第九章 紫外—可见分光光度法.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,*,*,*,第九章 紫外可见分光光度法,（,Ultraviolet and Visible,Spectrophotometry,）,1,9.1 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,2,学习要求,1,了解物质颜色与光的吸收关系,2了解紫外可见分光光度法的仪器及测量误差和测量条件的选择,3了解显色反应及其影响因素,4熟悉紫外可见分光光度法的实际应用,5掌握朗伯比尔定律及其偏离的原因,6掌握紫外可见分光光度法的测定方法,3,9.1 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,。,4,9.1.1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2.997910,8,ms,-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6.62610,-34,JS。,5,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,-1,100,nm K,和,L,层电子,X,射线光谱法,远紫外光,10200,nm,中层电子 真空紫外光度法,近紫外光,200400,nm,外层电子 紫外光度法,可见光 400,750,nm,外层电子 比色及可见光度法,近红外光 0.752.5,m,分子振动 近红外光谱法,中红外光,2.55.0,m,分子振动 中红外光谱法,远红外光,5.01000,m,分子转动和振动 远红外光谱法,微波,0.1100,cm,分子转动 微波光谱法,无线电波,11000,m,核的自旋 核磁共振光谱法,7,9.1.2物质的颜色与光的关系,单色光,(,monochromatic light),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(,absorption spectrum),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。,KMnO,4,溶液对波长525,nm,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,KMnO,4,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。,10,E=h,v=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,11,9.2 光的吸收定律,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,I,0,，,透过光强度为,I,t,，,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：,(9-3),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,gL,-1,，,b,的单位为,cm,时，,k,以,a,表示，称为吸光系数(,absorption coefficient)，,其单位为,Lg,-1,cm,-1,，,此时式（9-3）变为,(9-5),13,如果浓度,c,的单位为,molL,-1,，b,的单位为,cm，,这时,k,常用,表示。称为,摩尔吸光系数,(,molar,absorptivity,)，,其单位为,Lmol,-1,cm,-1,，,它表示吸光质点的浓度为1,molL,-1,，,溶液的宽度为1,cm,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10,3,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10,5,10,6,。于是式（9-3）可写成为：,A=,bc,（9-6）,与,a,的关系为：,=M,a,（9-7）,式中,M,为吸光物质的摩尔质量,14,实际测定中选用参比的重要性,15,例9-1 浓度为25.0,g/50mL,的,Cu,2+,溶液，用双环已酮草酰二腙分光光度法测定，于波长600,nm,处，用2.0,cm,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,=,lg,T,=0.300，,b,=2.0cm,则根据朗伯比尔定律,A=,abc,，,而,=Ma,=64.0gmol,-1,3.0010,2,Lg,-1,cm,-1,=1.9210,4,(Lmol,-1,cm,-1,),16,例9-2,某有色溶液，当用1,cm,比色皿时，其透光度为,T,，,若改用2,cm,比色皿，则透光度应为多少？,解:,由,A,=-,lg,T,=,abc,可得,T,=10,-,abc,当,b,1,=1cm,时，,T,1,=10,-,ac,=,T,当,b,2,=2cm,时，,T,2,=10,-,2ac,=,T,2,17,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,（9-8）,c,的单位是,molL,1,，,即,mol(1000cm,3,),1,，,b,的单位是,cm，,则,cb,单位为,mol(1000cm,2,）,1,，,再乘以吸光物质摩尔质量,M,（gmol,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,18,例9-3 用氯磺酚法测定铌，50,mL,溶液中含铌50.0,g，,用2.0,cm,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,)=92.9gmol,-1,C,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,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0.01,molL,-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,Fe,3+,形成红色配合物,Fe(SCN),3,，,存在下列平衡：,Fe(SCN),3,Fe,3+,+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。,23,9.3 紫外可见分光光度计及测定方法,9.3.1分光光度计,基本构造,光源,(,light source,)：,可见分光光度计都以钨灯（3601000,nm）,作光源,。,钨灯是612,V,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150400,nm,波长的光，适用于200400,nm,波长范围的紫外分光光度法测定。,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360,700,nm，,主要用于可见分光光度计中。石英棱镜的色散波段一般在200,1000,nm，,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,(,absorption cell),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0.5,cm、1cm、2cm、3cm,和5,cm,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。,27,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。,28,分光光度计的主要类型,单光束型,29,双,光束型,30,光电二极管阵列型（,DAD),31,标准曲线法,其方法是先配制一系列浓度不同的标准溶液，用选定的显色剂进行显色，在一定波长下分别测定它们的吸光度,A,。,以,A,为纵坐标，浓度,c,为横坐标，绘制,A-c,曲线，若符合朗伯,比尔定律，则得到一条通过原点的直线，称为标准曲线。然后用完全相同的方法和步骤测定被测溶液的吸光度，便可从标准曲线上找出对应的被测溶液浓度或含量，这就是,标准曲线法,。,在仪器、方法和条件都固定的情况下，标准曲线可以多次使用而不必重新制作，因而标准曲线法适用于大量的经常性的工作。,9.3.2分光光度测定的方法,32,Blank Standard Sample Sample,33,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。,34,3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,35,例9-4 已知维生素,B,12,在361,nm,条件下,a,标,=20.7,Lg,1,cm,1,。,精确称取样品30,mg，,加水溶解稀释至1000,mL,，,在波长361,nm,下，用1.00,cm,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=,36,9.4.1 显色反应及显色剂：,这种被测元素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,（,color reaction），,所加入试剂称为,显色剂,(,color reagent)。,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,9.4 显色反应及其影响因素,37,显色反应的要求,：,选择性好,所用的显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色，或其它组分干扰少。,灵敏度要足够高,有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般应有10,4,10,5,数量级。,有色配合物的组成要恒定,显色剂与被测物质的反应要定量进行，生成有色配合物的组成要恒定。,生成的有色配合物稳定性好,即要求配合物有较大的稳定常数，有色配合物不易受外界环境条件的影响，亦不受溶液中其它化学因素的影响。有较好的重现性，结果才准确。,色差大,有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。,38,9.4.2影响显色反应的因素,显色剂的用量,显色反应一般可表示为,M+R MR,39,溶液的酸度,许多显色剂都是有机弱酸或有机弱碱，溶液的酸度会直接影响显色剂的解离程度。对某些能形成逐级配合物的显色反应，产物的组成会随介质酸度的改变而改变，从而影响溶液的颜色。另外，某些金属离子会随着溶液酸度的降低而发生水解，甚至产生沉淀，使稳定性较低的有色配合物的解离。,40,显色温度,有些反应需要加热。有些显色剂或有色配合物在较高温度下易分解褪色。此外温度对光的吸收及颜色深浅也有影响，要求标准溶液和被测溶液在测定过程中温度一致。,显色时间,显色反应有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的显色反应需放置不同的时间，并在一定的时间范围内进行比色测定,。,41,副反应的影响,例如，被测金属离子,M,与显色剂,R,反应，生成有色配合物,MR,n,，,此时，若,M,有配位效应，,R,有酸效应，影响,M,配位反应的完全程度。通常，当金属离子有99%以上被配位时，就可认为反应基本上是完全的。,共存离子的影响,吸光度增加，造成正干扰。被测组分或显色剂的浓度降低，引起负干扰。,42,9.5 紫外可见分光光度法的误差和测量条件的选择,95.1分光光度法的误差,溶液不遵守朗伯比尔定律所引起的误差,利用标准曲线的直线段来测定被测溶液的浓度，从而减少由入射光为非单色光引起的误差；也可以利用试剂空白和确定适宜的浓度范围来减少由溶液本身所引起的误差。,光度测量误差,吸光度与透光率是负对数关系，故吸光度的标尺刻度是不均匀的。一般来说透光率为20,65（吸光度为0.20.7）时，浓度测量的相对误差都不太大。这就是分光光度分析中比较适宜的吸光度范围。,43,仪器误差,比色皿的质量，检流计的灵敏度。，光源不稳定、棱镜的性能、安装条件及光电管的质量等都可以使分析产生误差。,操作误差,由分析人员所采用的实验条件与正确的条件有差别所引起的，如显色条件和测量条件掌握得不好等。,44,9.5.2分光光度法测量条件的选择,入射光波长的选择,以最大吸收波长,max,为测量的入射光波长。在此波长处，摩尔吸光系数,最大，测定的灵敏度最高。,若干扰物在,max,处也有吸收，在干扰最小的条件下选择吸光度最大的波长。有时为了消除其它离子的干扰，也常常加入掩蔽剂,。,45,吸光度读数范围的选择,透光度读数误差,T,是一个常数，但在不同的读数范围内所引起的浓度的相对误差却是不同的。因此，为了减小浓度的相对误差，提高测量的准确度，一般应控制被测液的吸光度,A,在0.2,0.7（透光度为65%,20%）。当溶液的吸光度不在此范围时，可以通过改变称样量、稀释溶液以及选择不同厚度的比色皿来控制吸光度。,46,参比溶液的选择,原则:使试液的吸光度能真正反映待测物的浓度。,利用空白试验来消除因溶剂或器皿对入射光反射和吸收带来的误差。,纯溶剂空白,当试液、试剂、显色剂均为无色时，用纯溶剂（或蒸馏水）作参比溶液。,试剂空白,试液无色，而试剂或显色剂有色时，加入相同量的显色剂和试剂,作为参比溶液。,试液空白,试剂和显色剂均无色，试液中其它离子有色时，用不加显色剂的溶液作为参比溶液,。,47,9.6 紫外可见分光光度法应用实例,应用:,测量试样微量组分,测定配合物的组成及稳定常数、弱酸的解离常数、化学反应的速率常数、催化反应的活化能等.,根据分子的紫外光谱数据判断分子的空间构型，确定分子结构。,48,9.6.1单组分含量测定,实例一,：1.1,10-二氮菲测定微量铁,该试剂能与,Fe,2+,能形成3：1的红色配离子：,max,=512nm，,为1.110,4,Lmol,1,cm,1,。,在,pH,为3,9范围内，反应能迅速完成，且显色稳定。在铁含量0.5,8,mL,1,范围内，浓度与吸光度符合朗伯比尔定律。用,pH=4.5,5.0,的缓冲液保持其酸度，并用盐酸羟胺还原其中的,Fe,3+,，,用标准曲线法进行测定。,49,实例二,：磷钼蓝法测定全磷,用浓硫酸和高氯酸（,HClO,4,）,处理样品，使磷的各种形式转变为,H,3,PO,4,，,然后在,HNO3,介质中，,H,3,PO,4,与（,NH,4,）,2,MoO,4,反应形成磷钼黄杂多酸，反应如下：,H,3,PO,4,+12(NH,4,),2,MoO,4,+21HNO,3,=(NH,4,),3,PO,4,12MoO,3,+12NH,4,NO,3,+12H,2,O,用适当的还原剂如维生素,C,将其中的,Mo(VI),还原为,Mo(V)，,即生成蓝色的磷钼蓝，其最大吸收波长为,max,=660nm，,用标准曲线法可测得样品的全磷含量,。,50,9.6.2多组分含量测定,溶液的总吸光度等于各组分的吸光度之和：,A=A,1,+A,2,+A,3,+A,n,吸收峰互不重叠,A、B,两组分的吸收峰相互不重叠，则可分别在处用单组分含量测定法测定组分,A,和,B。,51,吸收峰相互重叠,A、B,两组分的吸收峰相互重叠，可分别在和处测出,A、B,两组分的总吸光度,A,1,和,A,2,，,然后根据吸光度的加和性列联立方程：,在 处，,在 处，,式中 分别为,A,和,B,在波长 处的摩尔吸光系数,分别为,A,和,B,在 波长 处的摩尔吸光系数,52,双波长分光光度法,53,导数分光光度法,54,导数分光光度法的应用,导数分光光度法分辨两个紫外光谱相近组份图例,55,导数光谱消除宽背景吸收干扰图例,56,9.6.3配合物组成的测定,物质的量比法,固定一种组分如金属离子,M,的浓度，改变配位剂,R,的浓度，分别测定其吸光度。以吸光度,A,为纵坐标，配位剂与金属离子的浓度比值为横坐标作图。当金属离子全部被配位剂配合后，再增加配位剂，其吸光度亦不会增加了，利用外推法可得一交叉点,D，D,点所对应的浓度比值就是配合物的配合比。,57,连续变化法,设配位反应为,M+,nR MR,n,M,为金属离子，,R,为配合剂。并设,c,M,和,c,R,为溶液中,M,和,R,两组分的浓度，,c,M,+,c,R,=,c,0,（,常数）,金属离子和配位剂的物质的量分数分别为：,配制一系列不同,x,M,（,或,x,R,）,值的溶液，溶液中配合物浓度随,x,M,而改变，当,x,M,（,或,x,R,）,与形成的配合物组成相当时，即金属离子和配位剂物质的量之比和配合物组成一致时，配合物的浓度最大。根据与最大吸光度对应的,x,值，即可求出,n。,58,59,9.6.4 紫外分光光度法定性分析简介,比较吸收光谱曲线法：,不饱和有机化合物（特别是含共轭体系的有机化合物）既含有未共享的,n,电子又含有,电子，其中的,*,跃迁吸收谱带和,n-*,跃迁吸收谱带属于紫外可见特征吸收光谱。,可以将在相同条件下测得的未知物的吸收光谱与标准谱图进行比较来作定性分析。如果吸收光谱的形状，包括吸收光谱的 、吸收峰的数目、位置、拐点以及等完全一致，则可以初步认为是同一化合物,。,60,山梨酸标样,苯甲酸标样,雪碧样品,61,有机化合物构型构象的判断,有机化合物构型确定图例,62,紫外标准光谱图及有关手册,“,Sadtler,Standard Spectra(Ultraviolet)”,Heyden,London,1978.,“Ultraviolet Spectra of Aromatic Compounds”,Wiley,New York,1951.,“Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra of Organic Compounds”,New York,Plenum,1967,“,Oranic,Electronic Spectral Data”,利用标准图谱定性,63,利用,Woodward-,Fieser,规则和,Scott,规则定性,根据,Woodward-,Fieser,规则和,Scott,规则来计算最大吸收波长，并与实验值进行比较，来确认物质的结构。,Woodward-,Fieser,规则是计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物 的经验规则。该规则主要以类丁二烯结构作为母体得到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体上的不同取代基以及其他结构因素加以修正，得到一个化合物的 总值。用,Scott,规则来计算芳香族羰基衍生物和取代苯的 。其方法类似于,Woodward-,Fieser,规则。,64,