中国地质大学《分析化学》第6章吸光光度法

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1、2,提供有关试样的信息。 信息包括成分、含量、状态和结构等。 作用：从广义上讲，分析仪器的作用是把通常不能被人直接检测和理解的信号转变成可以被人检测和理解的形式。 分析仪器是被研究体系和科学工作者之间的通讯器件。,分析仪器的基本设计思路,3,光学分析法,光谱法,非光谱法,原子光谱法,分子光谱法,AES,AAS,AFS,UV-Vis,IR,MFS,MPS,光学分析法一般介绍,光谱法是基于物质与辐射能作用时，测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度等等进行分析的方法。,非光谱法是基于物质与辐射相互作用时，测量辐射的某些性质，如折射、散射、干涉、衍射、偏振等变

2、化的分析方法。,原子光谱法是由原子外层或内层电子 能级的变化产生的，它的表现形式为线光谱。,分子光谱法是由 分子中电子能级、振动和转动能级 的变化产生的，表现形式为带光谱。,XFS,Ultraviolet-visible,4,目 录,6.1 光吸收的基本定律,6.2 吸光光度法及仪器,6.3 吸光光度分析及误差控制,6.4 显色反应,6.5 吸光光度分析法的应用,5,6.1 光吸收的基本定律,6.1.1 颜色与吸收光谱,6.1.2 光吸收基本定律,6,绚丽多彩的大自然界,7,绚丽多彩的大自然界,8,6.1.1颜色与吸收光谱,颜色是一种感觉，要证明它们的存在，必须通过观察者的亲身感受。 物质的颜

3、色主要由物质的吸收光谱或反射光谱所决定。 要讨论颜色，必须从了解光的性质开始。,颜色往往是人们对化学开始引起浓厚兴趣的主要原因。工业家和科学家对颜色进行了长期的研究 ，但要对颜色下一个确切的定义却很难。 J.Griffiths(英),9,光的基本性质,光量子能量E：,h 普朗克(Planck)常数 h=6.62610-34Js 频率 l 波长 E光量子具有的能量。,光是一种电磁波，具有波动性和微粒性。,10,单色光、复合光、光的互补,单色光：单一波长的光 复合光：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，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互

4、补。,11,雨后彩虹是连续光谱,12,可见光光谱,让一束白光通过分光元件，它将分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的光，即可见光谱，可见光谱是连续光谱（光的强度随频率变化呈连续分布的光谱称连续光谱）。,13,光与物质的作用,当一连续光源通过棱镜时，光线被分解成各个波长的单色光。各波长的光在通过含有原子或分子的样品池时，其中有些波长的光被吸收池内的原子或分子吸收。将透过的光记录下来得到吸收光谱图。这种方法在分析中称为光谱法。,14,分子中的能级状态,分子的总能量：,Ee电子运动能；Er分子转动能；Ev分子振动能；,Et分子的平动能；Ei分子基团间的内旋转能； EN分子的核内能。,分子平动能

5、和分子内旋转能可视为连续的(10-18eV)，而核能级(核自旋)在磁场中才分裂，所以分子光谱主要取决于电子能量、分子振动能和转动能的变化，即只要考虑,15,分 子 吸 收 光 谱 的 产 生,E,电子能级 Ee=120 eV,振动能级 Ev=0.051 eV,转动能级 Et=10-410-2 eV,分子中的电子相对于核的运动;,分子整体绕质心的转动。,各原子在平衡位置附近的振动；,分子内部运动有三种形式：,分子内部能量是量子化的,16,分子内部能量是量子化的,电子能级 120eV,紫外可见光区,振动能级 0.051eV,转动能级 110-40.05eV,近红外光区,远红外光区,电子能级,E,振

6、动能级,转动,17,光学光谱区、跃迁类型与分析方法,18,分 子 吸 收 光 谱 的 产 生,光的吸收是物质与光相互作用的一种形式。入射光能量与分子能级间的能量差E相等时，才会吸收。,光子作用于物质分子时，光子将能量传递给物质分子，分子中的价电子获得能量后从电子基态跃迁到电子激发态，同时伴随着振动、转动的能级变化。电子光谱通常在可见紫外光区，称可见紫外光谱。,19,分子吸收光谱 Molecule Absorption Spectrum,纯 电子能态 间跃迁,20,紫外可见吸收光谱的 产 生,当光子作用于物质分子时，如果光子的能量与物质分子的某能级间的能量差相等时，光子将能量传递给物质分子，分子

7、中的价电子获得能量后从电子基态跃迁到电子激发态，同时伴随着振动、转动的能级变化。电子光谱通常在可见紫外光区，称可见紫外光谱。 例如A物质,利用紫外可见光谱可进行定性和定量分析。,1eV=1.9*10-19J,21,光透过溶液时的现象,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,22,吸收光谱图,以波长为横坐标，以吸收光的强度为纵坐标绘制的曲线，称为吸收吸收光谱图。它能清楚地描述物质对不同波长的光的吸收情况。,不同浓度的KMnO4的吸收光谱图,23,溶液颜色与吸收光颜色的关系,24,溶液中溶质分子对光的吸收与吸收光谱,不同颜色的可见光波长及其互补光,25,300,400,500,60

8、0,700,/nm,350,525 545,Cr2O72-,MnO4-,Cr2O72-、MnO4-的吸收光谱,350,26,苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱,紫外部分吸收,苯和甲苯在环己烷中的吸收光谱,27,几种稠环芳烃的吸收光谱图,28,根据物质对光的最大吸收波长，可进行定性分析。 一定的实验条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比。根据物质对光的吸收多少可进行物质的定量分析。,Curve Absorption Spectrum,定性分析与定量分析的基础,29,6.1.2 光吸收基本定律,透光率与吸光度 一束平行单色光通过均匀、非散射的固体、液体或气体介质时，一部分被吸收，一部分透过介质，一部分

9、被器皿的表面反射。设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia ，透过光强度为It ，反射光强度为Ir 。,Transmission absorption Reflect original,30,6.1.2 光吸收基本定律,吸光光度分析法中，试液和空白溶液分别置于同样质料及厚度的吸收池中，让强度为Io的单色光分别通过这两个吸收池，再测量其透过光的强度。此时反射光强度基本上不变，其影响可以相互抵消。此时用I0表示入射光强度，则,透光率T：,透光率T越大(吸光度A越小)，表示样品对光的吸收越小。,吸光度A：,Absorbance,Transmittance,31,透光率T与吸光度A的关系,32,光吸收原理

10、Lambert定律,1760年Lamber用实验证明。光的减弱程度与通过介质的光程成正比。,33,光吸收原理Beer定律,1852年Beer研究证明。光的减弱程度与介质中光所遇到的质点数成正比。,34,6.1.2 光吸收基本定律朗伯-比尔定律,朗伯-比尔定律：当一束强度为I0的平行单色光垂直照射到长度为b、浓度为c的液层，通过溶液后光的强度为It ，实验证明，吸光度A为：,上式即为朗伯比尔定律的数学表达式，是光度法定量分析的基础。 式中比例常数K与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。,I0入射光强度 It透射光强度,35,吸收定律的推导,一束平行光垂直照射截面积为S的均匀、非散射的吸收

11、介质，假设将吸收层厚度b分解为多个厚度为db的薄层。每一薄层的体积为S db 。 dS表示捕获面积，N 为吸光的质点数，c为吸光溶液的浓度。,照射到薄层的光强为I，吸收光子后光强减弱了dI，则-dI / I为俘获光子的分数。从统计学观点，俘获分数正比于吸光的质点数，所以得到下式：,36,吸收定律的推导,故 A = 0.434kbc=Kbc,将上式积分:,得:,因为,所以,N0为阿佛加德罗常数,37,摩尔吸收系数,上式中比例常数K随c的单位不同而不同。同一吸收物质在不同波长下的K值是不同的。,A = 0.434kbc=Kbc,当浓度c用molL-1，液层厚度b用cm为单位表示，则K用符号e来表示

12、。 e称为摩尔吸收系数，单位为Lmol-lcm-1，它表示物质的量浓度为lmolL-1，液层厚度为l cm时溶液的吸光度。,38,摩尔吸收系数,摩尔吸光系数为吸光物质的特征参数，与物质的性质，入射光波长及温度有关；与溶液浓度无关。 在最大吸收波长处的摩尔吸光系数，常以e max表示。 e max表明了该吸收物质最大的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。,39,桑德尔灵敏度,桑德尔(Sandell)灵敏度(灵敏度指数) S S是指当仪器的检测极限A=0.001时，单位截面积光程内所能检测出来的吸光物质的最低含量，其单位为mgcm-2，S与e及吸光物质摩尔质量M的关系为：,40

13、,桑德尔灵敏度,桑德尔灵敏度s与的关系的推导： A0.001bc，bc0.001/e b为吸收池的厚度，单位是cm， c 的单位是 bc乘以待测物的摩尔质量M ( )，就是单位截面积内待测物的质量，即,41,6.2 吸光光度计及仪器,6.2.1 比色法,6.2.2 光电比色法,6.2.3 分光光度法及仪器,42,6.2.1 目视比色法,目视比色法：用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法。优点是操作简便，适宜于野外和现场快速测定。可在复合光-白光下进行测定，某些不符合朗伯-比尔定律的显色反应，仍可用该法进行测定。主要缺点是准确度不高，标准系列不能久存，需要在测定时临时配制。,标准系列:

14、 (分别取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0mL标准溶液 5.0mg/mL ),试样,43,6.2.2 光电比色法,用滤光片选择入射光，用光电池检测透射光的方法，称为光电比色法。,43,44,6.2.3 分光光度法及仪器,45,吸光光度法,吸光光度法是借助分光光度计来测量一系列标准溶液的吸光度，绘制标准曲线，根据被测试液的吸光度，从标准曲线求得被测物质的浓度或含量。 例如，测KMnO4含量，先测定一系列已知浓度的标准溶液在一定波长下的吸光度，然后在同样条件下测定试液的吸光度，在标准曲线上查到对应的浓度。,46,吸光光度法,与比色法和光电比色法相比较,吸光光度法具有明显优点： 入射光是纯度较

15、高的单色光，故使偏离朗伯-比尔定律的情况大为减少， 标准曲线直线部分的范围更大，分析结果的准确度较高。 可任意选取某种波长的单色光，故可利用吸光度的加和性，同时测定溶液中两种或两种以上的组分。,47,分光光度计( spectrophotometer ),分光光度计按工作波长范围分类，紫外、可见分光光度计应用于无机物和有机物含量的测定，红外分光光度计主要用于结构分析。分光光度计又可分为单光束和双光束两类。 分光光度计的基本部件：光源、单色器、比色皿、检测器和显示装置。,48,分光光度计( spectrophotometer ),2. 单色器(monochromator)：将光源发出的连续光谱分解

16、为单色光的装置。 棱镜：玻璃350 3200 nm, 石英185 4000 nm 光栅：波长范围宽, 色散均匀，分辨性能好。,1. 光源(Light source)：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。 可见光区：钨灯，碘钨灯(320 2500 nm) 紫外区：氢灯，氘灯(180 375 nm),仪器结构,49,分光光度计( spectrophotometer ),3.比色皿(coloritrough) 也称吸收池。盛放试液的容器。 玻璃比色皿 能吸收UV光，仅适用于可见光区 石英比色皿适用于紫外和可见光区 按其厚度分为0.5 cm，l cm，2 cm，3 cm 和 5 cm。,4. 检测器(detector)：利用光电效应，将