第5章紫外-可见吸收光谱法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 紫外,-,可见吸收光谱法,Ultraviolet and visible,spectrophotometry,UV-VIS,化学分析 原子吸收光谱,电分析,分析化学 原子发射光谱,仪器分析 光分析,吸光光度法,色谱分析,光分析法：,基于检测能量与待测物质作用后产生的光辐射信号或所引起的变化的分析方法。,吸光光度法,：基于物质,分子,对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。,3.1,概述,(Brief introduction),3.1.1.,光的,基本性质,1,、,光的波粒二象性,光具有波动性，又有粒子性。光是一种不连续的粒子流，亦称光子流。不同波长的光子，具有不同的能量，而且能量是量子化的。,a.,波动性：波长、频率，反射、折射、偏振,b.,粒子性：质量和动能，光电效应和电压效应。,光的波粒二象性（关系）,结论,:,一定波长的光具有一定的能量，波长越,长,(,频率越低,),，光量子的能量越低。,单色光,：具有相同能量,(,相同波长,),的光。,混合光,：具有不同能量,(,不同波长,),的光复合在,一起。,高能辐射区,射线,能量最高，来源于核能级跃迁,射线,来自内层电子能级的跃迁,光学光谱区,紫外光,来自原子和分子外层电子能级的跃迁,可见光,红外光,来自分子振动和转动能级的跃迁,波谱区,微波,来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁,无线电波,来自原子核自旋能级的跃迁,2,电磁波谱,(Electromagnetic waves),电磁辐射按波长顺序排列，称,。,射线,X,射线,紫外光,可见光,红外光,微波,无线电波,3.,光学光谱区,(,Spectral region),(,真空紫外,),远红外,中红外,近红外,可见,近紫外,远紫外,10nm,200nm,中层电子,200nm,400nm,价电子,400nm,750nm,价电子,750 nm,2.5,m,分子振动,2.5,m,50,m,分子振动,50,m,300,m,分子转动,3.2,吸光光度法,(,Spectrophotometry,),灵敏度高,：测定下限可达,10,-5,10,-6,mol/L,10,-4,%,10,-5,%,准确度,能够满足微量组分的测定要求：,相对误差,25,操作简便快速，设备简单,应用广泛,吸光光度法是基于被测物质的分子对光具有,选择性吸收,的特性而建立起来的分析方法。,3.2.1,特点,3.2.2,溶液中溶质分子对光的吸收,/nm,颜色,互补光,400-450,紫,黄绿,450-480,蓝,黄,480-490,绿蓝,橙,490-500,蓝绿,红,500-560,绿,红紫,560-580,黄绿,紫,580-610,黄,蓝,610-650,橙,绿蓝,650-750,红,蓝绿,不同颜色的可见光波长及其互补光,1.,物质对光的选择性吸收,及吸收曲线,一种物质呈现何种颜色，是与入射光的组成和物质本身的结构有关。溶液呈现不同的颜色是由溶液中的质点（离子或分子）对不同波长的光具有选择性吸收而引起的。当白光通过某一有色溶液时，该溶液会选择性地吸收某些波长,(wavelength),的光而让未被吸收的光透射过，即溶液呈现透射光的颜色，,亦即呈现的是它吸收光的,互补光,的颜色。,例如，,KMnO,4,溶液选择吸收了白光中的,绿色,(500560nm),光，与绿色光互补的紫色光因未被吸收而透过溶液，所以,KMnO,4,溶液呈现,紫色,。,吸收光谱曲线或光吸收曲线,以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。,最大吸收波长,（,maximum absorption,wavelengh,）,：,光吸收程度最大处的波长，,用,max,表示,在可见光，,KMnO,4,溶液,对波长,525 nm,附近绿色光,的吸收最强，而对紫色和,红色的吸收很弱。,max=,525 nm,。,浓度不同时，,光吸收曲线形状相同，,max,不变，吸光度不同。,525 nm,吸收曲线,(absorption spectrum),的讨论：,1,）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,最大吸收波长,(,max),2,）,同一物质不同浓度的溶液，,光吸收曲线形状相似，其最大吸收波长不变；但,在,一定波长处吸光度随溶液的浓度的增加而增大,。这个特性可作为物质定量分析的依据。,在实际测定时，只有在,max,处测定吸光度，其灵敏度最高，因此，吸收曲线是吸光光度法中选择测量波长的依据。,3,）,不同物质吸收曲线的形状和最大吸收波长均不相同。,光吸收曲线与物质特性有关，故据此可作为物质定性分析的依据。,2.,吸收光谱,产生的原理,物质分子内部,六,种运动形式：,（,1,）价电子能级跃迁,E,e,；,（,2,）,分子的振动,E,v,；,（,3,）,分子的转动,E,r,；,（,4,）,原子的核能,E,n,；,（,5,）,分子的平动能,E,t,；,（,6,）,基团间的内旋转能,E,i,。,在紫外光的照射下，,E,n,不变，,E,t,和,E,i,较小。所以，体系吸收能量而发生跃迁时：,E=,E,e,+,E,v,+,E,r,120ev 0.051ev,0.05ev,可见、紫外 红外 红外,分子的能级,三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量,E,e,(120eV),E,v,(0.051eV),E,r,(0.0050.05eV),分子的激发,(Excitation),E,=,E,2,-,E,1,=,h,量子化；选择性吸收,;,分子结构的不同使其对不同波长光的具有,选择性吸收,。,M +,h,M,*,基态,(ground state),激发态,(Excited state),E,1,E,E,2,3.2.3,光吸收基本定律,1,朗伯,-,比尔定律,（,Lambert-Beer law,）,当一束平行,单色光,通过任何,均匀,、,非散射,的固体、液体或气体介质时，一部分被吸收，一部分透过介质，一部分被器皿的表面反射。如图,6-3,所示，设入射光强度为,I,0,，,吸收光强度为,I,a,，,透过光强度为,I,t,，,反射光强度为,I,r,。,在吸光光度分析法中，试液和空白溶液分别置于同样质料及厚度的吸收池中，然后让强度为,I,0,的单色光分别通过这两个吸收池，再测量其透过光的强度。此时反射光强度基本上是不变的，且其影响可以相互抵消,。,透射比或透光度,透过光强度,I,t,与入射光强度,I,o,之比称为透射比或透光度，用,T,表示溶液的透射比愈大，表示它对光的吸收愈小,;,相反，透射比愈小，表示它对光的吸收愈大。,朗伯,(Lambert J H),和比尔,(Beer A),分别于,1760,和,1852,年研究了光的吸收与溶液层的厚度及溶液浓度的定量关系，二者结合称为朗伯,-,比尔定律，也称为光的吸收定律。,当一束强度,为,I,0,的平行单色光垂直照射到长度为,b,的液层、浓度为,c,的溶液时，由于溶液中吸光质点,(,分子或离子,),的吸收，通过溶液后光的强度减弱为,I,：,A,为吸光度,朗伯,-,比尔定律表明：当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。这是进行定量分析的理论基础。,比例常数,K,与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。,2.,摩尔吸收系数,*摩尔吸收系数,当浓度,c,用,molL,-1,，,液层厚度,b,用,cm,为单位表示，则,K,用另一符号,来表示。,称为摩尔吸收系数，单位为,Lmol,-l,cm,-1,，,它表示物质的量浓度,为,l molL,-1,，,液层厚度为,l cm,时溶液的吸光度。,摩尔吸光系数,(,),的讨论,1,）,吸收物质在一定波长（,max,）,和溶剂条件下的特征常数,，,可作为,定性鉴定的参数,max,；,2,）,不随浓度,c,和光程长度,b,的改变而改变,。,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,；,3,）,同一吸收物质在不同波长下的,值是不同的。在最大吸收波长,max,处的摩尔吸光系数，常以,max,表示。,max,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的最大灵敏度。,摩尔吸光系数,(,),的讨论,4,）,max,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。,10,5,：,超高灵敏；,=(6,10,）,10,4,：,高灵敏；,10,4,*,选择性好,，,*,组成恒定，性质稳定。,*,显色条件易于控制。,（,显色反应条件是什么？,）,3.4.1,显色反应,显色反应：将试样中被测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应。与被测组分化合成有色物质的试剂称为显色剂。,3.4.2,显色条件的选择,1,、酸度,2,、显色剂用量,3,、显色温度,4,、显色时间,5,、共存离子影响,1.,显色反应酸度（,c,M,、,c,R,等条件,一定）,pH,1,pH,仪器测量误差,浓度测量的相对误差与,T,(,或,A,),的关系,实际工作中，应控制,T,在,20,65,A,在,0.2,0.7,之间,d(TlnT)/dT,=lnT+1=0,T=0.368,例,3,已知维生素,B,12,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,B,12,的含量。,解：,A,=,a,样,bc,则,维生素,B,12,的含量,=,习题,3.,以,MnO,4,-,形式测量合金中的锰。溶解,0.500g,合金试样并将锰全部氧化为,MnO,4,-,后，将溶液稀释至,500mL,，用,1cm,比色皿在,525nm,处测得该溶液的吸光度,A,=0.400,；而,1.00,10,-4,mol,L,-1,的,KMnO,4,在相同条件下测得的,A,=0.585,。设,KMnO,4,溶液在此范围内服从光的吸收定律。试求合金试样中,Mn,的质量百分数。,M=54.94,（,0.376%,）,习题,4.,用硅钼兰法测,SiO,2,，,以含,SiO,2,0.020mg,的标样为参比，测定另一含,0.100mgSiO,2,的标准溶液，得透光度为,14.4%,，今有一未知溶液在相同条件下测得,T%=31.8%,。,求该溶液中,SiO,2,的含量。,(0.067mg),A=,bC,0,430,1.110,4,1.0CC,3.90910,-5,mol.L-1=2.18910,-3,g.L,-1,C,样,0.5/(5010,-3,),10g.L,-1,（铁）（,2.18910,-3,/10,）,100,0.02189,2,以邻二氮菲光度法测定,Fe(),，称取试样,0.500g,，经处理后，加入显色剂，最后定容为,50.0mL,，用,1.0 cm,吸收池在,510 nm,波长下测得吸光度,A,=0.430,（,510=1.110,4,L.mol,-1,.cm,-1,），计算试样中的,w,(Fe,)(,以百分数表示,),。,(,已知,M,铁,56 g.mol,-1,),3,准确称取,1.00mmol,指示剂,HIN 5,份，分别溶解于,1.0L,不同,pH,值的缓冲溶液中，用,1.0cm,比色皿在,615nm,波长处测得吸光度如下。试求该指示剂的,pKa,pH,1.00,2.00,7.00,10.00,11.00,A,0.00,0.00,0.588,0.840,0.840,pH,为,1.00,，,2.00,时，,HIN,以分子,HIN,形式存在，此时,A=0,，说明在,615nm,处,HIN,没有吸收。,pH,为,10.00,，,11.00,时，,A=0.840,，说明,HIN,已完全电离，以,IN,-,形式存在。,A=,bc,0,840,1.01.0010,-3,=840L.mol,-1,cm,-1,pH,7.00,时，,0.588=8401.0C,IN-,C,IN-,=710,-4,mol/l,C,HIN,=1.0010,-3,710,-4,310,-4,mol/l,4,有一化合物在醇溶液中,max,240nm,，其,1.710,4,Lmol,-1,cm,-1,，摩尔质量为,314.47gmol,-1,，用,1cm,比色皿测量时，试问配制什么样的浓度（,gL,-1,）范围最为合适？,最适合的吸光度范围为：,0.2,0.7,吸光系数,a,/M=1.710,4,/314.47=54Lg,-1,cm,-1,A=,bc,所以适宜的浓度范围为：,5,苯胺在,280nm,处有最大吸收，其摩尔吸收系数为,1430L.mol,-1,.cm,-1,，现欲制备一苯胺水溶液，使其透射率为,30,，吸收池厚度为,1cm,，问制备,100ml,该溶液需苯胺多少摩尔？,解：,A,lgT,lg0.3,0.523,6,甲基橙浓度是,2.010,-4,mol/L,在,520nm,处,pH,是,0.88,、,3.95,和,10.50,时测定的吸光度分别是,0.890,0.385,和,0.260,。求甲基橙的,pKa,值。,设分子式为,HL,pH=0.88,，即高酸度时，甲基橙主要以,HL,形式存在,:,HL=2.010,-4,mol/L,A=,(HL)bHL,0.890=(HL)b2.010,-4,mol/L,(HL)b,4450L/mol,pH=10.50,，即高碱度时，甲基橙主要以,L,-,形式存在,:,L,-,=2.010,-4,mol/L,A=,(L,-,)bL,-,0.260=,(L,-,)b2.010,-4,mol/L,(L,-,)b,1300L/mol,pH=3.95,时，甲基橙以,HL,与,L,-,形式存在,:HL,L-,2.010,-4,mol/L (1),A=,(HL)bHL,(L,-,)bL,-,=4450HL+1300L-,0.385(2),由（,1,）和（,2,）得：,HL,0.410,-4,mol/L,L-,1.610,-4,mol/L,pKa,=3.35,3.6,紫外,-,可见吸收光谱法的应用,3.6.1,单组份含量的测定,在选定波长下只有待测单一组分有吸收,方法：标准曲线法；标准对照法；摩尔吸收系数法,例,1,：邻二氮菲法测铁,例,2,：磷钼蓝法测磷,H,3,PO,4,+12(NH,4,)MoO,4,+21HCl (NH,4,),3,PO,4,12MoO,3,（磷钼酸铵）,+21NH,4,Cl+12H,2,O(NH,4,),3,PO,4,12MoO,3,(MoO,2,4MoO,3,)2H,3,PO,4,4H,2,O,（磷钼蓝）钼蓝的最大吸收波长为,660nm.,氯化亚锡,3.6.2,多组分含量测定,多组分体系，各组分均有吸收，则,A=A,1,+A,2,+A,3,+.+A,n,（吸光度的加和性）,例：双组份混合物,1.,吸收峰互不重叠,2.,吸收峰相互重叠,A,1,=,a1,bc,a,b1,bc,b,A,2,=,a2,bc,a,b2,bc,b,3.,双波长分光光度法定量分析,1,2,A,1,a,=,A,2,a,A,=,A,1,a+b,-,A,2,a+b,=,A,1,a,+,A,1,b,-,A,2,a,-,A,2,b,=,A,1,b,-,A,2,b,=,A,b,=,b,C,b,l,=,KC,b,等吸收双波长消去法示意图,光谱相互重叠的多组分混合物,1-,测定波长,2-,参比波长,3.6.3,配合物组成的测定,1.,摩尔比法,固定金属离子,M,浓度不变，改变配位剂,R,的浓度，得到一系列,C,R,/C,M,不同的溶液，以相应的试剂空白做参比分别测定其吸光度，得,A,与,C,R,/C,M,曲线,转折点不敏锐，由配合物解离造成！,C,R,/C,M,MRn,2.,连续变化法,保持配位剂和金属离子的物质的量之和不变，连续改变二者的相对比率，分别测定吸光度，得,A,与,C,M,/C,曲线。,只有金属离子与配位剂物质的量之比和配离子组成一致时，配合物浓度才最大,M+,nR,=,MRn,C,M,+C,R,=C,（常数）,C,M,/C,A,