后根据被测试液的吸光度，从标准曲线上求得被测物质的浓度或含量。,24,吸光光度法与目视比色法在原理上并不完全一样。吸光光度法是比较有色溶液对某一波长光的吸收情况，目视比色法则是比较透过光的强度。例如，测定溶液中KMnO4：的含量时，吸光光度法测量的是KMnO4溶液对黄绿色光的吸收情况，目视比色法则是比较KMn04溶液透过红紫色光的强度。,25,吸光光度法的特点,吸光光度法的特点是：因入射光是纯度较高的单色光，故使偏离朗伯比尔定律的情况大为减少，标准曲

7、线直线部分的范围更大，分析结果的准确度较高。 因可任意选取某种波长的单色光，故利用吸光度的加和性，可同时测定溶液中两种或两种以上的组分。由于入射光的波长范围扩大了，许多无色物质，只要它们在紫外或红外光区域内有吸收峰，都可以用吸光光度法进行测定。,P219,26,分光光度计及其基本部件,P220,27,分光光度计的主要部件,分光光度计的基本部件有：光源、单色器、比色皿、检测器和显示装置。a光源 （钨灯、氢灯）通常用612 V钨丝灯作可见光区的光源，发出的连续光谱在360800nm范围内。光源应该稳定，即要求电源电压保持稳定。为此，通常在仪器内同时配有电源稳压器。b单色器 单色器的作用是将光源发出

8、的连续光谱分解为单色光的装置。分为棱镜和光栅。,28,单色光的获得,棱镜分光 玻璃棱镜（360-700nm）、石英棱镜（200-1000nm） 光栅分光,29,棱镜 光栅,棱镜是根据光的折射原理而将复合光色散为不同波长的单色光，然后再让所需波长的光通过一个很窄的狭缝照射到吸收池上。它由玻璃或石英制成。玻璃棱镜用于可见光范围，石英棱镜则在紫外和可见光范围均可使用。 光栅是根据光的衍射和干涉原理将复合光色散为不同波长的单色光，然后再让所需波长的光通过狭缝照射到吸收池上。它的分辨率比棱镜大，可用的波长范围也较宽。,30,c比色皿,c比色皿 也称吸收池。用于盛放试液的容器。它是由无色透明、耐腐蚀、化学

9、性质相同、厚度相等的玻璃制成的，按其厚度分为05 cm，1 cm，2 cm，3 cm和5 cm。在可见光区测量吸光度时使用玻璃吸收池，紫外区则使用石英吸收池。使用比色皿时应注意保持清洁、透明，避免磨损透光面。,31,d检测器,检测器的作用是接受从比色皿发出的透射光并转换成电信号进行测量。分为光电管和光电倍增管。光电管是一个真空或充有少量惰性气体的二极管。阴极是金属做成的半圆筒，内侧涂有光敏物质，阳极为一金属丝。光电管依其对光敏感的波长范围不同分为红敏和紫敏两种。红敏光电管是在阴极表面涂银和氧化铯，适用波长范围为6251 000nm；紫敏光电管是阴极表面涂锑和铯，适用波长范围为200625nm。

10、,32,显示装置,光电倍增管是由光电管改进而成的，管中有若干个称为倍增极的附加电极。因此，可使光激发的电流得以放大，一个光子约产生106107个电子。它的灵敏度比光电管高200多倍。适用波长范围为160700 nm。光电倍增管在现代的分光光度计中被广泛采用。e显示装置 显示装置的作用是把放大的信号以吸光度A或透射比T的方式显示或记录下来。分光光度计常用的显示装置是检流计、微安表、数字显示记录仪。,33,6.2 光度分析法的设计 P221,6.2.1显色反应 1.显色反应的选择 a.选择性好,灵敏度高(104 ) b.有色化合物的组成恒定 c.有色化合物的性质足够稳定 d.有色化合物与显色剂的颜

11、色差别“对比度”要大于60nm = ,maxR,maxMR,P221,34,2.显色剂 P222,无机显色剂 有机显色剂 a.磺基水杨酸 b.丁二酮肟 c.1，10-二氮菲 d.二苯硫腙 e.偶氮胂3 f.铬天青S g.结晶紫,35,3.多元络合物 P223-224,a.三元混配络合物 b.离子缔合物 c.金属离子络合剂表面活性剂体系 d.杂多酸,36,6.2.2 显色 条件的选择 P224,1.溶液酸度 a.影响显色剂的平衡浓度和颜色M + HR = MR + H+ 显色剂是酸碱指示剂，在不同的pH下具有不同的颜色。 b.影响金属离子的存在状态 c.影响络合物的组成 磺基水杨酸与Fe3+的显

12、色反应： pH1.82.5,48,811.5时将分别生成11（紫红），1 2（棕褐色），1 3（黄色）络合物。,P224,37,2.显色剂用量,M(被测组分)+R(显色剂) = MR(有色络合物),c,试液吸光度与显色剂浓度的关系,A,A,A,c,c,a,b,38,3.显色反应时间,4.显色反应温度 5.溶剂,39,6.干扰及其消除方法 P227,控制溶液酸度 加入掩蔽剂 利用氧化还原反应 利用校正系数 利用参比溶液 选择适当的波长 增加显色剂用量 采用适当的分离方法,40,6.2.3 测量波长和光度范围的选择,1.入射光波长的选择 最大吸收原则，吸收最大干扰最少原则。 2.控制适当的吸光度范

13、围吸光度： 0.20.8 A = bc 控制溶液浓度 选择不同厚度的比色皿,41,A,波长（nm） 图6-7 吸收曲线 a. 丁二酮镍 b. 酒石酸铁,a,b,42,6.2.4 选择适当的参比溶液 P228,参比溶液用来调节仪器的工作零点，以消除由于吸收池和溶液中某些共存物质对光的吸收、反射或散射所造成的误差。,43,参比溶液的选择,44,例如：1. 以KIO4氧化显色法测定含钴试样中的锰时，,可选用蒸馏水作参比,应选用不加显色剂的试液作参比（钴有颜色）,而在测定试样时,在用锰标准溶液作标准曲线时,45,例2. 以铬天青S为显色剂测定 时， 和等干扰离子也会显色,如果取一份试液加适量 将 掩蔽

14、后，然后按操作方法加入显色剂及其它试剂，以此溶液作参比来测量试液的吸光度时，所测到的就仅仅是 络合物的吸收了。,46,6.2.5 标准曲线的制作,作吸收光谱曲线，求出最大吸收波长 max 作待测组分的标准曲线 根据A=Kbc=K c 测出待测组分的吸光度值A，在标准曲线中查出对应的浓度c,A,c,未知物的 吸光度,未知物的 浓度,47,6.3 光度分析法的误差 P229,6.3.1对朗伯比耳定律的偏离物理因素 1.非单色光引起的偏离,a,b,A2,A1,A3,A4,1,2,3,A,正偏离,负偏离,A,c,标准曲线,非单色光的影响,48,假设入射光仅由1和2组成，其强度分别为I01 和I02 ，

15、当通过浓度为c，厚度为b的吸光物质后，透射光的强度则为I11 和I12 ，显然朗伯-比尔定律分别适用于这两种波长的光：,49,2.介质不均匀性引起的偏离 入射光一部分因散射而损失，使透射比减少，因而实测吸光度增加，使标准曲线偏向吸光度轴，正偏离。 3. 非平行入射光引起的偏离非平行入射光导致入射光程的不同，平均光程比实际光程增加，使结果产生正偏离。,50,化学因素 溶液浓度过高引起的偏离朗伯-比尔定律是建立在吸光质点间没有相互作用的前提下。当溶液浓度较高时吸光物质的分子或离子的平均距离减小，由于相互作用就会改变吸光微粒的电荷分布，从而改变它们对光的吸收能力，即改变物质的摩尔吸光系数。浓度增加这

16、种相互作用也增强，由此导致高浓度范围内不恒定而使吸光度与浓度之间的线性关系被破坏。溶液中高浓度的电解质对低浓度的吸光物质也会产生类似的影响。,51,2. 化学反应引起的偏离朗伯-比尔定律中的浓度指的是吸光物质的平衡浓度，而在实际工作中，常用吸光物质甚至待测组分的分析浓度来代替它。 a.离解 b.缔合 c. 形成新化合物 d.互变异构 破坏了其平衡浓度和分析浓度之间的关系。,52,53,吸光度与透射比的关系,0,20,10,30,40,50,60,70,80,90,100,透光度T%,吸光度A,1.0,0.7,0,0.05,0.15,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,6.3.2 吸

17、光度测量的误差 P231,54,6.3.2 吸光度测量的误差,由于c与A成正比，则测量的绝对误差dc与dA也成正比；而相对误差相等。,P231,55,透光率在什么范围具有较小的测量误差,56,浓度测定的相对误差与透光率的关系,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,10,8,6,4,2,0.368,相对标准偏差/%,相对标准偏差与透光率的关系,T,当透光率为15-65%或 吸光度为0.2-0.8时 浓度测量的相对误差 较小，透光率36.8%, 吸光度为0.434时， 测量的相对误差最小。,57,吸光度为0.434时仪器测量误差最小,58,吸光度与浓度的关系,T,C/mol.L-1,T2,T

18、1,T3,T,c,c,c,100,50,25,75,59,6.4 吸光光度法和光度分析法的应用,6.4.1 示差分光光度法 1.示差法的原理,制作A相对c标准曲线，从中查出试液的c，即可求出其浓度cx=cs+c,60,2.示差法的误差,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,0,X,61,设测量误差为x%， 在示差吸光光度法中所得结果为：,在普通吸光光度法中所得结果为：,从仪器构造上来讲，示差光度法需要一个发射强度较大的光源，才能将高浓度参比溶液光度调至零，因此必须采用专门设计的示差分光光度计，这就使其应用受到一定的限制。,62,例：用一般吸光光度测量0.001 00 m

19、ol L1锌标准溶液和含锌的试液,分别测得A=0.700和A=1.000,两种溶液的透射比相差多少?如用0.001 00 mol L1标准溶液作参比溶液,试液的吸光度是多少?与普通吸光光度法相比较,读数放大了多少倍?,63,6.4.2 多组分的同时测定如果各测定组分的吸收曲线相互重叠，则可利用吸光度的加和性用解联立方程的方法求各组分的浓度。设有两组分 x 和 y，选各自的max 为测定波长，设两组分最大吸收波长分别为1和2 分别在两波长处进行测定。 分别用纯 x或纯 y 在1和2处分别测定计算而得。,64,6.4.3 双波长吸光光度法,光源,单色器,单色器,切光器,吸收池,检测器,1.双波长吸

20、光光度法的原理,65,66,67,6.4.4 弱酸弱碱离解常数的测定,如果一种有机弱酸（碱）在紫外-可见光区有吸收，且吸收光谱与其共轭碱（酸）显著不同时，就可以方便地利用吸光度法测定它的离解常数。例如，一元弱酸在溶液中有如下理解平衡：,68,配制三种分析浓度c=HB+B相等而pH不同的溶液。第一种溶液的pH在pKa附近，此时溶液中HB与B-共存，用1cm的比色皿在一定的波长下测定其吸光度：,69,第二种溶液是pH比pKa低两个单位以上的酸溶液，此时弱酸几乎全部以HB型体存在，在上述波长下测得的吸光度为：,70,第三种溶液是pH比pKa高两个单位以上的酸溶液，此时弱酸几乎全部以B-型体存在，在上

21、述波长下测得的吸光度为：,71,72,6.4.5 络合物组成的测定,1.饱和法 固定金属离子M浓度；改变络合剂R的浓度 得到一系列R/M比值不同的溶液； 分别测其吸光度 交点处向横坐标作垂线,A,C,D,A最大,R/M,0,73,2.连续变化法 保持溶液中 cR+ cM = c (定值)； 改变cR和 cM的相对量，制备一系列溶液，测量其吸光度； 当溶液中的络合物MRn浓度最大时， cR/cM的比值为n.,74,连续变化法,A,B,A、,B、,f,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0,75,络合物的离解度及稳定常数,MR = M + R 总浓度 c 平衡浓度 c(1-) c c,76,推导证明,当f=0或1时，络合物浓度为零，表示没有络合物形成。 当f等于某一数值时，络合物的浓度达到最大值，此时,77,78,将式（5）、（6）代入式（7）中，得到,79,作业： 3 4. 7 9,