第八章 吸光光度法

第八章吸光光度法第一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日因?yàn)殡娮幽芗?jí)間的能量差一般為1-20eV(1eV=1.6×10－19J)，而振動(dòng)能級(jí)間的能量差僅為0.05-1eV，至于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差就更小了(小于0.05eV)。所以，在電子能級(jí)躍遷(Transition)的同時(shí)，必然伴隨著振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。因此，分子的電子光譜通常呈帶狀，稱為帶狀光譜(Bandspectra)。顯然，分子的帶狀光譜要比原子的線狀光譜(Linespectrum)復(fù)雜得多。由電子能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜位于紫外及可見(jiàn)區(qū)。這種由價(jià)電子躍遷而產(chǎn)生的分子光譜稱為電子光譜(Electronicspectra)。第二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日V0′V1′r1r2r3r1r2r3r1r1r2r3r3r2V0V1ABCEnergyRotationalenergyleverlsVibrationalenergylevelsElectronicenergylevelsExcitedstateGroundstate第三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日A:purerotationalchanges(farinfrared)B:rotational-vibrationalchanges(nearinfrared)C:rotational-vibrational-electronicchangestransitions(visibleandultraviolet)三、光與顏色波長(zhǎng)在200~400nm(nanometers)范圍內(nèi)的光稱為紫外光(Ultravioletlight)。人眼能感覺(jué)到的光的波長(zhǎng)在400~750nm之間，稱為可見(jiàn)光(Visiblelight)?？梢?jiàn)光是一種復(fù)合光，它是由赤橙黃綠青藍(lán)紫等各種單色光(Monochromaticlight)按一定的比例混合而成的。顯然，不同顏色的單色光，其波長(zhǎng)范圍也不同。物質(zhì)的顏色正是由于物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有選擇性吸收作用而產(chǎn)生的。例如，CuSO4溶液因吸收了可見(jiàn)光中的黃色而呈藍(lán)色；而KMnO4溶液因吸收了可見(jiàn)光中的黃綠色而呈紫色?？梢?jiàn)，物質(zhì)的顏色是由它所反射或透過(guò)光的顏色來(lái)決定的。注意：課本p.128的論述不夠確切。第四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日表8-1物質(zhì)的光和吸收光顏色的關(guān)系物質(zhì)的顏色吸收光顏色吸收光波長(zhǎng)黃綠紫400~450黃藍(lán)450~480橙青藍(lán)480~490紅青490~500紫紅綠500~560紫黃綠560~580藍(lán)黃580~600青藍(lán)橙600~650青紅650~750第五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日值得注意的是，科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明：不僅赤橙黃綠青藍(lán)紫七種單色光可以混合成白光，也可以把兩種適當(dāng)?shù)膯紊獍匆欢ū壤旌铣砂坠狻煞N能混合成白光的單色光稱為互補(bǔ)色光。白光綠紫橙青藍(lán)藍(lán)青紅圖8-1光的互補(bǔ)色示意圖黃第六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日四、光吸收曲線如果測(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)，以吸光度(Absorbance)為縱坐標(biāo)作圖，可得一條曲線，稱為吸收曲線(Absorptioncurve)或吸收光譜(Absorptionspectrum)。ABCD第七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日由圖可見(jiàn)，KMnO4溶液對(duì)波長(zhǎng)525nm附近的黃綠色光的吸收最強(qiáng)，而對(duì)紫色和紅色光的吸收很弱。光吸收程度最大處的波長(zhǎng)叫最大吸收波長(zhǎng)(Maximumabsorptionwavelength),用λmax表示。最大吸收又稱吸收峰(Absorptionpeak)。KMnO4的λmax=525nm。需要特別注意的是：不同濃度的同一物質(zhì)的光吸收曲線的形狀相似，即最大吸收波長(zhǎng)不變，只是相應(yīng)的吸光度的大小不同（即吸收峰的高低不同，位置不變）?！?－2光吸收的基本定律當(dāng)一束平行單色光通過(guò)任何均勻、非散射的固體、液體或氣體介質(zhì)時(shí)，光的一部分被吸收，一部分透過(guò)介質(zhì)，一部分被器皿的表面反射。設(shè)入射光(Incidentlight)強(qiáng)度為Io，吸收光強(qiáng)度為Ia，透過(guò)光強(qiáng)度為It，反射光強(qiáng)度為Ir，則第八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日Io=Ia+It+Ir在吸光光度分析中，通常將試液和空白溶液分別置于同樣質(zhì)料和厚度的吸收池中，然后讓強(qiáng)度為Io的單色光分別通過(guò)每個(gè)吸收池，測(cè)量其透過(guò)光的強(qiáng)度。此時(shí)，通過(guò)樣品池和空白池的反射光強(qiáng)度基本上是不變的，且其影響可以互相抵消，所以上式可以簡(jiǎn)化為：Io=Ia+It

注意：Io和It都是可以直接測(cè)量的。透過(guò)光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度Io之比稱為透光率或透光度(Transmittance,Transmittancy)用T表示：顯然，溶液的透光率愈大，表示它對(duì)光的吸收愈??；反之，則表示它對(duì)光的吸收愈大。第九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日溶液對(duì)光的吸收程度叫吸光度(Absorbance)。其數(shù)學(xué)定義為：=實(shí)驗(yàn)表明：溶液對(duì)光的吸收程度，與溶液的濃度、液層厚度即入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。如果保持入射光波長(zhǎng)不變，則溶液對(duì)光的吸收程度就只與溶液濃度和液層厚度有關(guān)。波格(M.Bouguer)于1729年首先提出：當(dāng)吸收介質(zhì)的濃度不變時(shí)，入射光被介質(zhì)吸收的程度與介質(zhì)厚度的關(guān)系為：（1）1760年又經(jīng)朗伯(J.H.Lambert)系統(tǒng)闡述，所以稱為朗伯-波格定律（或者干脆稱為朗伯定律）。第十頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日到了1852年，比爾(Beer)和白那德(Bernard)又分別各自提出：（2）表示入射光通過(guò)一定厚度的介質(zhì)時(shí)，光的吸收程度與介質(zhì)濃度成正比。合并（1）、（2）兩式，可得（3）即A=Kbc此式稱為朗伯-比爾定律。第十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日朗伯-比爾定律是吸光光度法最基本的定律，是進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)。但此定律只適用于單色光。

式中比例常數(shù)K與下列因素有關(guān)：

※吸光物質(zhì)的性質(zhì)；

※入射光的波長(zhǎng)；

※溫度。值得指出的是：K值隨濃度c和介質(zhì)厚度（即光程）b所取單位的不同而不同。

▲當(dāng)c以g/L表示，b以cm表示時(shí)，常數(shù)K以a表示，稱為吸光系數(shù)(Absorptivity),a以L/g?cm為單位。朗伯-比爾定律即成A=abc

▲當(dāng)c以mol/L表示，b以cm表示時(shí)，常數(shù)K則以ε表示，稱為摩爾吸光系數(shù)(Molarabsorptivity),a以L/mol?cm為單位。朗伯-比爾定律就成為A=εbc第十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日從意義上講，ε是當(dāng)b=1cm，c=1mol/L時(shí)的A，但實(shí)際并不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液去測(cè)量其摩爾吸光系數(shù)，而只能通過(guò)計(jì)算而得。a或ε反映了吸光物質(zhì)對(duì)光的吸收能力，也反映了用吸光光度法測(cè)定該吸光物質(zhì)的靈敏度。ε值愈大，靈敏度就愈高。一般ε在104~105數(shù)量級(jí)上。§8－3顯色反應(yīng)及其影響因素（自學(xué)）§8－4比色法及其儀器基于比較有色物質(zhì)溶液的顏色深淺以確定物質(zhì)含量的分析方法稱為比色分析法(Colorimetry)。分目視比色法和光電比色法兩種。一、目視比色法(Visualcolorimetry)第十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日用眼睛比較溶液顏色深淺以確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。常用的目視比色法是標(biāo)準(zhǔn)系列法(Standardseriesmethod)。將一系列不同兩的標(biāo)準(zhǔn)溶液依次加入一套由相同質(zhì)料制成的、形狀大小相同的比色管中，控制相同的實(shí)驗(yàn)條件，配成標(biāo)準(zhǔn)色階。奈氏比色管將一定的被測(cè)液置于另一比色管中，在同樣的條件下顯色。然后進(jìn)行觀察對(duì)比，若試液與標(biāo)準(zhǔn)色階中某溶液的顏色深度相同，即透過(guò)光強(qiáng)度相等時(shí)，則這兩個(gè)比色管中溶液的濃度相等；如果被測(cè)液顏色深度介于相鄰兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色階之間，則試液濃度也就介于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度之間。第十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日目視比色法的原理可以近似地用朗伯-比爾定律推導(dǎo)如下：設(shè)入射光強(qiáng)度為I0，透過(guò)標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液的光強(qiáng)度分別為Is和Ix，則∵A==εbc∴It=因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溶液，其透過(guò)光強(qiáng)度為Is=I0

第十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于被測(cè)溶液，其透過(guò)光強(qiáng)度為Ix=I0

當(dāng)二者的顏色相同時(shí)Is=Ix可得εsbscs=εxbxcx由于標(biāo)準(zhǔn)系列與試液都是在相同條件下顯色，且是同一種有色物質(zhì)，所以εs=εx，又因液層厚度相等，即bs=bx，∴cs=cx標(biāo)準(zhǔn)系列法的優(yōu)點(diǎn)：1、儀器簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，適宜于大批試樣的分析。第十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日2、比色管中的液層較厚，故測(cè)定的靈敏度叫高，適宜于稀溶液中微量物質(zhì)的測(cè)定。3、可以在復(fù)合光下測(cè)定，某些顯色反應(yīng)不符合朗伯-比爾定律，仍可用目視比色法進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)系列法的主要缺點(diǎn)是準(zhǔn)確度較差，相對(duì)誤差約為5~20%；另外，主觀誤差也大。--------***********************************************************************++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++*二、光電比色法(Photoelectriccolorimetry)利用儀器代替肉眼測(cè)量有色溶液對(duì)光的吸收程度，可以克服主觀誤差，提高測(cè)定的準(zhǔn)確度。最簡(jiǎn)單的儀器是光電比色計(jì)(Photoelectriccolori-meter)。利用光電比色計(jì)測(cè)定有色溶液對(duì)光的吸收程度以確定物質(zhì)含量的分析方法，叫做光電比色法。第十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光電比色法的基本原理是利用光電效應(yīng)測(cè)量光線通過(guò)有色溶液后的透射光強(qiáng)度，從而求出有色物質(zhì)對(duì)光的吸收程度，進(jìn)而求出物質(zhì)的含量。光電比色計(jì)的基本結(jié)構(gòu)和原理可用下面的示意圖表示：1.Lightsource(tungstenlamp)2.Filters3.Absorptioncell4.Photocell5.Galvanometer第十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日注意：光電比色法和目視比色法在原理上并不完全相同。光電比色法是比較有色溶液對(duì)某一波長(zhǎng)光的吸收情況；目視比色法則是比較透過(guò)光的強(qiáng)度。例如，測(cè)定KMnO4溶液中KMnO4的含量時(shí)，光電比色法測(cè)量的是KMnO4溶液對(duì)黃綠色光的吸收情況（問(wèn)題：應(yīng)該選擇什么顏色的濾光片？）；目視比色法則是比較KMnO4溶液透過(guò)紅紫色光的強(qiáng)度。選擇濾光片的原則：濾光片本身的顏色應(yīng)與被測(cè)溶液的顏色互為補(bǔ)色?；?yàn)V光片本身的顏色就是被測(cè)溶液最大吸收光。與目視比色法比較，光電比色法具有下述優(yōu)點(diǎn)：1、提高了準(zhǔn)確度；2、避免主觀誤差；第十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日3、當(dāng)有干擾物質(zhì)共存時(shí)，可采用適當(dāng)?shù)臑V光片或適當(dāng)?shù)膮⒈热芤簛?lái)消除干擾，因而提高了選擇性。§8－5分光光度法及其儀器分光光度法的基本原理與光電比色法相同，所不同的僅在于獲得單色光的手段不同。分光光度法采用棱鏡(Prism)或光柵(Grating)等分光器，而光電比色法采用濾光片(Filter)。利用分光器可以獲得純度較高的單色光[其半寬度(Halfbandwidth)5~10nm]。第二十頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日一、分光光度法的特點(diǎn)1、由于入射光是純度較高的單色光，因此用分光光度法可以得到十分精確細(xì)致的吸收光譜。通過(guò)選擇最合適的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)定，可使偏離朗伯-比爾定律的情況大為減少，標(biāo)準(zhǔn)曲線直線部分的范圍更大。另外，分光光度計(jì)要比光電比色計(jì)精密，因而，分光光度法的準(zhǔn)確度要比光電比色法高。2、由于可以任意選擇某種波長(zhǎng)的單色光，故可在一定條件下，利用吸光度的加和性，可以同時(shí)測(cè)定溶液中兩種或兩種以上的組分。3、由于入射光的波長(zhǎng)范圍擴(kuò)大了，故許多無(wú)色物質(zhì)，只要它們?cè)谧贤饣蚣t外光區(qū)域有吸收峰，都可以用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。第二十一頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日二、分光光度計(jì)(Spectrophotometer)簡(jiǎn)介三、光度測(cè)量誤差和測(cè)量條件的選擇第二十二頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日光度分析法的誤差來(lái)源于兩個(gè)方面，一方面是各種化學(xué)因素所引入的誤差，另一方面是儀器精度不夠，測(cè)量不準(zhǔn)引入的誤差。1、儀器的測(cè)量誤差任何光度計(jì)都有一定的測(cè)量誤差。對(duì)于給定的光度計(jì)來(lái)說(shuō)，透過(guò)度或吸光度的讀數(shù)準(zhǔn)確度是儀器精度的主要指標(biāo)之一，也是衡量測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的重要因素。在光度計(jì)上，透光度的標(biāo)尺刻度是均勻的。因吸光度A=–lgT,所以，吸光度的刻度是不均勻的。第二十三頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日通常，對(duì)一臺(tái)給定的光度計(jì)來(lái)說(shuō)，透光度的讀數(shù)誤差△T是一個(gè)常數(shù)，約為0.01~0.02。精度高的極其可達(dá)到0.001。值得注意的是，透光度的精度并不能直接代表測(cè)定結(jié)果的精度。測(cè)定結(jié)果的精度應(yīng)該用由于讀數(shù)誤差而引起的測(cè)定物質(zhì)的濃度相對(duì)誤差表示。由于A=εbcA=Kc在每次測(cè)定中，所用的比色皿是恒定的，故b為常數(shù)?！鰽=K△C∴=第二十四頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日從右圖可以看出：同樣大小的△T在不同的透光度時(shí)，所引起的濃度誤差△C（或△A）是不同的。當(dāng)T值高時(shí)，△C小，但此時(shí)C值也很小，所以盡管△C很小，相對(duì)誤差也不一定??；當(dāng)C值增大時(shí)，T值減小，△C就增大，所以還不一定小。第二十五頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日由此可見(jiàn)，只有在適中的T值時(shí)，才可使有較小的值。A=﹣lgTdA=﹣d(lgT)=﹣d(lnT)=﹣則根據(jù)朗伯-比爾定律：此式說(shuō)明，濃度測(cè)量的相對(duì)誤差，不僅與一起的讀數(shù)誤差(dT)有關(guān)，而且也與它本身的透光度(T)有關(guān)。第二十六頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日從上面的表和圖可以看出，透光度T在15%~65%(A=0.8~0.2)范圍內(nèi)，濃度的相對(duì)誤差較小，其極小值為：第二十七頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日令即A=0.434T=36.8%最小第二十八頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日2﹡、有色溶液偏離朗伯-比爾定律所引起的誤差(1)由于非單色光引起的偏離(2)由于溶液本身的原因引起的偏離ⅰ由于介質(zhì)不均勻引起的偏離ⅱ由于溶液中的化學(xué)反應(yīng)引起的偏離3、測(cè)量條件的選擇為了使測(cè)定結(jié)果有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度，必須注意選擇最適宜的測(cè)量條件。(1)入射光的選擇ⅰ“最大吸收原則”利用此原則不僅靈敏度較高，而且測(cè)定時(shí)偏離朗伯-比爾定律的程度減小，故其準(zhǔn)確度也較好。第二十九頁(yè)，共三十三頁(yè)，2022年，8月28日ⅱ