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1、1 第四章分子吸收光谱法 2 第一节吸收光谱法的基本原理 吸收光谱法 absorptionspectrometry 利用物质分子 原子或原子核对某一波长范围的光的选择性吸收 对物质进行定性 定量及结构分析 紫外 可见光谱法红外光谱法 原子吸收光谱法分子吸收光谱法核磁共振波谱法 4 单色光 复合光 光的互补 由不同波长的光组合而成的光 若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光 就称这两种单色光为互补色光 这种现象称为光的互补 单一波长的光 5 不同颜色的可见光波长及其互补光 6 物质对光的吸收具有选择性 若选择性地吸收了某种颜色的光 则呈吸收光的互补光色 例如 当一束白光 复合光 通过
2、硫酸铜溶液时 水合铜离子中的电子发生跃迁 选择性的吸收复合光中的黄光 其他颜色的光不被吸收而透过溶液 故溶液呈现出黄色的互补色 蓝色 7 M 基态 h M 激发态 二 吸收光谱 AbsorptionSpectrum 光 包含连续分布的一切波长的光 通过物质时 某些波长的光被物质吸收后产生的光谱 叫做吸收光谱 7 由狭窄谱线组成的光谱 单原子气体或金属蒸气所发的光波均有线状光谱 故线状光谱又称原子光谱 锐线光谱 线状光谱 8 分子内电子跃迁 带状光谱 由一系列光谱带组成 分子中存在电子的运动 分子的振动 转动多种运动形式 分子转动能级的间隔十分密集 在特定范围的波段内用普通分辨率的光谱仪器观察
3、看到的是连续光谱 带状光谱 9 苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱 吸收曲线 将不同波长的单色光依次通过溶液 测量溶液的吸光度A absorbance 以波长 为横坐标 A为纵坐标作图 又称吸收光谱 吸光度最大处的波长为 max 10 定性分析 定量分析 物质对光的选择吸收 在一定条件下 物质对光的吸收与物质的浓度成正比 三 定性分析与定量分析依据 11 当一束平行单色光垂直照射到均匀 非散射的样品时 溶液的吸光度与溶液的浓度及光程 溶液的厚度 成正比 A kbcA 吸光度 k 比例常数 b 溶液厚度 c 溶液浓度 注意 平行单色光均相介质无发射 散射或光化学反应 朗伯 比耳定律是吸光光度法的理论基
4、础和定量测定的依据 应用于各种光度法的吸收测量 第二节吸光定律和定量分析方法 一 吸光定律 Lambert Beer定律 12 吸光度A与透光率T 当一束平行单色光照射到任何均匀 非散射的介质 溶液固体 液体或气体 光的一部分被介质吸收 一部分透过溶液 一部分被器皿的表面反射 如果入射光的强度为I0 吸收光的强度为Ia 透过光的强度为It 反射光的强度为Ir 则它们之间的关系为 13 在分光光度测定中 比色皿都是采用相同质地的光学玻璃制成的 反射光的强度基本上是不变的 一般约为入射光强度的4 其影响可以抵消 于是可以简化为 透光率 透射比 Transmittance T取值为0 100 0 全
5、部吸收 T 0 全部透射 T 100 0 14 吸光度与透光率的关系 T 0 A T 100 A 0 T 36 8 A 0 434 15 二 吸光系数Absorptivity k 比例常数 入射光波长 物质的性质 温度 取值与浓度的单位相关 c mol L k 摩尔吸光系数 L mol 1 cm 1 c g L k a 吸光系数 L g 1 cm 1 c g 100mL k 比吸光系数 100mL g 1 cm 1 相互关系 M为摩尔质量 16 是吸光物质在一定波长下的特征常数 反映该吸光物质的灵敏度 值越大 表示该吸光物质对此波长光的吸收能力越强 显色反应越灵敏 在最大吸收波长处的摩尔吸光系
6、数常以 max表示 17 A abc Ma 铁 浓度为5 0 10 4g L 1的溶液 与邻二氮菲以1 3的计量比生成橙色络合物 该配合物在波长508nm 比色皿厚度为2 00cm时 测得A 0 190 计算邻二氮菲铁的a和 解 a A bc 0 190 2 5 34 10 3 17 8L g 1 cm 1 Ma 596 48 17 8 1 06 104L mol 1 cm 1 M Fe C12H8N2 3 596 48g mol 18 A1 e1bc1A2 e2bc2A e1bc1 e2bc2 根据吸光度的加和性可以进行多组分的测定以及某些化学反应平衡常数的测定 溶液中含有对某一波长的光产生
7、吸收的多种物质 那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质的吸光度之和 三 吸光度的加和性 19 a用同质材料的比色管b配制不同量的标准溶液c同量的显色剂 相同的实验条件 配成一套标准色阶d待测物与标准色阶的配制条件相同 置于色阶中比较颜色度 一 光度分析方法 第三节光度分析的方法和仪器 1 目视比色法 20 目视比色法 特点 利用自然光 比较吸收光的互补色光 准确度低 半定量 不可分辨多组分 方法简便 21 2 光电比色法 光电比色计结构示意图 通过滤光片得一窄范围的光 几十nm 22 滤光片 吸收滤光片 只允许指定的窄范围波长光通过 其他波长的光均被吸收 选择滤光片的原则 滤光片透光率最大的
8、光是溶液吸收最大的光 即滤光片的颜色与有色溶液的颜色互补 23 与目视比色法相比 光电比色法提高了测量准确度 而且可以通过选择滤光片来消除干扰 从而提高了选择性 但光电比色计采用钨灯光源和滤光片 只适用于可见光谱区和只能得到一定波长范围的复合光 而不是单色光束 方法 在光电比色计上测量一系列标准溶液的吸光度 将吸光度对浓度作图 绘制工作曲线 然后根据待测组分溶液的吸光度在工作曲线上查得其浓度或含量 24 用仪器代替人眼进行测量 消除了主观误差 提高了准确度 待测溶液中有其它有色物质共存时 可以选择适当的单色光和参比溶液来消除干扰 因而提高选择性 在分析大批试样时 使用标准曲线法可以简化手续 加
9、快分析速度 3 分光光度法 1 优点 25 光源 单色器 吸收池 检测器 显示 I0 It 参比 样品 2 分光光度计 26 紫外 可见分光光度计组件 光源 单色器 样品池 检测器 信号输出 氢灯 氘灯 185 350nm 卤钨灯 250 2000nm 作用 将复合光色散成单色光 棱镜 光栅 玻璃 光学玻璃 石英 作用 将光信号转换为电信号 并放大 光电管 光电倍增管 光电二极管 光导摄像管 表头 记录仪 屏幕 数字显示 27 722型分光光度计 光源 钨卤素灯 12V 30W波长范围 330 800nm分光元件 光栅 1200线 mm检测器 端窗式G1030光电管多碱阴极真空管300 850
10、nm波长精度 2nm光谱带宽 6nm波长精度 仪器波长指示器所显示的波长值与仪器对应输出的实际波长值之间的符合程度 可用二者之差来衡量 28 29 分光光度计的主要部件 光源 发出所需波长范围内的连续光谱 有足够的光强度 能量分布均匀 稳定 30 常用光源 31 32 单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统 入射狭缝 光源的光由此进入单色器 准光装置 透镜或返射镜使入射光成为平行光束 色散元件 将复合光分解成单色光 棱镜或光栅 聚焦装置 透镜或凹面反射镜 将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝 出射狭缝 33 棱镜 依据不同波长光通过棱镜时折射率不同 玻璃棱镜适用
11、350 3200nm 石英棱镜适用185 4000nm 光栅 在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕 600 1200 2400条 mm 利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光 34 吸收池 比色皿 用于盛待测及参比溶液 厚度 光程 0 5 1 2 3 5 cm可见光区 光学玻璃池紫外区 石英池 检流计 指示器 低档仪器 刻度显示中高档仪器 数字显示 自动扫描记录 检测器 利用光电效应 将光能转换成电流讯号 光电池 光电管 光电倍增管 35 3 分光光度计的类型 单波长单光束分光光度计 简单 价廉 适于在给定波长处测量吸光度或透光度 一般不能作全波段光谱扫描 要求光源和检测器具有很高
12、的稳定性 36 单波长双光束分光光度计 可消除光源不稳定 检测器灵敏度变化等因素的影响 特别适合于结构分析 仪器复杂 价格较高 37 将不同波长的两束单色光 1 2 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器 产生交流信号 无需参比池 两波长同时扫描即可获得导数光谱 双波长紫外可见光谱仪 38 多通道仪器 MultichannelInstruments 光电二极管阵列 通常具有316个硅二极管 photodiodearrays PDAs 同时测量200 820nm范围内的整个光谱 比单个检测器快316倍 信噪比增加3161 2倍 其他类型分光光度计 纤维光度计将光度计放入样品中 原位测量 对环境和过
13、程监测非常重要 39 选择显色剂优化显色反应条件选择检测波长选择合适的浓度选择参比溶液建立标准曲线 第四节定量分析条件 40 选择性好 一种显色剂最好只与被测组分起显色反应 干扰少 或干扰容易消除 无特征吸收 无色或浅色的化合物 需要通过适当的反应定量生成对紫外可见光有显著吸收的有色化合物再测定 一 显色反应及影响因素 1 显色剂的要求 41 灵敏度高 104 产物的化学组成稳定 对于形成不同配位比的配位反应 必须注意控制试验条件 使生成一定组成的配合物 以免引起误差 化学性质稳定 反应物和产物有明显的颜色差别 60nm 显色反应的条件要易于控制 如果要求过于严格 难以控制 测定结果的再现性差
14、 42 2 显色剂 无机显色剂 过氧化氢 硫氰酸铵 碘化钾 43 偶氮类 偶氮胂III 主要用于微量铀 钍 锆和稀土元素的比色测定 有机显色剂 44 三苯甲烷类 三苯甲烷酸性染料铬天菁S 三苯甲烷碱性染料结晶紫 测定铍 铝等金属和稀土金属 45 邻菲罗啉类 肟类 丁二肟 主要用于二价铁 铂 钯的比色测定 氰化物 镍 钯的光度测定 46 络合反应 氧化还原反应 3 显色反应类型 47 离子缔合反应 成盐反应 48 4 影响因素 由于大多数显色剂是有机弱酸 碱 介质酸度变化将直接影响显色剂的离解程度和显色反应是否进行完全 改变 l 影响待测离子的存在状态 防止沉淀 影响络合物组成 溶液酸度 pH值
15、及缓冲溶液 49 实验确定金属离子与某种显色剂反应的适宜酸度范围 固定待测组分及显色剂浓度 改变溶液的pH值 测定其吸光度值 作吸光度 A 与pH值关系曲线 选择曲线平坦部分对应的pH值作为测定条件 50 显色剂用量 生成的有色配合物稳定 对显色剂浓度控制要求不太严格 只要加入稍过量的显色剂 显色反应即能定量进行 适用于光度分析 显色剂浓度在一较窄的范围内时 吸光度值才较稳定 因此必须严格控制 显色剂浓度增大 吸光度不断增大 这种显色反应条件很难控制 一般不适用于光度分析 51 显色反应时间 显色反应温度 52 干扰离子 干扰离子本身有颜色或与显色剂反应生成有色物质 在测量条件下有吸收 干扰离
16、子与被测组分或与显色剂反应 使显色反应不完全 干扰离子在测量条件下析出 使溶液变浑浊 53 例 测定Ti4 可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3 黄色 成为Fe PO 23 无色 消除Fe3 的干扰 用铬天菁S光度法测定Al3 时 加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3 还原为Fe2 消除Fe3 的干扰 消除办法 1 控制酸度 提高反应的选择性 2 加入隐蔽剂 掩蔽剂不与待测离子反应 与干扰离子反应的生成物不影响待测离子检测 3 选择合适参比溶液 选择适当波长 54 二 测定波长的选择 选择原则 吸收最大 干扰最小 灵敏度 选择性 一般根据吸收曲线选择溶液的最大吸收波长为测量波长 在此波长处摩尔吸光系数最大 测定灵敏度最高 在此波长处吸光度有一较小的平坦区 能够减小或消除由于单色光不纯而引起的对朗伯 比尔定律的偏离 使测定的准确度提高 55 如果最大吸收波长不在可测范围 或最大吸收波长处有其他物质的吸收干扰 则必须选用其他波长为测量波长 56 三 吸光度范围控制 吸光度A 0 2 0 8减少测量误差 控制试液的浓度 选择不同厚度的比色皿 可采取以下措施 57 四 参比溶液选择 消除吸收池壁和溶液对入射
