分析化學(xué)：6.1 光度法基本原理

第六章

紫外-可見分光光度分析法6.1.1光的基本性質(zhì)6.1.2物質(zhì)分子對(duì)光的選擇性吸收與吸收曲線6.1.3光的吸收定律6.1.4電子躍遷與吸收帶類型第一節(jié)

基本原理本章教學(xué)基本要求掌握分光光度法的特點(diǎn)、基本原理、測定方法及計(jì)算方法；掌握朗伯-比爾定律，摩爾吸收系數(shù)與吸收系數(shù)，吸光度與透光度，偏離朗伯-比爾定律的原因；掌握顯色反應(yīng)條件及光度測量條件的選擇；熟悉儀器的基本組成及關(guān)鍵部件；熟悉差示分光光度法的原理、特點(diǎn)；

了解紫外-可見分光光度法在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用；了解雙波長分光光度法導(dǎo)數(shù)分光光度法。概述基于物質(zhì)光化學(xué)性質(zhì)而建立起來的分析方法稱之為光化學(xué)分析法。分為：光譜分析法和非光譜分析法。光譜分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通過測量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強(qiáng)度來進(jìn)行分析的方法。

吸收光譜分析發(fā)射光譜分析分子光譜分析原子光譜分析光波譜區(qū)、躍遷類型與對(duì)應(yīng)的分析方法

概述:

在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法,主要有:

紅外吸收光譜：分子振動(dòng)光譜，吸收光波長范圍2.51000m,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。

紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm(近紫外區(qū))，可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。本章主要講授紫外可見吸光光度法。6.1.1光的基本性質(zhì)光是一種電磁波，具有波粒二象性。光的波動(dòng)性可用波長

、頻率

、光速c、波數(shù)（cm-1）等參數(shù)來描述：

=c；波數(shù)=1/

=

/c

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數(shù)：h=6.62610-34JS)光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復(fù)合光

單色光：單波長的光(由具有相同能量的光子組成)

可見光區(qū)：400～750nm

紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200～400nm

遠(yuǎn)紫外區(qū)10～200nm（真空紫外區(qū)）

6.1.2物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對(duì)不同波長光的吸收程度不同；用不同波長的單色光照射，測吸光度—

吸收曲線與最大吸收波長

max。M+

h

M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2物質(zhì)顏色及其補(bǔ)色

光的互補(bǔ)：藍(lán)

黃吸收曲線的討論：

（1）同一種物質(zhì)對(duì)不同波長的光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax

（2）吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。吸收曲線的討論：（3）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。（動(dòng)畫）（4）不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。（5）在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。6.1.3光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。A∝b

（動(dòng)畫1）（動(dòng)畫2）1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A∝c

二者的結(jié)合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

朗伯—比耳定律數(shù)學(xué)表達(dá)式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液對(duì)光的吸收程度；

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L-1；

ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；

或:

A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的濃度，單位g·L-1

a：吸光系數(shù)，單位L·g-1·cm-1

a與ε的關(guān)系為：

a=ε/M（M為相對(duì)分子質(zhì)量）透光度(透光率)T透過度T

:描述入射光透過溶液的程度:

T=It/I0吸光度A與透光度T的關(guān)系:

A＝－lg

T

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測定的依據(jù)。應(yīng)用于各種光度法的吸收測量；摩爾吸光系數(shù)ε在數(shù)值上等于濃度為1mol·L-1、液層厚度為1cm時(shí)，該溶液在某一波長下的吸光度；吸光系數(shù)a(L·g-1·cm-1）相當(dāng)于濃度為1g·L-1、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。2.分光光度法的靈敏度

(1)摩爾吸光系數(shù)

εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用分光光度法測定該物質(zhì)的靈敏度越高。一般認(rèn)為

ε>105超高靈敏；

ε=(6～10）×104高靈敏；

ε=(2～6）×104中等靈敏；

ε<２×104不靈敏。

摩爾吸光系數(shù)ε的討論

（1）吸收物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)；

（2）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。在波長等條件一定時(shí)，ε與待測物濃度無關(guān)；

（3）可作為定性鑒定的參數(shù)；

（4）同一吸收物質(zhì)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(shù)，常以εmax表示。εmax表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

(2)質(zhì)量吸光系數(shù)

質(zhì)量吸光系數(shù)a(L·g-1·cm-1）相當(dāng)于濃度為1g·L-1，液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度。

a與ε的關(guān)系為a=ε/M式中，M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量(g·mol-1)。質(zhì)量吸光系數(shù)a便于定量地比較不同物質(zhì)的靈敏度。因?yàn)閷?duì)于不同待測組分，其摩爾質(zhì)量往往不同，故不能簡單地根據(jù)ε的大小來判斷其靈敏度。

(3)桑德爾(Sandell)靈敏度S

當(dāng)產(chǎn)生A=0.001的吸光度時(shí)，單位截面積(cm2)光程內(nèi)所能檢測出的吸光物質(zhì)的最低含量。單位為μg·cm-2。一般分光光度計(jì)所能檢測的最小吸光度A≈0.001。設(shè)A=0.001時(shí)所能檢出某物質(zhì)的最低濃度為cmin（μg·mL-1)，cminb總為定值，故定義桑德爾靈敏度S

S=cminb

λmax下的桑德爾靈敏度Smax，反映了分光光度法測定某物質(zhì)所能達(dá)到的最大靈敏度。S與ε、a的關(guān)系：S=M/εS=1/a

3.偏離朗伯—比耳定律的原因

標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知溶液的濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線常發(fā)生彎曲（尤其當(dāng)溶液濃度較高時(shí)），這種現(xiàn)象稱為對(duì)朗伯—比耳定律的偏離。引起這種偏離的因素（兩大類）：

（1）物理性因素，即儀器的非理想化所引起的；

（2）化學(xué)性因素。（1）物理性因素難以獲得真正的純單色光。朗—比耳定律的前提條件之一是入射光為單色光。分光光度計(jì)只能獲得近乎單色的狹窄光帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對(duì)朗伯—比耳定律的正或負(fù)偏離。非單色光、雜散光、非平行入射光都會(huì)引起對(duì)朗伯—比耳定律的偏離，最主要的是非單色光作為入射光引起的偏離。

非單色光作為入射光引起的偏離

假設(shè)由波長為λ1和λ2的兩單色光組成的入射光通過濃度為c的溶液，則：

A

1＝lg（Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bc

A

2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉ01、Ｉ02分別為λ1、λ2的入射光強(qiáng)度；

Ｉt1、Ｉt2分別為λ1、λ2的透射光強(qiáng)度；

ε1、ε2分別為λ1、λ2的摩爾吸光系數(shù)；A總＝lg（Ｉo總/Ｉt總)＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉt1+Ｉt2）

＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉo110-ε1bc

+Ｉo210-ε2bc

）令：ε1-ε2＝

；設(shè)：Ｉo1＝Ｉo2A總＝lg(2Io1)/[Ｉt1(1＋10-

εbc

）]

＝lg

(Io1/Ｉt1)

+

lg2

-lg(1＋10-

εbc

）

＝

A1+lg2-lg(1＋10-

εbc

)

因?qū)嶋H上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故：討論:

A總=A1+lg2-lg(1＋10－

εbc

)

(1)

=0；即：

1=

2=

則：

A總

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝

bc(2)

≠0

若

<0；

即

2<

1；－

bc>0,

lg(1＋10-

bc)值隨c值增大而增大，則標(biāo)準(zhǔn)曲線偏離直線向c軸彎曲，即負(fù)偏離；反之，則向A軸彎曲，即正偏離。討論:

A總=A1+lg2-lg(1＋10－

εbc

)

(3)｜

｜很小時(shí)，即ε1≈ε2：可近似認(rèn)為是單色光。在低濃度范圍內(nèi)，不發(fā)生偏離。若濃度較高，即使｜

｜很小，A總

≠Ａ1

，且隨著c值增大，

A總

與A1的差異愈大，在圖上則表現(xiàn)為A—c曲線上部(高濃度區(qū))彎曲愈嚴(yán)重。故朗伯—比耳定律只適用于稀溶液。(4)為克服非單色光引起的偏離，首先應(yīng)選擇比較好的單色器。此外還應(yīng)將入射波長選定在待測物質(zhì)的最大吸收波長且吸收曲線較平坦處。(2)化學(xué)性因素

朗—比耳定律的假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用；假定只有在稀溶液(c<10-2mol·L-1)時(shí)才基本符合。當(dāng)溶液濃度c>10-2

mol·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。

故：朗伯—比耳定律只適用于稀溶液。

溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時(shí)，吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。

例：鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：

CrO42-＋2H+

=Cr2O72-＋H2O

溶液中CrO42-、Cr2O72-的顏色不同，吸光性質(zhì)也不相同。故此時(shí)溶液pH對(duì)測定有重要影響。6.1.4

電子躍遷與吸收帶類型1．分子的內(nèi)能與能級(jí)

分子內(nèi)能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。Ｅ＝Ee+Ev+Er

ΔΕr：0.005～0.050eV

ΔΕv：0.05～1eV

ΔΕe：1～20eV電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生紫外-可見光譜。帶狀光譜。

2．有機(jī)化合物內(nèi)的電子躍遷有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果（三種）：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。

外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。四種主要躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

⑴σ→σ＊躍遷所需能量最大，σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)(吸收波長λ<200nm，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測到)。如甲烷的λ為125nm,乙烷λmax為135nm。

⑵n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。

⑶π→π＊躍遷

所需能量較小，吸收波長處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，摩爾吸光系數(shù)εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，屬于強(qiáng)吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。如：乙烯π→π*躍遷的λ為162nm，

εmax為：1×104L·mol-1·cm－1。

⑷n→π＊躍遷

需能量最低，吸收波長λ>200nm。這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和π鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n→π＊

躍遷。丙酮n→π＊躍遷的λ為275nmεmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：

最有用的紫外－可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和基團(tuán)。這類含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基－N＝N－、乙炔基、腈基－C≡N等。助色團(tuán)：

有一些含有n電子的基團(tuán)(如－OH、－OR、－NH２、－NHR、－X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n－π共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長向長波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。紅移與藍(lán)移

有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向長波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。3.紫外—可見分子吸收光譜中的吸收帶解析紫外-可見吸收光譜時(shí)了解分子中存在何種基團(tuán)及其與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

π→π*和n→π*躍遷所涉及的吸收帶(4類)。(1)R吸收帶

因德文Radikal(基團(tuán))而得名，是由n-π共軛基團(tuán)產(chǎn)生n→π*躍遷所形成的。特點(diǎn)：吸收強(qiáng)度較弱(ε<100L·mol-1·cm-1)，最大吸收波長較長(λmax>270nm)。R帶隨溶劑極性的增加而產(chǎn)生紫移，但若附近有強(qiáng)吸收帶時(shí)則產(chǎn)生紅移，有時(shí)甚至被掩蓋。

(2)K吸收帶

因德文Konjugation(共軛作用)而得名，是由共軛π鍵產(chǎn)生π→π*躍遷所形成的。特點(diǎn)：吸收強(qiáng)度高(ε>104L·mol-1·cm-1)，最大吸收波長比R帶短(217～280nm)。如丁二烯的吸收峰(λmax=217nm，ε=2.1×104L·mol-1·cm-1)，即屬K帶。K帶隨共軛雙鍵數(shù)目的增加，產(chǎn)生紅移和增色效應(yīng)。

K帶是共軛分子的特征吸收帶，可用于推斷有機(jī)物的共軛結(jié)構(gòu)。

(3)B吸收帶

因德文Benzenoid(苯的)而得名，芳香族化合物的特征吸收帶。特點(diǎn)：譜帶上疊加有分子振動(dòng)產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)，故常用來辨別芳香族化合物。在極性溶劑中或有取代基與苯環(huán)相連時(shí)，B帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失并產(chǎn)生紅移；當(dāng)苯環(huán)與生色團(tuán)共軛時(shí)，則產(chǎn)生K和B兩種吸收帶，有時(shí)還會(huì)有R吸收帶。波長順序一般為R>B>K。如乙酰苯同時(shí)具有R帶(λmax=319nm,ε=50L·mol-1·cm-1)、B帶(λmax=278nm，ε=1.1×103L·mol-1·cm-1)和K帶(λmax=240nm,ε=1.3×104L·mol-1·cm-1)。

(4)E吸收帶

因Ethylenic（乙烯的）而得名，是芳香族化合物的另一類特征吸收峰，苯環(huán)內(nèi)π→π*躍遷所形成的。E帶可分為E1帶(λmax≈180nm)和E2帶(λmax≈200nm