基础化学徐春祥主编第十三章吸光光度法ppt课件.ppt

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1、第一节 吸光光度法的基本原理第二节 光吸收的基本定律第三节 吸光光度法分析条件的 选择第四节 分光光度计第五节 可见吸光光度法的应用,第十三章 吸光光度法,吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立的一种分析方法，包括比色法、可见吸光光度法、紫外吸光光度法和红外光谱法等。 吸光光度法属于仪器分析方法，它所测定的是物质对光的吸收程度。 吸光光度法主要具有以下特点： （1）测定的灵敏度高。常用于测量质量分数为 10-3 1 的微量组分，甚至可测定质量分数低至 10-5 10-4 的痕量组分。 （2）测定的准确度较高。一般吸光光度法测定的相对误差为2 5，若使用精密仪器，相对误差可降至1 2，完全可

2、以满足微量组分测定的要求。,（3）仪器设备简单，操作简便、快速，选择性好。由于新的显色剂和掩蔽剂不断发现，提高了选择性，一般不需分离干扰物质就能进行测定。 （4）应用广泛。几乎所有的无机离子和具有共轭双键的有机化合物都可以直接或间接地用吸光光度法进行测定。,第一节 吸光光度法的基本原理,一、光的基本性质,二、物质对光的选择性吸收,三、吸收曲线,一、光的基本性质,光是一种电磁波，如果按波长或频率排列，有如下所示的电磁波谱。,光具有波粒二相性。光的波长、频率 、速率 c、能量 E 之间的关系为： 不同波长的光具有不同的能量，光的波长越短， 光的能量就越大；光的波长越长，光的能量就越小。,二、溶液对

3、光的选择性吸收,人的眼睛能感觉到的光称为可见光，其波长大约在 400 760 nm范围内。通常将具有同一波长的光称为单色光，由不同波长的单色光组合得到的光称为复合光。 溶液之所以呈现不同的颜色，是由于溶液对不同波长的单色光选择吸收而产生的。当一束白光通过一有色溶液时，某种波长的单色光被溶液吸收，而其他波长的单色光透过溶液。因此，溶液呈现的颜色取决于透过光的颜色。,如果将两种单色光按适当的比例混合后得到白光，则这种单色光称为互补色光。显然，透过光和吸收光是互补色光。,物质的颜色与吸收光颜色的关系,三、吸收曲线,如果将不同波长的光通过一定浓度的某一溶液，分别测定溶液对各种波长的光的吸光度。以入射光

4、的波长 为横坐标，相应的吸光度 A 为纵坐标作图，可得到一条吸光度随波长变化的曲线，称为吸收曲线或吸收光谱。,KMnO4 的吸收曲线,吸收曲线中吸光度最大时所对应的波长称为最大吸收波长 。当溶液的浓度不同时，其吸收曲线的形状和 的位置不变，只是同一波长下的吸光度随溶液浓度的变化而发生变化。吸收曲线是吸光光度法选择测定波长的重要依据。,第二节 光吸收的基本定律,一、Lambert-Beer 定律二、偏离 Lambert-Beer 定律的原因,一、Lambert-Beer 定律,吸光度和透光率的定义分别为：,吸光度与透光率的关系为：,A =lgT,1760 年， Lambert 指出：一束平行单色

5、光通过有色溶液后，光的吸收程度与溶液液层的厚度成正比。 A = k1 d1982年，Beer 指出：一束平行单色光通过有色溶液后，光的吸收程度与溶液的浓度成正比。 A = k2 cB将 Lambert 定律和 Beer 定律合并起来，就得到 Lambert-Beer 定律。,例题,例13-1 用邻菲罗啉法测定铁，已知 Fe2+ 的质量浓度为 1.0 10-3 gL-1。用2cm吸收池，在波长508nm 处测得吸光度A 为0.38，计算铁 邻菲罗啉配离子的摩尔吸收系数。解：Fe3+浓度为：,1mol Fe2+能生成1mol Fe 邻菲罗啉配离子，因此配离子浓度也为 。,若溶液的组成用质量浓度表示

6、。Lambert-Beer 定律可表示为： 与 a 的关系为： 溶液中含有多种吸光物质时，若吸光物质之间没有相互作用，则溶液吸光度等于各吸光物质的吸光度之和。,二、偏离 Lambert-Beer 定律的原因,根据 Lambert-Beer 定律，以 A 为纵坐标，以 cB或B 为横坐标作图，应得到一条通过原 点的直线。 但在实际测定中，常会出现标准曲线偏离 直线的现象，曲线向上或向下发生弯曲，这种 现象称为偏离 Lambert-Beer 定律。,标准曲线的偏离,1. 非单色光引起的偏离 假设入射光仅由波长为 和 的两种单色 光组成， 其强度分别为 I01 和 I02 ，当通过浓度 为cB，厚度

7、为d 的吸光物质溶液后，透射光的强 度分别为 I1 和 I2。,引起偏离 Lambert-Beer 定律的原因有物理因素和化学因素两大类。,（一）物理因素引起的偏离,对波长为 的单色光：对波长为 的单色光：,实际测定时，只能测得它们的总吸光度 A总。由于总入射光强度为 I01I02，总透射光强度为 I1I2 ，故：,若12，则有：,即总吸光度 A总与浓度 cB仍服从 Lambert- Beer 定律。此结论可能对应以下两种不同的情况： （1） 很小，可近似认为 ， 入射光近似为单色光，故 A 与 cB仍成正比。 （2）尽管 较大，但在所选择的入射光波长范围附近吸收曲线较平坦，因此变化较小，故

8、A 与 cB仍保持较好的线性关系。 若 较大时， 不等于 ，则 A 与 cB 不成正比而偏离 Lambert-Beer 定律， 与 相差越大，偏离就越显著。,2. 非平行入射光引起的偏离 若入射光束为非平行光，就不能保证光束全部垂直通过吸收池，可能导致光束通过吸收池的实际平均光程大于吸收池的厚度，使实际测得的吸光度大于理论值，从而导致与Beer 定律产生正偏离。,3. 介质不均匀引起的偏离 若溶液中生成溶胶或发生浑浊，当入射光通过该溶液时，除一部分被吸光物质吸收外，还有一部分被溶胶粒子和粗分散粒子散射而损失，使透光率减小，实测的吸光度偏高，从而对 Lambert-Beer 定律产生正偏离。,1

9、. 溶液浓度过高引起的偏离 若吸光物质溶液的浓度较高时，吸光粒子之间的相互作用较强，改变了吸光粒子对光的吸收能力，使溶液的吸光度与溶液浓度之间的线性关系发生了偏离。2. 化学反应引起的偏离 Lambert-Beer 定律中的浓度是指吸光物质的平衡浓度，而在实际工作中常用吸光物质的分析浓度来代替。当吸光物质的平衡浓度等于其分析浓度或与分析浓度成正比时，A 与 cB的关系服从Lambert-Beer 定律。,（二）化学因素引起的偏离,被测吸光物质在溶液中常发生缔合、解离、互变异构、逐级配位等反应，形成新的化合物而改变了其平衡浓度与分析浓度之间的正比关系，从而导致偏离 Lambert-Beer 定律

10、。,第三节 吸光光度法分析条件的选择,一、显色反应及其条件二、测定波长的选择三、吸光度范围的选择四、参比溶液的选择,一、显色反应及其条件,可见光区的吸光光度法只能用于测定有色 溶液。对无色溶液和颜色较浅的溶液进行测定时，必须加入一种能与被测组分反应生成颜色 较深的有色化合物的试剂，然后再进行测定。 将被测组分转变成有色化合物的化学反应称为 显色反应，能与被测组分反应使之生成有色化 合物的试剂称为显色剂。,显色剂必须满足下述条件： （1）灵敏度要高：可见吸光光度法一般用于微量组分的测定，因此要求选择的显色剂能与待测组分生成摩尔吸收系数较大的有色化合物。生成的有色化合物的摩尔吸收系数越大，对入射光

11、的吸收程度越大，测定的灵敏度就越高。 （2）选择性要好：选用的显色剂最好只与待测组分发生显色反应，而与溶液中共存的其他干扰离子不显色，或者显色剂与被测组分所生成的有色化合物的颜色和显色剂与干扰离子所生成有色化合物的颜色有明显的不同。,（3）显色剂与被测组分生成的有色化合物要有足够的稳定性，不易受外界条件的影响而发生变化。 （4）显色剂与被测组分生成的有色化合物的组成要恒定，符合一定的化学式，否则测定的再现性就较差。 （5）有色化合物与显色剂的最大吸收波长的差别要足够大，一般要求相差 60 nm 以上。,（二）显色条件的选择 1. 显色剂的用量 显色剂的适宜用量常通过实验确定，其方 法是取710

12、个相同浓度的被测组分的溶液，并 固定其他条件，然后分别在溶液中加入不同量 的显色剂，逐一测定吸光度，绘制吸光度 A与 显色剂浓度 cB 的关系曲线。,吸光度与显色剂用量的关系,2. 溶液的酸度 溶液的酸度对显色反应的影响主要表现在以下三个方面： （1）溶液的酸度对被测组分存在状态的影响： 大多数被测金属离子易水解，当溶液 pH 增大时，可能生成各种类型的氢氧基配合物，甚至生成氢氧化物沉淀，使显色反应不能进行完全。,（2）溶液的酸度对显色剂的平衡浓度和颜色的影响：大多数显色剂是有机弱酸或有机弱碱，当溶液的 pH 变化时，将影响显色剂的平衡浓度，并影响显色反应的完全程度。另外，有一些显色剂本身就是

13、酸碱指示剂，它们在不同 pH 的溶液中具有不同的结构，而产生不同的颜色，所以对显色反应也有影响。,（3）溶液酸度对有色化合物组成的影响： 在不同 pH 的溶液中，显色剂与待测离子形成的 有色化合物的组成往往不同，其颜色也不同。必 须控制合适的pH，才能获得好的分析结果。 不同的显色反应的适宜 pH 是通过实验确定的。具体方法是: 固定溶液中被测组分和显色剂的浓度， 改变浓度的 pH ，测定此 pH 下溶液的 吸光度， 以 pH 为横坐标， 以吸光度为纵坐标，作出 pH 与吸光度的关系曲线，从中可找出适宜的 pH 范围。,H 与吸光度的关系曲线,3. 显色温度 显色反应一般在室温下进行，但有些显

14、色反应需要加热到一定温度时才能完成，而有些化合物当温度较高时又容易发生分解。对不同的显色反应，应通过实验找出各自的最佳温度范围。4 . 显色时间 通过实验来确定合适的测定时间。实验的方法是配制一份待测溶液，从加入显色剂起计算时间，每隔几分钟测定一次吸光度，绘制 A-t 关系曲线，根据曲线选择合适的测定时间。,二、测定波长的选择,选择溶液具有最大吸收的波长 max 作为入射波长。在max处 最大，使测定具有较高的灵敏度；同时，在max处的一个较小范围内，吸光度变化较小，不会偏离 Lambert-Beer定律，也使测定具有较高的准确度。如果干扰物质在max处也有强烈吸收时，可选用非最大吸收处的波长

15、，但应尽可能选择 随波长改变而变化不大的区域内的波长。,三、吸光度范围的选择,在吸光光度分析中，分光光度计的读数误差也是测定误差的主要来源之一。对于同一台仪器，透光率读数的绝对误差 基本上为一 定值。 由于透光率 T 与试样溶液浓度 cB 之间为对数关系，因而在不同的透光率读数范围内，这一恒定误差 所引起的浓度 cB 的测定的相对误差是不同的。,以上两式相除：,上式也可改写成：,根据 Lambert-Beer 定律：,当液层厚度 d 为定值时，将上式微分：,不同透光率时测定浓度的相对误差cB/cB(T=0.01),测定相对误差与透光率的关系,在 T = 36.8%（A=0.434）时，浓度测定

16、的相对误差最小。 在实际测定时，常将吸光度控制在0.2 0.7（T=20% 65%）之间，以减小浓度测定的相对误差。,四、参比溶液的选择,选择参比溶液的原则如下： （1）如果仅待测组分与显色剂的反应产物有吸收，可用纯溶剂作参比溶液。 （2）如果显色剂或其他试剂略有吸收，可用不含待测组分的试剂溶液作参比溶液。 （3）如果试样中的其他组分也有吸收， 但不与显色剂反应，则当显色剂无吸收时，可用试样溶液作参比溶液；当显色剂略有吸收时，可在试液中加入适当掩蔽剂，将待测组分掩蔽后，再加入显色剂，以此溶液作参比溶液。,第四节 分光光度计,一、基本部件及性能二、几种常用的分光光度计,一、基本部件及性能,分光光

17、度计的基本组成部件为：,在可见光区测定时，常用钨灯或碘钨灯作光源， 它发出波长为 320 2500 nm范围内的连续光谱。,（一）光源,单色器是将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。单色器由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜等组成。 （1）棱镜：棱镜是根据光的折射原理，将复合光色散分为不同波长的单色光，然后再让所需波长的光通过一个很窄的出射狭缝照射到吸收池上。 （2）光栅：光栅是根据光的衍射和干涉原理来达到色散目的。光栅的分辨率比棱镜高，适用波长范围宽 ，而且色散均匀。,（二）单色器,（三）吸收池 吸收池也称比色皿，是用光学玻璃或石英制成的无色透明的长方体容器，用于盛放参比溶液或待测溶液。,利

18、用光电效应将透射光强度转换为电流进行测定的光电转换部件称为检测器。可见分光光度计常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管。,（四）检测系统,（1）光电池：常用的光电池是硒光电池，当光照射在光电池上时，半导体硒表面就有电子逸出，被收集于金属薄膜上，因此带负电，成为光电池的负极。由于硒的半导体性质，电子只能单向移动，使铁片成为正极。通过与电阻很小的外电路连接，能产生 10100 的光电流，可直接用检流计测定，电流大小与照射光强度成正比。,（2）光电管：光电管是由一个阳极和光敏阴极组成的真空（或充有少量惰性气体）二极管，阴极表面镀有碱金属或碱金属氧化物等光敏材料，当它被具有足够能量的光照射时，能够发

19、射电子。当两极间有电位差时，发射出的电子就流向阳极而产生电流，电流的大小取决于入射光的强度。,（3）光电倍增管：光电倍增管中有一个光敏阴极和若干个倍增光敏阴极，当光照射光敏阴极时发射出电子，由于外电场的加速作用，这些电子高速轰击相邻的第一阴极，该阴极经电子轰击后又产生次级电子，其数目较入射的电子多，这些电子再次被加速轰击第二阴极，从而发射出更多的电子。通常使用912个这种阴极，可将电流放大几百万倍以上。最后倍增了电子射向阳极形成电流，光电流通过负载电阻可变成电压信号，经放大后将信号输入读数指示器。,（五）读数指示器 读数指示器的作用是把光电流放大的信号以适当方式显示或记录下来。通常使用悬镜式光

20、电反射检流计测定产生的光电流。检流计光点偏转刻度直接标为吸光度和透光率，测定时一般可直接读出吸光度。,二、几种常用的分光光度计,（一）721 型分光光度计,由光源1发出的光照射到聚光透镜2上，会聚后经反射镜7转角 后，反射至入射狭缝 6（狭缝正好位于准光镜的焦面上），再经狭缝射至准光镜4，被4反射以一束平行光射向色散棱镜3，光线进入3被色散后依原路稍偏转一个角度反射回来，这样从色散棱镜3色散后出来的光线再经过准光镜4反射后，就会聚在出射狭缝6上（出射狭缝和入射狭缝是一体的），经聚光透镜9后，照射在吸收池10上，未被吸收的光通过光门11照射在光电管13上。,（二）751 型分光光度计,光源有钨灯

21、1和氢灯2各一只，可按需要转换，钨灯适用于可见吸光光度法测定；氢灯发射150400nm波长的光，适用于200400nm波长范围内的紫外吸光光度法测定。光源2发出的光经凹面镜3反射成平行光，到达平面反光镜7转角 ，通过狭缝6至准直镜5，进入石英棱镜4，色散后再经准直镜5 聚焦至出光狭缝 6，经透镜9 后通过吸收池8，透射光进入光电管10或11。光电管有红敏（625 1000 nm）和蓝敏（200 625 nm）两只，可通过手柄转换。光电流经放大后推动指零电表，电表指针偏离零位时，转动读数指示器（标有A 和T 刻度）使其回复到零。指示器所指数值即为被测溶液的吸光度和透光率。,第五节 可见吸光光度法

22、的应用,一、单组分的测定二、多组分的测定,一、单组分的测定,试样中某种微量组分的测定，通常采用标准曲线法。先配制一系列不同浓度的被测组分的标准溶液，在选定的波长和最佳操作条件下，分别测定溶液的吸光度，以吸光度为纵坐标，以浓度为横坐标作图，得到标准曲线。再在相同的操作条件下，测定试样溶液的吸光度，然后从标准曲线上查得试样溶液的浓度。,二、多组分的测定,对于含有多种被测组分的试液，如果吸光物质之间没有相互作用，且服从 Lambert-Beer定律，此时系统的吸光度等于各组分的吸光度之和。 吸收光谱通常有以下两种情况。 （1）吸收光谱互不重叠：在某一波长1处，X有吸收，而 Y 不吸收；在另一波长2处，Y 有吸收，而 X 不吸收。可以分别在波长1 和2 处，测定组分 X 和 Y 的吸光度，而互相不发生干扰。,吸收光谱不重叠 吸收光谱重叠,（2）吸收光谱重叠：在吸收光谱中找出两个波长1和2下，X和Y的吸光度相差较大。可分别在波长1 和2 处测定试液的吸光度 和 ，由吸光度的加和性得联立方程：,解此联立方程，可求得 cx 和 cY。,