第十二章 紫外-可見分光光度法

第十二章紫外—可見分光光度法

§1基本原理§2光度法的誤差§3顯色反應及顯色條件的選擇§4紫外可見分光光度計§5定性與定量分析方法§6紫外可見吸收光譜與分子結構的關系2/5/2023§1基本原理

利用被測物質的分子對紫外-可見光具有選擇性吸收的特性而建立的分析方法。一、紫外－可見吸光光度法的特點（1）具有較高的靈敏度。（2）有一定的準確度，該方法相對誤差為2%-5%，可滿足對微量組分測定的要求。（3）操作簡便、快速、選擇性好、儀器設備簡單。（4）應用廣泛2/5/2023單色光：只具有一種波長的光。混合光：由兩種以上波長組成的光，如白光。二、物質對光的選擇性吸收白光青藍青綠黃橙紅紫藍1、光的互補性與物質的顏色2/5/2023

物質的顏色是由于物質對不同波長的光具有選擇性的吸收作用而產生的，物質的顏色由透過光的波長決定。例：硫酸銅溶液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。

如果兩種適當顏色的光按一定的強度比例混合可以得白光，這兩種光就叫互為補色光。物質呈現(xiàn)的顏色和吸收的光顏色之間是互補關系。2/5/2023不同顏色的可見光波長及其互補光白光青藍青綠黃橙紅紫藍2/5/20232、吸收光譜或吸收曲線

吸收曲線：測定某種物質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的吸收曲線最大吸收波長，max定量分析的基礎：某一波長下測得的吸光度與物質濃度關系的有關2/5/20232/5/2023300400500600350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光譜350光譜定性分析基礎：吸收曲線的形狀和最大吸收波長2/5/2023光的吸收定律—朗伯－比爾定律I0：入射光強度I：透過光強度c：溶液的濃度b：液層寬度T－透光率（透射比）A－吸光度2/5/2023

κ與入射光波長、溶液的性質及溫度有關。當這些條件一定時，κ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。

c的單位為g·L-1，b的單位為cm時，κ以a表示，稱為吸光系數，其單位為L·g-1·cm-1，A=abc。

c的單位為mol·L-1，b的單位為cm，κ用ε表示。稱為摩爾吸光系數，其單位為L·mol-1·cm-1，A=εbc。2/5/2023摩爾吸光系數ε的討論（1）吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數（2）不隨濃度c和液層厚度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，ε僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；（3）同一吸光物質在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數，常以εmax表示

εmax表明了該吸收物質最大限度的吸光能力。2/5/2023例1濃度為25.0μg/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a和摩爾吸光系數ε。已知M(Cu)=64.0。解已知T=0.501，則A=－lgT=0.300，b=2.0cm,則根據朗伯—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)2/5/2023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例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，則透光度應為多少？2/5/2023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系應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?！?

光度法的誤差

01234mg/mLA。。。。*0.80.60.40.20工作曲線2/5/2023一、物理因素(1)比爾定律的局限性比耳定律假設了吸收粒子之間是無相互作用的，因此僅在稀溶液（c<10-2mol/L)的情況下才適用。(2)非單色光引起的偏離

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，入射光是具有一定波長范圍的。2/5/2023二、化學因素溶質的離解、締合、互變異構及化學變化也會引起偏離。例：測定時，在大部分波長處，Cr2O72-的k值與CrO42-的k值是很不相同的。A與c不成線性關系。例：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－溶液稀釋時一倍時，上述平衡向右，離解度增大。所以Fe(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。2/5/2023測量的誤差和測量條件的選擇誤差來源：入射光源不穩(wěn)定吸收池玻璃的厚度不均勻池壁不平行，表面有水跡，油污或劃痕光電池不靈敏，光電流測量不準確誤差影響：透光度讀數誤差一、儀器測量誤差2/5/2023二、測量條件的選擇1、入射光波長的選擇

測量的入射光波長：最大吸收波長λmax。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。2、吸光度范圍的選擇兩式相除：2/5/2023不同透光率時測定濃度的相對誤差ΔcB/cB(ΔT=0.01)測定相對誤差與透光率的關系在T=36.8%(A=0.434)時，濃度測定的相對誤差最小。在實際測定時，常將吸光度控制在0.2~0.7(T=20%~65%)之間。2/5/20233、參比溶液的選擇I0參比樣品未考慮吸收池和溶劑對光子的作用原則: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。2/5/2023（1）如果僅待測物與顯色劑的反應產物有吸收，可用純溶劑（或蒸餾水）作參比溶液（2）如果顯色劑或其他試劑略有吸收，應用空白溶液（包括顯色劑或其它試劑不加待測試樣溶液）作為參比溶液。（3）如試樣中其它組分有吸收，但不與顯色劑反應，則當顯色劑無吸收時，可用試樣溶液作為參比溶液；當顯色劑略有吸收時，可在試液中加入適當掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑，以此溶液作參比溶液。2/5/2023

顯色劑§3

顯色反應及其影響因素顯色反應：將被測組分轉變成有色化合物的化學反應。顯色劑：能與被測組分反應使之生成有色化合物的試劑。2/5/2023

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。靈敏度足夠高有色化合物有大的摩爾吸光系數，一般應有104~105數量級。

有色配合物的組成要恒定顯色劑與被測物質的反應要定量進行。

生成的有色配合物穩(wěn)定性好

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。一、對顯色反應的要求2/5/2023二、影響顯色反應的因素1、顯色劑的用量M+RMR2/5/2023

2、溶液的酸度（2）對顯色劑的平衡濃度和顏色的影響（3）對有色化合物組成的影響不同的顯色反應的適宜pH是通過實驗確定的。（1）對被測組分存在狀態(tài)的影響2/5/2023pH與吸光度的關系曲線2/5/20233、顯色溫度：要求標準溶液和被測溶液在測定過程中溫度一致。4、顯色時間：通過實驗確定合適的顯色時間，并在一定的時間范圍內進行比色測定。5、溶劑：有機溶劑降低有色化合物的解離度，提高顯色反應的靈敏度。6、共存離子的影響

2/5/2023§4紫外—可見分光光度計光源單色器吸收池檢測器和信號顯示系統(tǒng)2/5/2023作用：從連續(xù)光源中分離出所需要的足夠窄波段的光束常用的元件：棱鏡、光柵二、單色器2/5/2023作用：提供能量，激發(fā)被測物質分子，使之產生電子譜帶要求：發(fā)射足夠強的連續(xù)光譜，有良好的穩(wěn)定性及足夠的適用壽命類型：可見與近紅外區(qū)：鎢燈400~1100nm紫外區(qū)：氫燈或氘燈180~400nm一、光源2/5/2023功能：用于盛放試樣，完成樣品中待測試樣對光的吸收常用的吸收池：石英（紫外區(qū)）玻璃（可見區(qū)）吸收池光程：1cm、2cm、3cm等注意：為減少光的損失，吸收池的光學面必須完全垂直于光束方向。吸收池要挑選配對，因為吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程長度的精度等對分析結果都有影響。三、吸收池2/5/2023作用：接受、記錄信號組成：檢測器、放大器和讀數和記錄系統(tǒng)常用檢測器：光電管和光電倍增管藍敏（銻銫）光電管210~625nm紅敏（氧化銫）光電管625~1000nm四、檢測系統(tǒng)2/5/2023單光束分光光度計雙光束分光光度計雙波長分光光度計（相互重疊多組分分析）五、儀器類型2/5/2023單光束分光光度計優(yōu)點：結構簡單，價格便宜缺點：受光源影響波動大可見:721360~800nm，電表讀數722330~800nm，數字顯示7230330~900nm，帶微處理器，配打印機紫外、可見：752200~800nm754200~800nm，帶微處理器，配打印機UV758190~900nm，掃描功能紫外、可見及近紅外751G200~1000nmUV755B200~100nm，帶微處理器，配打印機2/5/2023一、定性分析1.制作試樣的吸收曲線并與標準紫外光譜對照；2.利用Woodward-Fieser和Scott經驗規(guī)則求最大吸收波長。即，當通過其它方法獲得一系列可能的分子結構式后，可通過此類規(guī)則估算最大吸收波長并與實測值對比。Woodward-Fieser規(guī)則§5

定性與定量分析方法2/5/2023Woodward-Fieser規(guī)則估算最大吸收波長的幾個實例：四2/5/2023二、定量分析1.單組份定量方法1）標準曲線法（略）2）標準對比法：該法是標準曲線法的簡化，即只配制一個濃度為cs的標準溶液，并測量其吸光度，求出吸收系數k，然后由Ax=kcx求出cx該法只有在測定濃度范圍內遵守L-B定律，且cx與cs大致相當時，才可得到準確結果。2/5/20232.多組分定量方法由于吸光度具有加合性，因此可以在同一試樣中測定多個組份。設試樣中有兩組份X和Y，將其顯色后，分別繪制吸收曲線，會出現(xiàn)如圖所示的三種情況：

圖a)：X,Y組份最大吸收波長不重迭，相互不干擾，可以按兩個單一組份處理。圖b)和c)：X,Y相互干擾，此時可通過解聯(lián)立方程組求得X和Y的濃度：其中，X,Y組份在波長1和2處的摩爾吸光系數可由已知濃度的X,Y純溶液測得。解上述方程組可求得cx及cy。2/5/20233.雙波長法---等吸收點法當混合物的吸收曲線重迭時，如右下圖所示，可利用雙波長法來測定。具體做法：將a視為干擾組份，現(xiàn)要測定b組份。a)

分別繪制各自的吸收曲線；b)

畫一平行于橫軸的直線分別交于a組份曲線上兩點，并與b組分相交；c)

以交于a上一點所對應的波長1

為參比波長，另一點對應的為測量波長2，并對混合液進行測量，得到：A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若兩波長處的背景吸收相同，即A1s=A2s二式相減，得，A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a組份在兩波長處的吸光度相等，因此，A=(A2b-A1b)=(2b-1b)lcb從中可求出cb同理，可求出ca.2/5/2023例：用光程為1cm的吸收池，在兩個測定波長處測定含有K2Cr2O7和KMnO4兩種物質溶液的吸光度。混合物在450nm處的吸光度為0.38，在530nm處的吸光度為0.71，求混合物的組成。已知1.010-3mol/L的K2Cr2O7在450nm處吸光度為0.20，而在530nm處為0.05；1.010-4mol/L的KMnO4在450nm處無吸收，在530nm處吸光度為0.42。2/5/2023KMnO4K2Cr2O7450nm530nm530nm2/5/2023有機化合物的紫外吸收光譜飽和碳氫化合物：→*，短，遠紫外區(qū)§6紫外—可見吸收光譜與分子結構的關系2/5/2023不飽和脂肪族化合物孤立雙鍵：CH2=CH2(max=193nm)共軛雙鍵：CH2=CH—CH=CH2(max=220nm,>104)E>E最低占有軌道最高空軌道→躍遷幾率↑→↑C=C共軛C=C(→*);E↓→↑2/5/2023含孤立助色團和生色團的飽和有機化合物孤立助色團：n→*躍遷，長孤立生色團：n→*(275~295nm),n→*

(~190nm),

→*(150~180nm)

α、β-不飽和醛、酮、酸和酯共軛C=C：K帶(max=200~260nm，>104)C=O：R帶(max=310~350nm，<100)共軛→K帶、R帶都長移酸、酯的K帶比醛、酮長移得多酸、酯的R帶比醛、酮長移得少2/5/2023芳香族化合物苯和取代苯苯取代→吸收帶長移，B帶精細結構消失單取代苯助色團取代：n→*共軛，E帶、B帶↑→↑生色團取代：E帶和K帶合并↑，↑

B帶↑，有時被K帶掩蓋

C=O→R帶→極性溶劑↓2/5/2023不同溶劑對苯酚吸收光譜的影響環(huán)己烷己醇NaOH(0.1mol/L)2/5/2023雙取代苯各種取代基長移效應強弱次序：鄰、對位定位基：N(CH3)2>NHCOCH3>O->NH2>OCH3>OH>Br>Cl>CH3間位定位基：NO2>CHO>COCH3>COOH>COO-,CN->SO2NH2>NH3+

對位二取代~200nm381nm，=181nm>>52+30=82nm265nm，只比硝基苯(252nm)長13nm鄰、對位基間位基252nm,=52nm230nm,=30nm2/5/2023鄰、間位二取代

317.5nm273.5nm278.5nm芳雜環(huán)類（五元或六元）：飽和：<200nm不飽和：n→*

、→*2/5/2023推斷官能團（可能性）有機化合物分子結構研究220~800nm無吸收峰：脂肪族飽和化合物或僅含一個雙鍵的烯烴

270~350nm弱吸收：羰基250~300nm中等強度吸收，重心~256nm：苯環(huán)210~250nm強吸收：含有兩個雙鍵的共軛系統(tǒng)260~350nm強吸收：3~5個共軛系統(tǒng)化合物有色：共軛生色團≥5吸收峰延伸至可見光區(qū)：長鏈共軛或稠環(huán)化合物2/5/2