第八章 吸光光度法精选文档.ppt

第八章 吸光光度法本讲稿第一页，共三十三页 因为电子能级间的能量差一般为1-20eV(1eV=1.61019J)，而振动能级间的能量差仅为0.05-1eV，至于转动能级间的能量差就更小了(小于0.05eV)。所以，在电子能级跃迁(Transition)的同时，必然伴随着振动能级和转动能级的跃迁。因此，分子的电子光谱通常呈带状，称为带状光谱(Band spectra)。显然，分子的带状光谱要比原子的线状光谱(Line spectrum)复杂得多。由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外及可见区。这种由价电子跃迁而产生的分子光谱称为电子光谱(Electronic spectra)。本讲稿第二页，共三十三页V0V1r1r2r3r1r2r3r1r1r2r3r3r2V0V1ABCEnergyRotational energy leverlsVibrational energy levelsElectronic energy levelsExcited stateGround state本讲稿第三页，共三十三页A:pure rotational changes(far infrared)B:rotational-vibrational changes(near infrared)C:rotational-vibrational-electronic changes transitions (visible and ultraviolet)三、光与颜色 波长在200400 nm(nanometers)范围内的光称为紫外光(Ultraviolet light)。人眼能感觉到的光的波长在400750 nm之间，称为可见光(Visible light)。可见光是一种复合光，它是由赤橙黄绿青蓝紫等各种单色光(Monochromatic light)按一定的比例混合而成的。显然，不同颜色的单色光，其波长范围也不同。物质的颜色正是由于物质对不同波长的光具有选择性吸收作用而产生的。例如，CuSO4溶液因吸收了可见光中的黄色而呈蓝色；而 KMnO4溶液因吸收了可见光中的黄绿色而呈紫色。可见，物质的颜色是由它所反射或透过光的颜色来决定的。注意：课本p.128的论述不够确切。本讲稿第四页，共三十三页表8-1 物质的光和吸收光颜色的关系物质的颜色吸收光颜色吸收光波长黄绿紫400450黄蓝450480橙青蓝480490红青490500紫红绿500560紫黄绿560580蓝黄580600青蓝橙600650青红650750本讲稿第五页，共三十三页 值得注意的是，科学实验证明：不仅赤橙黄绿青蓝紫七种单色光可以混合成白光，也可以把两种适当的单色光按一定比例混合成白光。两种能混合成白光的单色光称为互补色光。白光白光绿紫橙青蓝蓝青红图8-1 光的互补色示意图黄本讲稿第六页，共三十三页四、光吸收曲线 如果测量某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，以吸光度(Absorbance)为纵坐标作图，可得一条曲线，称为吸收曲线(Absorption curve)或吸收光谱(Absorption spectrum)。ABCD本讲稿第七页，共三十三页 由图可见，KMnO4溶液对波长525 nm 附近的黄绿色光的吸收最强，而对紫色和红色光的吸收很弱。光吸收程度最大处的波长叫最大吸收波长(Maximum absorption wavelength),用max表示。最大吸收又称吸收峰(Absorption peak)。KMnO4的max=525 nm。需要特别注意的是：不同浓度的同一物质的光吸收曲线的形状相似，即最大吸收波长不变，只是相应的吸光度的大小不同（即吸收峰的高低不同，位置不变）。82 光吸收的基本定律 当一束平行单色光通过任何均匀、非散射的固体、液体或气体介质时，光的一部分被吸收，一部分透过介质，一部分被器皿的表面反射。设入射光(Incident light)强度为Io ，吸收光强度为Ia，透过光强度为 It，反射光强度为 Ir，则本讲稿第八页，共三十三页Io=Ia+It+Ir 在吸光光度分析中，通常将试液和空白溶液分别置于同样质料和厚度的吸收池中，然后让强度为Io的单色光分别通过每个吸收池，测量其透过光的强度。此时，通过样品池和空白池的反射光强度基本上是不变的，且其影响可以互相抵消，所以上式可以简化为：Io=Ia+It 注意：Io和 It 都是可以直接测量的。透过光强度It 与入射光强度Io 之比称为透光率或透光度(Transmittance,Transmittancy)用T表示：显然，溶液的透光率愈大，表示它对光的吸收愈小；反之，则表示它对光的吸收愈大。本讲稿第九页，共三十三页 溶液对光的吸收程度叫吸光度(Absorbance)。其数学定义为：=实验表明：溶液对光的吸收程度，与溶液的浓度、液层厚度即入射光波长等因素有关。如果保持入射光波长不变，则溶液对光的吸收程度就只与溶液浓度和液层厚度有关。波格(M.Bouguer)于1729年首先提出：当吸收介质的浓度不变时，入射光被介质吸收的程度与介质厚度的关系为：（1）1760年又经朗伯(J.H.Lambert)系统阐述，所以称为朗伯-波格定律（或者干脆称为朗伯定律）。本讲稿第十页，共三十三页 到了1852年，比尔(Beer)和白那德(Bernard)又分别各自提出：（2）表示入射光通过一定厚度的介质时，光的吸收程度与介质浓度成正比。合并（1）、（2）两式，可得（3）即A=Kbc此式称为朗伯-比尔定律。本讲稿第十一页，共三十三页 朗伯-比尔定律是吸光光度法最基本的定律，是进行定量分析的理论基础。但此定律只适用于单色光。式中比例常数K与下列因素有关：吸光物质的性质；入射光的波长；温度。值得指出的是：K值随浓度 c 和介质厚度（即光程）b所取单位的不同而不同。当 c以g/L表示，b以cm表示时，常数K以a表示，称为吸光系数(Absorptivity),a 以L/gcm为单位。朗伯-比尔定律即成A=abc 当 c以mol/L表示，b以cm表示时，常数K则以表示，称为摩尔吸光系数(Molar absorptivity),a 以L/molcm为单位。朗伯-比尔定律就成为A=b c本讲稿第十二页，共三十三页 从意义上讲，是当b=1 cm，c=1 mol/L时的A，但实际并不能直接取1 mol/L这样高浓度的有色溶液去测量其摩尔吸光系数，而只能通过计算而得。a或反映了吸光物质对光的吸收能力，也反映了用吸光光度法测定该吸光物质的灵敏度。值愈大，灵敏度就愈高。一般在104105数量级上。83 显色反应及其影响因素（自学）84 比色法及其仪器 基于比较有色物质溶液的颜色深浅以确定物质含量的分析方法称为比色分析法(Colorimetry)。分目视比色法和光电比色法两种。一、目视比色法(Visual colorimetry)本讲稿第十三页，共三十三页 用眼睛比较溶液颜色深浅以确定物质含量的方法称为目视比色法。常用的目视比色法是标准系列法(Standard series method)。将一系列不同两的标准溶液依次加入一套由相同质料制成的、形状大小相同的比色管中，控制相同的实验条件，配成标准色阶。奈氏比色管 将一定的被测液置于另一比色管中，在同样的条件下显色。然后进行观察对比，若试液与标准色阶中某溶液的颜色深度相同，即透过光强度相等时，则这两个比色管中溶液的浓度相等；如果被测液颜色深度介于相邻两个标准色阶之间，则试液浓度也就介于这两个标准溶液的浓度之间。本讲稿第十四页，共三十三页 目视比色法的原理可以近似地用朗伯-比尔定律推导如下：设入射光强度为I0，透过标准溶液和试液的光强度分别为Is和Ix，则A=b c It=因此，对于标准溶液，其透过光强度为Is=I0 本讲稿第十五页，共三十三页 对于被测溶液，其透过光强度为Ix=I0 当二者的颜色相同时Is=Ix可得sbscs=xbxcx 由于标准系列与试液都是在相同条件下显色，且是同一种有色物质，所以s=x，又因液层厚度相等，即 bs=bx，cs=cx标准系列法的优点：1、仪器简单，操作简便，适宜于大批试样的分析。本讲稿第十六页，共三十三页 2、比色管中的液层较厚，故测定的灵敏度叫高，适宜于稀溶液中微量物质的测定。3、可以在复合光下测定，某些显色反应不符合朗伯-比尔定律，仍可用目视比色法进行测定。标准系列法的主要缺点是准确度较差，相对误差约为520%；另外，主观误差也大。-*+*+*二、光电比色法(Photoelectric colorimetry)利用仪器代替肉眼测量有色溶液对光的吸收程度，可以克服主观误差，提高测定的准确度。最简单的仪器是光电比色计(Photoelectric colori-meter)。利用光电比色计测定有色溶液对光的吸收程度以确定物质 含量的分析方法，叫做光电比色法。本讲稿第十七页，共三十三页 光电比色法的基本原理是利用光电效应测量光线通过有色溶液后的透射光强度，从而求出有色物质对光的吸收程度，进而求出物质的含量。光电比色计的基本结构和原理可用下面的示意图表示：1.Light source(tungsten lamp)2.Filters 3.Absorption cell 4.Photocell 5.Galvanometer本讲稿第十八页，共三十三页 注意：光电比色法和目视比色法在原理上并不完全相同。光电比色法是比较有色溶液对某一波长光的吸收情况；目视比色法则是比较透过光的强度。例如，测定KMnO4溶液中KMnO4的含量时，光电比色法测量的是KMnO4溶液对黄绿色光的吸收情况（问题：应该选择什么颜色的滤光片？）；目视比色法则是比较KMnO4溶液透过红紫色光的强度。选择滤光片的原则：滤光片本身的颜色应与被测溶液的颜色互为补色。或滤光片本身的颜色就是被测溶液最大吸收光。与目视比色法比较，光电比色法具有下述优点：1、提高了准确度；2、避免主观误差；本讲稿第十九页，共三十三页 3、当有干扰物质共存时，可采用适当的滤光片或适当的参比溶液来消除干扰，因而提高了选择性。85 分光光度法及其仪器 分光光度法的基本原理与光电比色法相同，所不同的仅在于获得单色光的手段不同。分光光度法采用棱镜(Prism)或光栅(Grating)等分光器，而光电比色法采用滤光片(Filter)。利用分光器可以获得纯度较高的单色光其半宽度(Half bandwidth)510nm。本讲稿第二十页，共三十三页一、分光光度法的特点 1、由于入射光是纯度较高的单色光，因此用分光光度法可以得到十分精确细致的吸收光谱。通过选择最合适的波长进行测定，可使偏离朗伯-比尔定律的情况大为减少，标准曲线直线部分的范围更大。另外，分光光度计要比光电比色计精密，因而，分光光度法的准确度要比光电比色法高。2、由于可以任意选择某种波长的单色光，故可在一定条件下，利用吸光度的加和性，可以同时测定溶液中两种或两种以上的组分。3、由于入射光的波长范围扩大了，故许多无色物质，只要它们在紫外或红外光区域有吸收峰，都可以用分光光度法进行测定。本讲稿第二十一页，共三十三页二、分光光度计(Spectrophotometer)简介三、光度测量误差和测量条件的选择本讲稿第二十二页，共三十三页 光度分析法的误差来源于两个方面，一方面是各种化学因素所引入的误差，另一方面是仪器精度不够，测量不准引入的误差。1、仪器的测量误差 任何光度计都有一定的测量误差。对于给定的光度计来说，透过度或吸光度的读数准确度是仪器精度的主要指标之一，也是衡量测定结果准确度的重要因素。在光度计上，透光度的标尺刻度是均匀的。因吸光度A=lgT,所以，吸光度的刻度是不均匀的。本讲稿第二十三页，共三十三页 通常，对一台给定的光度计来说，透光度的读数误差T是一个常数，约为0.010.02。精度高的极其可达到0.001。值得注意的是，透光度的精度并不能直接代表测定结果的精度。测定结果的精度应该用由于读数误差而引起的测定物质的浓度相对误差 表示。由于 A=bc A=Kc在每次测定中，所用的比色皿是恒定的，故b为常数。A=K C=本讲稿第二十四页，共三十三页 从右图可以看出：同样大小的T在不同的透光度时，所引起的浓度误差C（或 A）是不同的。当T值高时，C小，但此时C值也很小，所以尽管C很小，相对误差 也不一定小；当C值增大时，T值减小，C就增大，所以 还不一定小。本讲稿第二十五页，共三十三页 由此可见，只有在适中的T值时，才可使有较小的值。A=lgTdA=d(lgT)=d(lnT)=则根据朗伯-比尔定律：此式说明，浓度测量的相对误差，不仅与一起的读数误差(dT)有关，而且也与它本身的透光度(T)有关。本讲稿第二十六页，共三十三页 从上面的表和图可以看出，透光度T在15%65%(A=0.80.2)范围内，浓度的相对误差较小，其极小值为：本讲稿第二十七页，共三十三页令即A=0.434T=36.8%最小本讲稿第二十八页，共三十三页2、有色溶液偏离朗伯-比尔定律所引起的误差(1)由于非单色光引起的偏离(2)由于溶液本身的原因引起的偏离由于介质不均匀引起的偏离由于溶液中的化学反应引起的偏离3、测量条件的选择 为了使测定结果有较高的灵敏度和准确度，必须注意选择最适宜的测量条件。(1)入射光的选择“最大吸收原则”利用此原则不仅灵敏度较高，而且测定时偏离朗伯-比尔定律的程度减小，故其准确度也较好。本讲稿第二十九页，共三十三页“吸收最大，干扰最小”的原则 当有干扰物质存在时，有时不可能选择最大吸收波长作为入射光，此时，只能根据“吸收最大，干扰最小”的原则进行选择。例如，用丁二铜肟法测定钢中的镍时，丁二铜肟镍 络合物的最大吸收在470nm左右。但试样中的铁用酒石酸钾钠掩蔽后，在同样波长下也有吸收，对测定有干扰，故不能选最大吸收作为测定波长。测定波长max本讲稿第三十页，共三十三页 (2)控制适当的吸光度范围（0.20.8)控制溶液的浓度 选择不同厚度的吸收池 (3)选择适当的参比溶液(Reference solution)当试液及显色剂均无色时，用蒸馏水作参比。当显色剂无色，而被测液中存在其它有色离子时，可用不加显色剂的被测液作参比。当试液及显色剂均有颜色时，可将一份试液加入适当的掩蔽剂将被测组分掩蔽起来，使之不再与显色剂作用，然后再加入显色剂及其它试剂，以此作为参比溶液。四、分光光度法的测定方法本讲稿第三十一页，共三十三页1、工作曲线(Calibration curve)法 配制一系列不同浓度的标准溶液，在选定条件下分别测定其吸光度。然后，以浓度为横坐标，以吸光度为纵坐标，绘制成如右图所示的工作曲线。在相同条件下，测定试样的吸光度后，从曲线上就可以找出相应的浓度。工作曲线本讲稿第三十二页，共三十三页2、比较法 在相同条件下（包括比色皿），测得标液和试液的吸光度分别为AS和 AX，根据比尔定律（注意：比尔定律是指在其它条件都相同的情况下，吸光度与浓度的关系A C）：AS :AX =aS bScS:aXbXcX=CS:CXCX=注意：应用比较法时，标准液的浓度和试液的浓度要相近，否则会引起极大大误差。五、分光光度法的应用（略讲）本讲稿第三十三页，共三十三页