第十章紫外-可見分光廣度法

1第十章比色法和分光光度法10.1概述10.2光吸收的基本定律10.3比色法和分光光度法及其儀器10.4顯色反應(yīng)與顯色條件的選擇10.5分光光度法儀器測量誤差及其消除10.6分光光度法的某些應(yīng)用無機及分析化學第十章比色法和分光光度法210.1概述10.1.1

光的基本性質(zhì)10.1.2物質(zhì)的顏色與光的關(guān)系無機及分析化學第十章比色法和分光光度法3分光光度法是基于物質(zhì)分子對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。按物質(zhì)吸收光的波長不同，可分為可見分光光度法、紫外分光光度法及紅外分光光度法。特點：靈敏度較高（1~10·L-1），適用于微量組分的測定。但相對誤差較大（2~5%）。具有操作方便、儀器設(shè)備簡單、靈敏度和選擇性較好等優(yōu)點，為常規(guī)的儀器分析方法。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法410.1.1 光的基本性質(zhì)

光是一種電磁波。所有電磁波都具有波粒二象性。光的波長、頻率與光速c的關(guān)系為： （9-1）光速在真空中等于2.9979×108m·s-1。光子的能量與波長的關(guān)系為：

（9-2）式中E為光子的能量；為頻率；h為普朗克常數(shù)，為6.626×10-34J·S。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法5電磁波譜無機及分析化學第十章比色法和分光光度法6表10-1電磁波譜范圍表光譜名稱 波長范圍 躍遷類型分析方法 X射線10-1~100nmK和L層電子X射線光譜法遠紫外光10~200nm中層電子真空紫外光度法近紫外光200~400nm外層電子紫外光度法可見光400~750nm外層電子比色及可見光度法近紅外光0.75~2.5m分子振動近紅外光譜法中紅外光2.5~5.0m分子振動中紅外光譜法遠紅外光5.0~1000m分子轉(zhuǎn)動和振動遠紅外光譜法微波0.1~100cm分子轉(zhuǎn)動微波光譜法無線電波1~1000m核的自旋核磁共振光譜法無機及分析化學第十章比色法和分光光度法710.1.2

物質(zhì)的顏色與光的關(guān)系單色光(monochromaticlight)只具有一種波長的光混合光由兩種以上波長組成的光。白光是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各種色光按一定比例混合而成的。物質(zhì)的顏色是由于物質(zhì)對不同波長的光具有選擇性的吸收作用而產(chǎn)生的。例如：硫酸銅溶液因吸收白光中的黃色光而呈藍色；高錳酸鉀溶液因吸白光中的綠色光而呈紫色。因此，物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色和吸收的光顏色之間是互補關(guān)系。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法8

如果把兩種適當顏色的光按一定的強度比例混合也可以得白光，這兩種光就叫互補色光。如果吸收光在可見區(qū),吸收光的顏色與透過光的顏色為互補關(guān)系,物質(zhì)呈現(xiàn)透過光的顏色。如果吸收光在紫外區(qū)，則物質(zhì)不呈現(xiàn)顏色光的互補性與物質(zhì)的顏色無機及分析化學第十章比色法和分光光度法9吸收光譜(absorptionspectrum)或吸收曲線

測定某種物質(zhì)對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖。KMnO4溶液對波長525nm附近的綠色光吸收最強，而對紫色光吸收最弱。光吸收程度最大處的叫做最大吸收波長，用max表示。不同濃度的KMnO4溶液所得的吸收曲線都相似，其最大吸收波長不變，只是相應(yīng)的吸光度大小不同。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法10E=h?r=h(C/)分子的吸收光譜是與其相應(yīng)的電子能級特征相關(guān)的。同時也與振動和轉(zhuǎn)動能級有關(guān)。分子的光吸收機理

無機及分析化學第十章比色法和分光光度法1110.2光的吸收定律—Lambert-beer定律10.2.1 朗伯—比爾定律10.2.2偏離朗伯一比爾定律的原因無機及分析化學第十章比色法和分光光度法1210.2.1 朗伯—比爾定律當一束平行的單色光照射到有色溶液時，光的一部分將被溶液吸收，一部分透過溶液，還有一部分被器皿表面所反射。設(shè)入射光強度為I0，透過光強度為It，溶液的濃度為c，液層寬度為b，經(jīng)實驗表明它們之間有下列關(guān)系：A為吸光度，k為比例系數(shù)無機及分析化學第十章比色法和分光光度法13透光度、吸光度與溶液濃度及液層寬度的關(guān)系（14-4）溶液濃度與寬度的乘積與吸光度成正比，而不是與透光度成正比。以上兩式中k是比例系數(shù)，與入射光波長、溶液的性質(zhì)及溫度有關(guān)。當入射光波長和溶液溫度一定時，k代表單位濃度的有色溶液放在單位寬度的比色皿中的吸光度.。當c的單位為g·L-1，b的單位為cm時，k以a表示，稱為吸光系數(shù)(absorptioncoefficient)，其單位為L·g-1·cm-1，此時式（14-3）變?yōu)?/p>

無機及分析化學第十章比色法和分光光度法14

如果濃度c的單位為mol·L-1，b的單位為cm，這時k常用表示。稱為摩爾吸光系數(shù)(molarabsorptivity)，其單位為L·mol-1·cm-1，它表示吸光質(zhì)點的濃度為1mol·L-1，溶液的寬度為1cm時，溶液對光的吸收能力。值越大，表示吸光質(zhì)點對某波長的光吸收能力愈強，故光度測定的靈敏度越高。值在103以上即可進行分光光度法測定，高靈敏度的分光光度法可達到105~106。于是式（9-3）可寫成為：

A=εbc

（9-6）ε與a的關(guān)系為：

ε=Ma（9-7）式中M為吸光物質(zhì)的摩爾質(zhì)量無機及分析化學第十章比色法和分光光度法15實際測定中選用參比的重要性無機及分析化學第十章比色法和分光光度法16例10-1濃度為25.0g/50mL的Cu2+溶液，用雙環(huán)已酮草酰二腙分光光度法測定，于波長600nm處，用2.0cm比色皿測得T=50.1%，求吸光系數(shù)a和摩爾吸光系數(shù)。已知M(Cu)=64.0。解:已知T=0.501，則A=－lgT=0.300，b=2.0cm,

則根據(jù)朗伯—比爾定律A=abc，而ε=Ma=64.0g·mol-1×3.00×102L·g-1·cm-1=1.92×104(L·mol-1·cm-1)無機及分析化學第十章比色法和分光光度法17例10-2

某有色溶液，當用1cm比色皿時，其透光度為T，若改用2cm比色皿，則透光度應(yīng)為多少？解:由A=-lgT=abc可得

T=10-abc

當b1=1cm時，T1=10-ac=T

當b2=2cm時，T2=10-2ac=T2無機及分析化學第十章比色法和分光光度法18桑德爾（San-dell）靈敏度S:當儀器所能測出最小吸光度A=0.001時，單位截面積光程內(nèi)所檢測出來的吸光物質(zhì)的最低量，單位是ug·cm-2。S和的關(guān)系推導如下：A=0.001=cb

，故

c的單位是mol·L－1，即mol·(1000cm3)－1，b的單位是cm，則cb單位為mol·(1000cm2）－1，再乘以吸光物質(zhì)摩爾質(zhì)量M（g·mol－1）就是單位截面積光程內(nèi)吸光物的質(zhì)量，即為S，所以將（9-8）式中的bc代入得無機及分析化學第十章比色法和分光光度法19例10-3用氯磺酚法測定鈮，50mL溶液中含鈮50.0μg，用2.0cm比色皿測得吸光度為0.701，求桑德爾靈敏度。解:

已知A=0.701，b=2.0cm，M(Nb)=92.9g·mol-1C則根據(jù)朗伯一比爾定律可得根據(jù)式（9-9），桑德爾靈敏度S為無機及分析化學第十章比色法和分光光度法20

定量分析時，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原點的直線。但在實際工作中，往往會偏離線性而發(fā)生彎曲，見圖9-4中的虛線。若在彎曲部分進行定量，將產(chǎn)生較大的測定誤差。10.2.2偏離朗伯一比爾定律的原因無機及分析化學第十章比色法和分光光度法21

朗伯一比爾定律只對一定波長的單色光才能成立，但在實際工作中，即使質(zhì)量較好的分光光度計所得的入射光，仍然具有一定波長范圍的波帶寬度。在這種情況下，吸光度與濃度并不完全成直線關(guān)系，因而導致了對朗伯一比爾定律的偏離。所得入射光的波長范圍越窄，即“單色光”越純，則偏離越小。

單色光不純所引起的偏離無機及分析化學第十章比色法和分光光度法22由于溶液本身的原因所引起的偏離

吸光系數(shù)k與溶液的折光指數(shù)n有關(guān)。溶液濃度在0.01mol·L-1或更低時，n基本上是一個常數(shù)，說明朗伯一比爾定律只適用于低濃度的溶液。濃度過高會偏離朗伯一比爾定律。朗伯—比爾定律是建立在均勻、非散射的溶液這個基礎(chǔ)上的。如果介質(zhì)不均勻，呈膠體、乳濁、懸浮狀態(tài)，則入射光除了被吸收外，還會有反射、散射的損失，因而實際測得的吸光度增大，導致對朗伯—比爾定律的偏離。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法23

溶質(zhì)的離解、締合、互變異構(gòu)及化學變化也會引起偏離。其中有色化合物的離解是偏離朗伯—比爾定律的主要化學因素。例如，顯色劑KSCN與Fe3+形成紅色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：Fe(SCN)3Fe3++3SCN－溶液稀釋時，上述平衡向右，離解度增大。所以當溶液體積增大一倍時，F(xiàn)e(SCN)3的濃度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，導致偏離朗伯—比爾定律。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法2410.3比色法和分光光度法及其儀器

14.3.1分光光度計14.3.2 分光光度測定的方法無機及分析化學第十章比色法和分光光度法2510.3.1分光光度計基本構(gòu)造

光源(lightsource)：可見分光光度計都以鎢燈（360-1000nm）作光源。鎢燈是6~12V的鎢絲燈泡，儀器裝有聚光透鏡使光線變成平行光，為保證光強度恒定不變，配有穩(wěn)壓電源。紫外—可見分光光度計除有鎢燈外其光源還有氫燈，氫燈發(fā)射150-400nm波長的光，適用于200-400nm波長范圍的紫外分光光度法測定。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法26單色器(monochromator)

：其作用是將光源輻射的復合光分解成按波長順序排列的單色光。包括狹縫和色散元件及準直鏡三部分。色散元件用棱鏡或光柵制成。玻璃棱鏡的色散波段一般在360~700nm，主要用于可見分光光度計中。石英棱鏡的色散波段一般在200~1000nm，可用于紫外—可見分光光度計中。光柵其特點是工作波段范圍寬，適用性強，對各種波長色散率幾乎一致。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法27吸收池(absorptioncell)又稱比色皿，是由無色透明的光學玻璃或熔融石英制成，用于盛裝試液或參比溶液。玻璃吸收池：在可見光范圍內(nèi)使用。石英吸收池：在紫外光范圍內(nèi)使用。吸收池，通常有0.5cm、1cm、2cm、3cm和5cm寬，可適用于不同濃度范圍的試樣測定。同一組吸收池的透光率相差應(yīng)小于0.5%。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法28檢測器(detector)

把透過吸收池后透射光強度轉(zhuǎn)換成電訊號的裝置。檢測系統(tǒng)應(yīng)具有靈敏度高、對透過光的響應(yīng)時間短、且響應(yīng)的線性關(guān)系好，對不同波長的光具有相同的響應(yīng)可靠性。在分光光度計中常用光電管和光電倍增管等做檢測器。光電倍增管其靈敏度要比光電管約高200倍。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法顯示器(display)

顯示器是將檢測器檢測的信號顯示和記錄下來的裝置。在分光光度計中常用的是微安表、數(shù)碼顯示管等。簡單的分光光度計多用微安表。在標尺上有透光度（T）和吸光度（A）兩種刻度，由于吸光度和透光度是負對數(shù)關(guān)系，因此透光度的刻度是均勻的，而吸光度的刻度是不均勻的。無機及分析化學29第十章比色法和分光光度法30分光光度計的主要類型單光束型無機及分析化學第十章比色法和分光光度法31雙光束型無機及分析化學第十章比色法和分光光度法32光電二極管陣列型（DAD)無機及分析化學第十章比色法和分光光度法3310.3.2分光光度測定的方法1、標準曲線法BlankStandardSampleSample無機及分析化學第十章比色法和分光光度法34

2、標準對照法(直接比較法)

將試樣溶液和一個標準溶液在相同條件進行顯色、定容，分別測出它們的吸光度，按下式計算被測溶液的濃度。k標=k測

b標=b測所以

要求A與c線性關(guān)系良好，被測樣品溶液與標準溶液濃度接近，以減少測定誤差。用一份標準溶液即可計算出被測溶液的含量或濃度，方便，操作簡單。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法35

3．吸光系數(shù)法在沒有標準品可供比較測定的條件下，按文獻規(guī)定條件測定被測物的吸光度，從樣品的配制濃度、測定的吸光度及文獻查出的吸光系數(shù)即可計算樣品的含量，因為

則樣品含量無機及分析化學第十章比色法和分光光度法36

例10-4已知維生素B12在361nm條件下a標=20.7L·g－1·cm－1。精確稱取樣品30mg，加水溶解稀釋至1000mL，在波長361nm下，用1.00cm吸收池測得溶液的吸光度為0.618，計算樣品維生素B12的含量。解：A=a樣bc則維生素B12的含量=無機及分析化學第十章比色法和分光光度法3710.4顯色反應(yīng)及其影響因素

10.4.1顯色反應(yīng)及顯色劑10.4.2影響顯色反應(yīng)的因素無機及分析化學第十章比色法和分光光度法38

10.4.1顯色反應(yīng)及顯色劑

有些被測物質(zhì)的溶液的顏色很淡或者根本沒有顏色，因此需要在被測溶液中加入某些物質(zhì)，使被測物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轭伾^深的有色物質(zhì)。這種被測元素在某種試劑的作用下，轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)（colorreaction），所加入試劑稱為顯色劑(colorreagent)。常見的顯色反應(yīng)大多數(shù)是生成配合物的反應(yīng)，少數(shù)是氧化還原反應(yīng)和增加吸光能力的生化反應(yīng)。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法39

顯色劑無機及分析化學第十章比色法和分光光度法40

顯色反應(yīng)的要求：選擇性好所用的顯色劑僅與被測組分顯色而與其它共存組分不顯色，或其它組分干擾少。靈敏度要足夠高有色化合物有大的摩爾吸光系數(shù)，一般應(yīng)有104~105數(shù)量級。有色配合物的組成要恒定顯色劑與被測物質(zhì)的反應(yīng)要定量進行，生成有色配合物的組成要恒定。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法生成的有色配合物穩(wěn)定性好即要求配合物有較大的穩(wěn)定常數(shù)，有色配合物不易受外界環(huán)境條件的影響，亦不受溶液中其它化學因素的影響。有較好的重現(xiàn)性，結(jié)果才準確。色差大有色配合物與顯色劑之間的顏色差別要大，這樣試劑空白小，顯色時顏色變化才明顯。無機及分析化學41第十章比色法和分光光度法42

10.4.2 影響顯色反應(yīng)的因素顯色劑的用量顯色反應(yīng)一般可表示為M+RMR無機及分析化學第十章比色法和分光光度法43

溶液的酸度許多顯色劑都是有機弱酸或有機弱堿，溶液的酸度會直接影響顯色劑的解離程度。對某些能形成逐級配合物的顯色反應(yīng)，產(chǎn)物的組成會隨介質(zhì)酸度的改變而改變，從而影響溶液的顏色。另外，某些金屬離子會隨著溶液酸度的降低而發(fā)生水解，甚至產(chǎn)生沉淀，使穩(wěn)定性較低的有色配合物的解離。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法44顯色溫度

有些反應(yīng)需要加熱。有些顯色劑或有色配合物在較高溫度下易分解褪色。此外溫度對光的吸收及顏色深淺也有影響，要求標準溶液和被測溶液在測定過程中溫度一致。顯色時間

顯色反應(yīng)有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的顯色反應(yīng)需放置不同的時間，并在一定的時間范圍內(nèi)進行比色測定。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法45副反應(yīng)的影響例如，被測金屬離子M與顯色劑R反應(yīng)，生成有色配合物MRn，此時，若M有配位效應(yīng)，R有酸效應(yīng)，影響M配位反應(yīng)的完全程度。通常，當金屬離子有99%以上被配位時，就可認為反應(yīng)基本上是完全的。共存離子的影響

吸光度增加，造成正干擾。被測組分或顯色劑的濃度降低，引起負干擾。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法4610.5分光光度法儀器測量誤差及其消除10.5.1分光光度法的誤差10.5.2分光光度法測量條件的選擇無機及分析化學第十章比色法和分光光度法4710.5.1分光光度法的誤差

溶液不遵守朗伯—比爾定律所引起的誤差利用標準曲線的直線段來測定被測溶液的濃度，從而減少由入射光為非單色光引起的誤差；也可以利用試劑空白和確定適宜的濃度范圍來減少由溶液本身所引起的誤差。光度測量誤差吸光度與透光率是負對數(shù)關(guān)系，故吸光度的標尺刻度是不均勻的。一般來說透光率為20％~65％（吸光度為0.2-0.7）時，濃度測量的相對誤差都不太大。這就是分光光度分析中比較適宜的吸光度范圍。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法48儀器誤差比色皿的質(zhì)量，檢流計的靈敏度，光源不穩(wěn)定、棱鏡的性能、安裝條件及光電管的質(zhì)量等都可以使分析產(chǎn)生誤差。操作誤差由分析人員所采用的實驗條件與正確的條件有差別所引起的，如顯色條件和測量條件掌握得不好等。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法4910.5.2 分光光度法測量條件的選擇入射光波長的選擇以最大吸收波長λmax為測量的入射光波長。在此波長處，摩爾吸光系數(shù)ε最大，測定的靈敏度最高。若干擾物在λmax處也有吸收，在干擾最小的條件下選擇吸光度最大的波長。有時為了消除其它離子的干擾，也常常加入掩蔽劑。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法50吸光度讀數(shù)范圍的選擇透光度讀數(shù)誤差ΔT是一個常數(shù)，但在不同的讀數(shù)范圍內(nèi)所引起的濃度的相對誤差卻是不同的。因此，為了減小濃度的相對誤差，提高測量的準確度，一般應(yīng)控制被測液的吸光度A在0.2~0.7（透光度為65%~20%）。當溶液的吸光度不在此范圍時，可以通過改變稱樣量、稀釋溶液以及選擇不同厚度的比色皿來控制吸光度。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法51參比溶液的選擇原則:使試液的吸光度能真正反映待測物的濃度。利用空白試驗來消除因溶劑或器皿對入射光反射和吸收帶來的誤差。純?nèi)軇┛瞻桩斣囈?、試劑、顯色劑均為無色時，用純?nèi)軇ɑ蛘麴s水）作參比溶液。試劑空白試液無色，而試劑或顯色劑有色時，加入相同量的顯色劑和試劑,作為參比溶液。試液空白試劑和顯色劑均無色，試液中其它離子有色時，用不加顯色劑的溶液作為參比溶液。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法5210.6

紫外—可見分光光度法應(yīng)用實例

10.6.1單組分含量測定10.6.2多組分含量測定無機及分析化學第十章比色法和分光光度法53應(yīng)用:測量試樣微量組分測定配合物的組成及穩(wěn)定常數(shù)、弱酸的解離常數(shù)、化學反應(yīng)的速率常數(shù)、催化反應(yīng)的活化能等.根據(jù)分子的紫外或紅外光譜數(shù)據(jù)判斷分子的空間構(gòu)型，確定分子結(jié)構(gòu)。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法5410.6.1單組分含量測定實例一：1，1,10-二氮菲測定微量鐵該試劑能與Fe2+能形成3：1的紅色配離子：λmax=512nm，為1.1×104L·mol－1·cm－1。在pH為3~9范圍內(nèi)，反應(yīng)能迅速完成，且顯色穩(wěn)定。在鐵含量0.5~8·mL－1范圍內(nèi)，濃度與吸光度符合朗伯—比爾定律。用pH=4.5~5.0的緩沖液保持其酸度，并用鹽酸羥胺還原其中的Fe3+，用標準曲線法進行測定。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法55實例二：磷鉬藍法測定全磷用濃硫酸和高氯酸（HClO4）處理樣品，使磷的各種形式轉(zhuǎn)變?yōu)镠3PO4，然后在HNO3介質(zhì)中，H3PO4與（NH4）2MoO4反應(yīng)形成磷鉬黃雜多酸，反應(yīng)如下：H3PO4+12(NH4)2MoO4+21HNO3=(NH4)3PO4·12MoO3+12NH4NO3+12H2O用適當?shù)倪€原劑如維生素C將其中的Mo(VI)還原為Mo(V)，即生成藍色的磷鉬藍，其最大吸收波長為λmax=660nm，用標準曲線法可測得樣品的全磷含量。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法5610.6.2多組分含量測定溶液的總吸光度等于各組分的吸光度之和：A=A1+A2+A3+……+An吸收峰互不重疊

A、B兩組分的吸收峰相互不重疊，則可分別在處用單組分含量測定法測定組分A和B。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法57吸收峰相互重疊A、B兩組分的吸收峰相互重疊，可分別在和處測出A、B兩組分的總吸光度A1和A2，然后根據(jù)吸光度的加和性列聯(lián)立方程：在處，在處，式中分別為A和B在波長處的摩爾吸光系數(shù)分別為A和B在波長處的摩爾吸光系數(shù)無機及分析化學第十章比色法和分光光度法58雙波長分光光度法無機及分析化學第十章比色法和分光光度法59導數(shù)分光光度法無機及分析化學第十章比色法和分光光度法60導數(shù)分光光度法的應(yīng)用導數(shù)分光光度法分辨兩個紫外光譜相近組份圖例無機及分析化學第十章比色法和分光光度法61導數(shù)光譜消除寬背景吸收干擾圖例無機及分析化學第十章比色法和分光光度法6210.6.3配合物組成的測定物質(zhì)的量比法固定一種組分如金屬離子M的濃度，改變配位劑R的濃度，分別測定其吸光度。以吸光度A為縱坐標，配位劑與金屬離子的濃度比值為橫坐標作圖。當金屬離子全部被配位劑配合后，再增加配位劑，其吸光度亦不會增加了，利用外推法可得一交叉點D，D點所對應(yīng)的濃度比值就是配合物的配合比。無機及分析化學第十章比色法和分光光度法63連續(xù)變化法設(shè)配位反應(yīng)為M+nR

MRnM為金屬離子，R為配合劑。并設(shè)cM和cR為溶液中M和R兩組分的濃度，cM+cR=c0（常數(shù)）金屬離子和配位劑的物質(zhì)的量分數(shù)分別為：

配制一系列不同xM（或xR）值的溶液，溶液中配合物濃度隨xM而改變，當xM（或xR）與形成的配合物組成相當時，即金屬離子和配位劑物質(zhì)的量之比和配合物組成一致時，配合物的濃度最大。根據(jù)與最大吸光度對應(yīng)的x