無機(jī)及分析化學(xué) 教學(xué)課件 ppt 作者 劉玉林 劉宜樹 王傳虎 主編第10章吸光光度法

1、1,無機(jī)及分析化學(xué)第10章 吸光光度法,2,第10章 吸光光度法,吸光光度法——基于物質(zhì)對(duì)光選擇性吸收而建立起來的分析方法。 在選定波長(zhǎng)下，被測(cè)溶液對(duì)光的吸收程度與溶液中的吸光物質(zhì)的濃度成正比。 被利用的光波范圍有紫外，可見和紅外光區(qū)。 主要應(yīng)用于測(cè)定試樣中微量組分的含量，與化學(xué)分析法相比，具有靈敏度高、準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)便快速、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。,10.1.1 光的基本性質(zhì),光的傳

2、播速度:,具有的能量：,10nm~200nm,780 nm~ 2.5 ?m,2.5 ?m ~ 50 ?m,50 ?m ~300 ?m,波動(dòng)性,粒子性,200 nm~400nm,400 nm~780nm,（1）靈敏度高：,10-5~10-6，10-7~10-8，10-10 mol·L-1,（2）準(zhǔn)確度高：,比色分析，相對(duì)誤差5~10%，,分光光度法，2~5%；,（4）應(yīng)用廣泛：,可測(cè)定絕大多數(shù)無機(jī)物和許多有機(jī)物。,（

3、3）操作簡(jiǎn)便快速；,10.1.2 分光光度法的特點(diǎn),無色或淺色組分續(xù)顯色后分析。,（1）吸收光譜曲線,測(cè)量某種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的吸收程度，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，得到的一條吸收光譜曲線。,用途：,①進(jìn)行定性分析；,②選擇吸收波長(zhǎng),③判斷干擾情況。,10.1.3 紫外-可見吸收光譜的形成,圖10.1 溶液吸收曲線,（2）紫外-可見吸收光譜的形成,分子、原子或離子具有不連續(xù)的量子化能級(jí)。分子的量子化

4、能級(jí)較原子復(fù)雜，既有電子能級(jí)，也有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。,任意兩個(gè)能級(jí)間的能量差為,在光照射到某物質(zhì)時(shí)，如光子的能量(hν)與物質(zhì)分子、離子的某兩個(gè)的能量差(ΔE=E2-E1)相等時(shí)且遵循一定的選律時(shí)，物質(zhì)分子就會(huì)吸收光子，發(fā)生能級(jí)躍遷，由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)：,,（2）紫外-可見吸收光譜的形成,被激發(fā)的粒子約在10-8s后又回到基態(tài)，并以熱或熒光等形式釋放出能量。 不同物質(zhì)由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級(jí)，其能量差也不相

5、同，所以物質(zhì)對(duì)光的吸收是選擇性的。,在電子能級(jí)變化時(shí)，不可避免地伴隨著分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的變化這就使得分子光譜通常呈寬峰狀的帶光譜。 電子躍遷能級(jí)差一般為1~10eV，相當(dāng)于紫外-可見光的能量，所以電子能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜位于紫外、可見光區(qū)。（200~780nm）。,不同顏色的可見光波長(zhǎng)及其互補(bǔ)光,10.1.4 物質(zhì)有色的原因,如果兩種適當(dāng)顏色的光按一定的強(qiáng)度比例混合可以得白光，這兩種光就叫互為補(bǔ)色光。物質(zhì)呈現(xiàn)的顏

6、色和吸收的光顏色之間是互補(bǔ)關(guān)系。,10.1.4 物質(zhì)有色的原因,物質(zhì)的顏色是由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇性的吸收作用而產(chǎn)生的。,例：硫酸銅溶液吸收白光中的黃色光而呈藍(lán)色； 高錳酸鉀溶液因吸白光中的綠色光而呈紫色。,物質(zhì)的顏色由透過光的波長(zhǎng)決定。即,物質(zhì)的顏色與其選擇吸收的光的顏色成互補(bǔ)關(guān)系。,It,Ir,Ia,,,,,,b,c,10.2 光吸收的基本定律,10.2.1 透光度和吸光度,當(dāng)一束平行單色光通過任何

7、均勻、非散射的固體、液體或氣體介質(zhì)時(shí)，一部分被吸收，一部分透過介質(zhì)，一部分被器皿的表面反射則它們之間的關(guān)系為：,I0 = Ia + It + Ir,Ir基本不變，其影響可以用同樣材質(zhì)和厚度的比色皿(參比皿)相互抵消，故上式可簡(jiǎn)化為：,I0 = Ia + It,透光率T——透過光的強(qiáng)度It與入射光的強(qiáng)度I0之比為透光率（也稱透光度、透射比）,物質(zhì)對(duì)光的吸收程度可用透光率和吸光度表示。,10.2.1 透光度和吸光度,吸光度A ——物質(zhì)對(duì)光

8、的吸收程度（吸收光的強(qiáng)度）。,吸光度A與透光率T的關(guān)系為：,或： T = 10-A,溶液的透光率越小，吸光度越大，表明溶液對(duì)光的吸收越強(qiáng)。,10.2.1 透光度和吸光度,10.2.2 朗伯-比爾定律,朗伯—比耳定律(光的吸收定律)：,A = abc,A為吸光度，量綱為1，b為液層厚度，即光程長(zhǎng)度，為比色皿的內(nèi)寬，常以cm為單位，c為溶液濃度，單位g ? L-1，a為吸光系數(shù)，單位L ? g-1 ? cm-1 。,朗伯

9、(Lambert)于1760年： A∝b,比耳(Beer) 1852年：A ∝c,當(dāng)c的單位為mol ? L-1時(shí)，吸光系數(shù)稱為摩爾吸光系數(shù)，用ε表示，單位為L(zhǎng) ? mol-1 ? cm-1。朗伯比爾定律表示為：,ε是吸光物質(zhì)在特定波長(zhǎng)下的特征常數(shù)，它與入射光波長(zhǎng)、溶液的性質(zhì)以及溫度等因素有關(guān)，而與溶液的濃度及液層厚度無關(guān)，通常所說某物質(zhì)的摩爾吸光系數(shù)是指在最大吸收波長(zhǎng)處的摩爾吸光系數(shù)εmax。,?值越大，表示該吸光物質(zhì)對(duì)此波長(zhǎng)光的吸收

10、能力越強(qiáng)，顯色反應(yīng)越靈敏，通常用于吸光光度分析的ε＞104 L ? mol-1 ? cm-1,?與a的關(guān)系為：,朗伯-比爾定律不僅適用于溶液，也適用于均勻非散射的氣體和固體；不但適用于可見光區(qū)，也適用于紫外和紅外光區(qū)。,若溶液中含有兩種或兩種以上的吸光物質(zhì)，且各物間無相互作用，則測(cè)得的吸光度為各種吸光物質(zhì)吸光度之和。,如溶液中含有n種物質(zhì)，對(duì)波長(zhǎng)為λ的光均有吸收，則,A = AA + AB + ……. + An,10.2.3 吸光度的

11、加和性,在多組分的光度分析法中，就是以此為理論基礎(chǔ)。,10.2.4 對(duì)朗伯-比爾定律的偏離,但在實(shí)際工作中，特別是當(dāng)溶液濃度較高時(shí)，往往會(huì)偏離線性而發(fā)生彎曲。,定量分析時(shí)，通常液層厚度是相同的，按照比爾定律，濃度與吸光度之間的關(guān)系應(yīng)該是一條通過直角坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，稱工作曲線或標(biāo)準(zhǔn)曲線。,朗伯一比爾定律只對(duì)一定波長(zhǎng)的單色光才能成立，但在實(shí)際工作中，入射光是具有一定波長(zhǎng)范圍的。,1. 非單色入射光引起的偏離,為克服非單色光引起的偏離：①應(yīng)

12、選擇比較好的單色器；②入射光波長(zhǎng)選定在待測(cè)物質(zhì)的ε較大且吸收曲線較平坦處；③稀溶液。,10.2.4 對(duì)朗伯-比爾定律的偏離,2. 化學(xué)因素,高濃度引起的偏差。 朗伯-比耳定律假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用，實(shí)驗(yàn)證明，這種假定只有在稀溶液時(shí)才基本符合。朗伯-比耳定律只適用于稀溶液。 當(dāng)溶液濃度c >10-2mol·L-1時(shí)，吸光質(zhì)點(diǎn)間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對(duì)光的吸收。,

13、10.2.4 對(duì)朗伯-比爾定律的偏離,3. 介質(zhì)不均勻引起的偏離,朗伯—比爾定律只適用于均勻溶液。入射光通過不均勻的膠體溶液、乳濁液或懸浮液時(shí)，散射使透光率減少（均勻溶液沒有散射），所測(cè)吸光度增大，導(dǎo)致對(duì)朗伯—比爾定律的正偏離 。,為了避免產(chǎn)生對(duì)朗伯-比爾定律的偏離，測(cè)定時(shí)需注意：,①選擇ε較大且吸收曲線較為平坦的光作為測(cè)定用光，通常選 ；,②合適濃度范圍(線性范圍內(nèi))；,③嚴(yán)格控制顯色反應(yīng)條件。,10.3 分光光度計(jì)的

14、基本部件,主要部件,（1）光源 ——發(fā)射出一定波長(zhǎng)范圍的連續(xù)光譜。 可見光區(qū)通常用6～12V的鎢絲燈，其發(fā)射波長(zhǎng)為360～1100nm；在近紫外區(qū)，常采用氫燈或氘燈作為光源，其光波范圍為200～375nm。,（2）單色器 ——將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為各種波長(zhǎng)的單色光的裝置。,它是分光光度計(jì)的核心部件。單色器的色散能力越強(qiáng)，分辨率越高，所獲得的單色光就越純。單色器由色散元件及其附件組成。,常用的色散元件為棱鏡和光柵。

15、,10.3 分光光度計(jì)的基本部件,注意：為減少光的損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向。吸收池要配套使用，因?yàn)槲粘夭牧系谋旧砦馓卣饕约拔粘氐墓獬涕L(zhǎng)度的精度等對(duì)分析結(jié)果都有影響。,（3）吸收池（比色皿）,功能：用于盛放試樣， 完成樣品中待測(cè)試樣對(duì)光的吸收。,常用的吸收池：石英（紫外區(qū)） 玻璃（可見區(qū)）吸收池：0.5cm、1.0cm 、2.0cm、3.0cm、5.0c

16、m等。,(4)檢測(cè)系統(tǒng)（檢測(cè)器）,包括光電轉(zhuǎn)換元件和指示器，利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、硒光電池和光電倍增管等。,(5)顯示系統(tǒng)（顯示器）,通過檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制，將電流值轉(zhuǎn)換成透光度T和吸光度A。,10.3 分光光度計(jì)的基本部件,顯色反應(yīng)：將待測(cè)組分轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩衔锏姆磻?yīng)。,顯色劑：與待測(cè)組分形成有色化合物的試劑。,10.4 顯色反應(yīng)和顯色反應(yīng)條件的選擇,10.4

17、.1 對(duì)顯色反應(yīng)的要求,對(duì)顯色反應(yīng)的要求：P252,（1）選擇性好，干擾少，或干擾容易消除；,（2）靈敏度足夠高:,（3）有色化合物的組成恒定，符合一定的化學(xué)式，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。,（4）顯色劑和有色化合物之間的顏色差別要大，即顯色劑在測(cè)定波長(zhǎng)處無明顯吸收。一般要求有色化合物與顯色劑的“對(duì)比度”在60nm以上。,（5）顯色反應(yīng)的條件要易于控制。如果條件要求過于嚴(yán)格，難以控制，測(cè)定結(jié)果的再現(xiàn)性就差。,對(duì)顯色反應(yīng)的要求：,待測(cè)組分,顯色劑,

18、有色配合物,10.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇,1. 顯色劑R用量,,在吸光度最大且平穩(wěn)的濃度范圍內(nèi)選擇顯色劑的用量。,2. 酸度,酸度對(duì)顯色反應(yīng)的影響很大。必須通過實(shí)驗(yàn)確定適宜的酸度范圍。,在吸光度較大而又恒定的平坦部分是適宜的酸度范圍。,10.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇,3. 顯色時(shí)間,時(shí)間對(duì)顯色反應(yīng)的影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面它反映了顯色反應(yīng)速度的快慢，另一方面它又反映了有色化合物的穩(wěn)定性。,反應(yīng)速率穩(wěn)定且顯色配合物又很穩(wěn)定的平

19、坦部分是適宜的時(shí)間范圍。,10.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇,一般在室溫，有時(shí)需加熱，通過實(shí)驗(yàn)確定。,4. 溫度,5. 干擾的消除,① 控制適當(dāng)?shù)娘@色條件?！　⊥ǔＪ抢蔑@色劑的酸效應(yīng)來控制。② 掩蔽③ 化學(xué)分離④ 選擇合適的波長(zhǎng)?、?選擇合適的參比溶液,10.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇,原則：①一般選擇在顯色物質(zhì)的吸收峰λmax處。 ②當(dāng)波長(zhǎng)有干擾時(shí)，可選擇靈敏度較高（ε值較大），干擾較小且此波長(zhǎng)范

20、圍吸收曲線較為平坦（ε值變化較?。┎ㄩL(zhǎng)的光作為測(cè)定用光。,10.5 吸光度測(cè)量條件的選擇,10.5.1 入射光波長(zhǎng)的選擇,如用1-亞硝基-2-萘酚-3,6磺酸顯色分析鈷時(shí)，圖中A為MRn，B為R的吸收曲線。在420nm處均有最大吸收。,一般選擇500nm波長(zhǎng)作為測(cè)定用光,10.5.2 參比溶液的選擇,因反射，以及試劑、溶劑等對(duì)光的吸收會(huì)造成透過光的減弱，為此需采用同套的比色皿盛放參比溶液(參比皿)，調(diào)節(jié)儀器(光亮調(diào)節(jié)器)使參比皿

21、的吸光度為零(A參比=0)。 此時(shí)測(cè)得溶液的吸光度為：A = lg ( I0/I ) ≈ lg ( I參比 / I試液 ) 即吸光度的測(cè)量實(shí)際上是以通過參比皿的光強(qiáng)度為入射光強(qiáng)度。這樣測(cè)得的吸光度比較真實(shí)地反映了待測(cè)物質(zhì)對(duì)光的吸收程度。,10.5.2 參比溶液的選擇,1、純?nèi)軇ㄕ麴s水）,試液、顯色劑均無色時(shí)，用純?nèi)軇ㄕ麴s水）作參比；,2、試劑空白,顯色劑有色時(shí)，用不加試樣溶液的試劑空白作參比；,

22、10.5.2 參比溶液的選擇,4、褪色空白,顯色劑和試液均有色時(shí)，加一掩蔽劑掩蔽被測(cè)組分，以此溶液作參比。,3、試液空白,試液中有其它有色離子時(shí)，用不加顯色劑的被測(cè)液作參比；,原則：使試液的吸光度真正反映待測(cè)物的濃度。,（1）,（2）,10.5.3 吸光度測(cè)量范圍的選擇,以有限值表示：,式中： 為濃度測(cè)量的相對(duì)誤差； 為透光度測(cè)量的絕對(duì)誤差。,一般光度計(jì)ΔT 約為±0.2%~ ±2%。假定ΔT=

23、± 0.5%，當(dāng)T=70%～10% , A=0.15～1.0 時(shí)，Δc/c = ±(1.4~2.2)%。,上式導(dǎo)數(shù)為零，求出當(dāng)T=0.368(A=0.434)時(shí), 濃度測(cè)量相對(duì)誤差最小。,適宜測(cè)量范圍: T=70%～10% , A=0.15～1.0,10.5.3 吸光度測(cè)量范圍的選擇,ΔT=0.5%時(shí)濃度測(cè)量相對(duì)誤差曲線,可通過改變吸收池厚度或待測(cè)液濃度，使吸光度讀數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)。,分光光度法分析的一般步驟：

24、（1）根據(jù)待測(cè)組分及共存組分性質(zhì)選擇合適的顯色反應(yīng)（顯色劑）；（2）由試液性質(zhì)及參比溶液的選擇原則選擇參比溶液；（3）作吸收曲線實(shí)驗(yàn)，由吸收曲線、共存組分性質(zhì)及測(cè)定用光選擇原則選擇測(cè)定用光；（4）通過顯色反應(yīng)條件試驗(yàn)確定適宜的顯色條件；（5）配制樣品溶液及標(biāo)準(zhǔn)系列，測(cè)定各溶液的吸光度，作工作曲線，由曲線求得cx 。,測(cè)定時(shí)需注意：①待測(cè)溶液的吸光度應(yīng)在適宜讀數(shù)范圍內(nèi)，0.15~1.0；②待測(cè)組分濃度在標(biāo)準(zhǔn)系列濃度范圍內(nèi)。

25、若試樣測(cè)定方法有國標(biāo)，可直接參照國標(biāo)方法進(jìn)行測(cè)定。,10.6 分光光度法的應(yīng)用,10.6.1 定性分析,選擇合適的溶劑(非極性)，使用有足夠純度單色光的分光光度計(jì)，在相同的條件下測(cè)定相近濃度的待測(cè)試樣和標(biāo)準(zhǔn)品的溶液的吸收光譜，然后比較二者吸收光譜特征、吸收峰數(shù)目及位置、吸收谷及肩峰所在的位置等；分子結(jié)構(gòu)相同的化合物應(yīng)有完全相同的吸收光譜。,分光光度法在定性分析方面的效果不是很好，一般做的是確定樣品是不是某物質(zhì)或是不是含有某物質(zhì)。,

26、10.6.2 定量分析,1. 單組分定量分析方法,(1) 標(biāo)準(zhǔn)曲線法,① 配制標(biāo)準(zhǔn)系列及樣品發(fā)色 （濃度范圍覆蓋待測(cè)溶液的濃度）。② 測(cè)定溶液的吸光度 。③ 作圖(工作曲線或標(biāo)準(zhǔn)曲線) A-c ，由工作曲線可求得cx 。,,(1) 標(biāo)準(zhǔn)曲線法,標(biāo)準(zhǔn)曲線法是光度分析中一種重要的具體定量測(cè)定方法，也是儀器分析中普遍采用的一種重要方法。,(2) 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照

27、法,As = εbcs,Ax = εbcx,已知試樣溶液基本組成，配制相同介質(zhì)、相近濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)液，在同樣條件下，分別測(cè)定吸光度，然后計(jì)算可得待測(cè)溶液的濃度。,此方法操作簡(jiǎn)單，但誤差較大。,1. 單組分定量分析方法,(3) 標(biāo)準(zhǔn)加入法,（1）測(cè),根據(jù)A加合性,（3）測(cè),則,（4）,已知試樣溶液基本組成，但難于配制相同介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)溶液。,（2）加少量高濃度待測(cè)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)溶液，不測(cè),此方法可減小由于介質(zhì)的不同所引起的誤差。,1. 單組

28、分定量分析方法,（1）吸收光譜不重疊：,同單組分,2. 多組分定量分析,（2）吸收光譜重疊：,利用吸光度具有加和性，列方程求解。,吸收光譜不重疊 部分重疊 吸收光譜重疊,【例10-2】用1cm比色皿在分光光度計(jì)上測(cè)定H2SO4介質(zhì)中的吸光物質(zhì)KMnO4和K2Cr2O7，測(cè)定得如下數(shù)據(jù)：,試計(jì)算未知試樣中的KMnO4和K2Cr2O7濃度。,解 未知試樣中的KMnO4為cMn，K

29、2Cr2O7濃度為cCr。先分別計(jì)算出各波長(zhǎng)下的 ε,,,續(xù)【例10-2】,10.6.3 酸堿解離常數(shù)的測(cè)定,HL H++L-,設(shè)在某波長(zhǎng)下，酸HL和堿L- 均有吸收,,,測(cè)定方法：配制一系列總濃度相同，而pH不同的HL溶液（酸性區(qū)~堿性區(qū)），測(cè)定各溶液的吸光度和pH，由計(jì)算或作圖的方法即可求得。,AHL ——弱酸全部以HL型體存在時(shí)的吸光度 ； AL ——弱酸全部以L-型體存在時(shí)的吸光度； —

30、—兩者共存時(shí)的某一點(diǎn)。,,【例10-3】 準(zhǔn)確稱取1.00mmol的指示劑于100mL容量瓶中溶解并定容。取該溶液2.50mL5份，分別調(diào)至不同pH并定容至25.0mL，用1.0cm吸收池在650nm波長(zhǎng)下測(cè)得如下數(shù)據(jù)：pH： 1.00 2.00 7.00 10.00 11.00 A ：0.0000 0.00000 0.588 0.840 0.840 計(jì)

31、算在該波長(zhǎng)下HIn及In-的摩爾吸光系數(shù)和該指示劑的pKa。,,解（1）已知：AL-=0.840；AHL=0.00 ； pH=7.00時(shí)， A=0.588,,（2）,10.6.4 配合物組成的測(cè)定,摩爾比法：,常使用于離解度小，組成比高的配合物。,固定金屬離子濃度cM而逐漸改變配位體濃度cL，測(cè)定一系列cM一定、cL不同的溶液的吸光度。以吸光度A為縱坐標(biāo)，cL/cM為橫坐標(biāo)作圖。,Ｍ