第十二章 紫外-可見分光光度法

第十二章紫外—可見分光光度法

§1基本原理§2光度法的誤差§3顯色反應(yīng)及顯色條件的選擇§4紫外可見分光光度計(jì)§5定性與定量分析方法§6紫外可見吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系2/5/2023§1基本原理

利用被測物質(zhì)的分子對(duì)紫外-可見光具有選擇性吸收的特性而建立的分析方法。一、紫外－可見吸光光度法的特點(diǎn)（1）具有較高的靈敏度。（2）有一定的準(zhǔn)確度，該方法相對(duì)誤差為2%-5%，可滿足對(duì)微量組分測定的要求。（3）操作簡便、快速、選擇性好、儀器設(shè)備簡單。（4）應(yīng)用廣泛2/5/2023單色光：只具有一種波長的光?；旌瞎猓河蓛煞N以上波長組成的光，如白光。二、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收白光青藍(lán)青綠黃橙紅紫藍(lán)1、光的互補(bǔ)性與物質(zhì)的顏色2/5/2023

物質(zhì)的顏色是由于物質(zhì)對(duì)不同波長的光具有選擇性的吸收作用而產(chǎn)生的，物質(zhì)的顏色由透過光的波長決定。例：硫酸銅溶液吸收白光中的黃色光而呈藍(lán)色；高錳酸鉀溶液因吸白光中的綠色光而呈紫色。

如果兩種適當(dāng)顏色的光按一定的強(qiáng)度比例混合可以得白光，這兩種光就叫互為補(bǔ)色光。物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色和吸收的光顏色之間是互補(bǔ)關(guān)系。2/5/2023不同顏色的可見光波長及其互補(bǔ)光白光青藍(lán)青綠黃橙紅紫藍(lán)2/5/20232、吸收光譜或吸收曲線

吸收曲線：測定某種物質(zhì)對(duì)不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖。KMnO4的吸收曲線最大吸收波長，max定量分析的基礎(chǔ)：某一波長下測得的吸光度與物質(zhì)濃度關(guān)系的有關(guān)2/5/20232/5/2023300400500600350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光譜350光譜定性分析基礎(chǔ)：吸收曲線的形狀和最大吸收波長2/5/2023光的吸收定律—朗伯－比爾定律I0：入射光強(qiáng)度I：透過光強(qiáng)度c：溶液的濃度b：液層寬度T－透光率（透射比）A－吸光度2/5/2023

κ與入射光波長、溶液的性質(zhì)及溫度有關(guān)。當(dāng)這些條件一定時(shí)，κ代表單位濃度的有色溶液放在單位寬度的比色皿中的吸光度。

c的單位為g·L-1，b的單位為cm時(shí)，κ以a表示，稱為吸光系數(shù)，其單位為L·g-1·cm-1，A=abc。

c的單位為mol·L-1，b的單位為cm，κ用ε表示。稱為摩爾吸光系數(shù)，其單位為L·mol-1·cm-1，A=εbc。2/5/2023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和液層厚度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時(shí)，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測物濃度無關(guān)；（3）同一吸光物質(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。2/5/2023例1濃度為25.0μg/50mL的Cu2+溶液，用雙環(huán)已酮草酰二腙分光光度法測定，于波長600nm處，用2.0cm比色皿測得T=50.1%，求吸光系數(shù)a和摩爾吸光系數(shù)ε。已知M(Cu)=64.0。解已知T=0.501，則A=－lgT=0.300，b=2.0cm,則根據(jù)朗伯—比爾定律A=abc，而ε=Ma=64.0g·mol-1×3.00×102L·g-1·cm-1=1.92×104(L·mol-1·cm-1)2/5/2023解:由A=-lgT=abc可得

T=10-abc

當(dāng)b1=1cm時(shí)，T1=10-ac=T

當(dāng)b2=2cm時(shí)，T2=10-2ac=T2例2某有色溶液，當(dāng)用1cm比色皿時(shí)，其透光度為T，若改用2cm比色皿，則透光度應(yīng)為多少？2/5/2023定量分析時(shí)，通常液層厚度是相同的，按照比爾定律，濃度與吸光度之間的關(guān)系應(yīng)該是一條通過直角坐標(biāo)原點(diǎn)的直線。但在實(shí)際工作中，往往會(huì)偏離線性而發(fā)生彎曲。§2

光度法的誤差

01234mg/mLA。。。。*0.80.60.40.20工作曲線2/5/2023一、物理因素(1)比爾定律的局限性比耳定律假設(shè)了吸收粒子之間是無相互作用的，因此僅在稀溶液（c<10-2mol/L)的情況下才適用。(2)非單色光引起的偏離

朗伯一比爾定律只對(duì)一定波長的單色光才能成立，但在實(shí)際工作中，入射光是具有一定波長范圍的。2/5/2023二、化學(xué)因素溶質(zhì)的離解、締合、互變異構(gòu)及化學(xué)變化也會(huì)引起偏離。例：測定時(shí)，在大部分波長處，Cr2O72-的k值與CrO42-的k值是很不相同的。A與c不成線性關(guān)系。例：顯色劑KSCN與Fe3+形成紅色配合物Fe(SCN)3，存在下列平衡：

Fe(SCN)3Fe3++3SCN－溶液稀釋時(shí)一倍時(shí)，上述平衡向右，離解度增大。所以Fe(SCN)3的濃度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，導(dǎo)致偏離朗伯—比爾定律。2/5/2023測量的誤差和測量條件的選擇誤差來源：入射光源不穩(wěn)定吸收池玻璃的厚度不均勻池壁不平行，表面有水跡，油污或劃痕光電池不靈敏，光電流測量不準(zhǔn)確誤差影響：透光度讀數(shù)誤差一、儀器測量誤差2/5/2023二、測量條件的選擇1、入射光波長的選擇

測量的入射光波長：最大吸收波長λmax。若干擾物在λmax處也有吸收，在干擾最小的條件下選擇吸光度最大的波長。2、吸光度范圍的選擇兩式相除：2/5/2023不同透光率時(shí)測定濃度的相對(duì)誤差ΔcB/cB(ΔT=0.01)測定相對(duì)誤差與透光率的關(guān)系在T=36.8%(A=0.434)時(shí)，濃度測定的相對(duì)誤差最小。在實(shí)際測定時(shí)，常將吸光度控制在0.2~0.7(T=20%~65%)之間。2/5/20233、參比溶液的選擇I0參比樣品未考慮吸收池和溶劑對(duì)光子的作用原則:使試液的吸光度能真正反映待測物的濃度。利用空白試驗(yàn)來消除因溶劑或器皿對(duì)入射光反射和吸收帶來的誤差。2/5/2023（1）如果僅待測物與顯色劑的反應(yīng)產(chǎn)物有吸收，可用純?nèi)軇ɑ蛘麴s水）作參比溶液（2）如果顯色劑或其他試劑略有吸收，應(yīng)用空白溶液（包括顯色劑或其它試劑不加待測試樣溶液）作為參比溶液。（3）如試樣中其它組分有吸收，但不與顯色劑反應(yīng)，則當(dāng)顯色劑無吸收時(shí)，可用試樣溶液作為參比溶液；當(dāng)顯色劑略有吸收時(shí)，可在試液中加入適當(dāng)掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑，以此溶液作參比溶液。2/5/2023

顯色劑§3

顯色反應(yīng)及其影響因素顯色反應(yīng)：將被測組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的化學(xué)反應(yīng)。顯色劑：能與被測組分反應(yīng)使之生成有色化合物的試劑。2/5/2023

選擇性好所用的顯色劑僅與被測組分顯色而與其它共存組分不顯色，或其它組分干擾少。靈敏度足夠高有色化合物有大的摩爾吸光系數(shù)，一般應(yīng)有104~105數(shù)量級(jí)。

有色配合物的組成要恒定顯色劑與被測物質(zhì)的反應(yīng)要定量進(jìn)行。

生成的有色配合物穩(wěn)定性好

色差大有色配合物與顯色劑之間的顏色差別要大，這樣試劑空白小，顯色時(shí)顏色變化才明顯。一、對(duì)顯色反應(yīng)的要求2/5/2023二、影響顯色反應(yīng)的因素1、顯色劑的用量M+RMR2/5/2023

2、溶液的酸度（2）對(duì)顯色劑的平衡濃度和顏色的影響（3）對(duì)有色化合物組成的影響不同的顯色反應(yīng)的適宜pH是通過實(shí)驗(yàn)確定的。（1）對(duì)被測組分存在狀態(tài)的影響2/5/2023pH與吸光度的關(guān)系曲線2/5/20233、顯色溫度：要求標(biāo)準(zhǔn)溶液和被測溶液在測定過程中溫度一致。4、顯色時(shí)間：通過實(shí)驗(yàn)確定合適的顯色時(shí)間，并在一定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行比色測定。5、溶劑：有機(jī)溶劑降低有色化合物的解離度，提高顯色反應(yīng)的靈敏度。6、共存離子的影響

2/5/2023§4紫外—可見分光光度計(jì)光源單色器吸收池檢測器和信號(hào)顯示系統(tǒng)2/5/2023作用：從連續(xù)光源中分離出所需要的足夠窄波段的光束常用的元件：棱鏡、光柵二、單色器2/5/2023作用：提供能量，激發(fā)被測物質(zhì)分子，使之產(chǎn)生電子譜帶要求：發(fā)射足夠強(qiáng)的連續(xù)光譜，有良好的穩(wěn)定性及足夠的適用壽命類型：可見與近紅外區(qū)：鎢燈400~1100nm紫外區(qū)：氫燈或氘燈180~400nm一、光源2/5/2023功能：用于盛放試樣，完成樣品中待測試樣對(duì)光的吸收常用的吸收池：石英（紫外區(qū)）玻璃（可見區(qū)）吸收池光程：1cm、2cm、3cm等注意：為減少光的損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向。吸收池要挑選配對(duì)，因?yàn)槲粘夭牧系谋旧砦馓卣饕约拔粘氐墓獬涕L度的精度等對(duì)分析結(jié)果都有影響。三、吸收池2/5/2023作用：接受、記錄信號(hào)組成：檢測器、放大器和讀數(shù)和記錄系統(tǒng)常用檢測器：光電管和光電倍增管藍(lán)敏（銻銫）光電管210~625nm紅敏（氧化銫）光電管625~1000nm四、檢測系統(tǒng)2/5/2023單光束分光光度計(jì)雙光束分光光度計(jì)雙波長分光光度計(jì)（相互重疊多組分分析）五、儀器類型2/5/2023單光束分光光度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜缺點(diǎn)：受光源影響波動(dòng)大可見:721360~800nm，電表讀數(shù)722330~800nm，數(shù)字顯示7230330~900nm，帶微處理器，配打印機(jī)紫外、可見：752200~800nm754200~800nm，帶微處理器，配打印機(jī)UV758190~900nm，掃描功能紫外、可見及近紅外751G200~1000nmUV755B200~100nm，帶微處理器，配打印機(jī)2/5/2023一、定性分析1.制作試樣的吸收曲線并與標(biāo)準(zhǔn)紫外光譜對(duì)照；2.利用Woodward-Fieser和Scott經(jīng)驗(yàn)規(guī)則求最大吸收波長。即，當(dāng)通過其它方法獲得一系列可能的分子結(jié)構(gòu)式后，可通過此類規(guī)則估算最大吸收波長并與實(shí)測值對(duì)比。Woodward-Fieser規(guī)則§5

定性與定量分析方法2/5/2023Woodward-Fieser規(guī)則估算最大吸收波長的幾個(gè)實(shí)例：四2/5/2023二、定量分析1.單組份定量方法1）標(biāo)準(zhǔn)曲線法（略）2）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法：該法是標(biāo)準(zhǔn)曲線法的簡化，即只配制一個(gè)濃度為cs的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測量其吸光度，求出吸收系數(shù)k，然后由Ax=kcx求出cx該法只有在測定濃度范圍內(nèi)遵守L-B定律，且cx與cs大致相當(dāng)時(shí)，才可得到準(zhǔn)確結(jié)果。2/5/20232.多組分定量方法由于吸光度具有加合性，因此可以在同一試樣中測定多個(gè)組份。設(shè)試樣中有兩組份X和Y，將其顯色后，分別繪制吸收曲線，會(huì)出現(xiàn)如圖所示的三種情況：

圖a)：X,Y組份最大吸收波長不重迭，相互不干擾，可以按兩個(gè)單一組份處理。圖b)和c)：X,Y相互干擾，此時(shí)可通過解聯(lián)立方程組求得X和Y的濃度：其中，X,Y組份在波長1和2處的摩爾吸光系數(shù)可由已知濃度的X,Y純?nèi)芤簻y得。解上述方程組可求得cx及cy。2/5/20233.雙波長法---等吸收點(diǎn)法當(dāng)混合物的吸收曲線重迭時(shí)，如右下圖所示，可利用雙波長法來測定。具體做法：將a視為干擾組份，現(xiàn)要測定b組份。a)

分別繪制各自的吸收曲線；b)

畫一平行于橫軸的直線分別交于a組份曲線上兩點(diǎn)，并與b組分相交；c)

以交于a上一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長1

為參比波長，另一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的為測量波長2，并對(duì)混合液進(jìn)行測量，得到：A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若兩波長處的背景吸收相同，即A1s=A2s二式相減，得，A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a組份在兩波長處的吸光度相等，因此，A=(A2b-A1b)=(2b-1b)lcb從中可求出cb同理，可求出ca.2/5/2023例：用光程為1cm的吸收池，在兩個(gè)測定波長處測定含有K2Cr2O7和KMnO4兩種物質(zhì)溶液的吸光度?；旌衔镌?50nm處的吸光度為0.38，在530nm處的吸光度為0.71，求混合物的組成。已知1.010-3mol/L的K2Cr2O7在450nm處吸光度為0.20，而在530nm處為0.05；1.010-4mol/L的KMnO4在450nm處無吸收，在530nm處吸光度為0.42。2/5/2023KMnO4K2Cr2O7450nm530nm530nm2/5/2023有機(jī)化合物的紫外吸收光譜飽和碳?xì)浠衔铮骸?，短，遠(yuǎn)紫外區(qū)§6紫外—可見吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系2/5/2023不飽和脂肪族化合物孤立雙鍵：CH2=CH2(max=193nm)共軛雙鍵：CH2=CH—CH=CH2(max=220nm,>104)E>E最低占有軌道最高空軌道→躍遷幾率↑→↑C=C共軛C=C(→*);E↓→↑2/5/2023含孤立助色團(tuán)和生色團(tuán)的飽和有機(jī)化合物孤立助色團(tuán)：n→*躍遷，長孤立生色團(tuán)：n→*(275~295nm),n→*

(~190nm),

→*(150~180nm)

α、β-不飽和醛、酮、酸和酯共軛C=C：K帶(max=200~260nm，>104)C=O：R帶(max=310~350nm，<100)共軛→K帶、R帶都長移酸、酯的K帶比醛、酮長移得多酸、酯的R帶比醛、酮長移得少2/5/2023芳香族化合物苯和取代苯苯取代→吸收帶長移，B帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失單取代苯助色團(tuán)取代：n→*共軛，E帶、B帶↑→↑生色團(tuán)取代：E帶和K帶合并↑，↑

B帶↑，有時(shí)被K帶掩蓋

C=O→R帶→極性溶劑↓2/5/2023不同溶劑對(duì)苯酚吸收光譜的影響環(huán)己烷己醇NaOH(0.1mol/L)2/5/2023雙取代苯各種取代基長移效應(yīng)強(qiáng)弱次序：鄰、對(duì)位定位基：N(CH3)2>NHCOCH3>O->NH2>OCH3>OH>Br>Cl>CH3間位定位基：NO2>CHO>COCH3>COOH>COO-,CN->SO2NH2>NH3+

對(duì)位二取代~200nm381nm，=181nm>>52+30=82nm265nm，只比硝基苯(252nm)長13nm鄰、對(duì)位基間位基252nm,=52nm230nm,=30nm2/5/2023鄰、間位二取代

317.5nm273.5nm278.5nm芳雜環(huán)類（五元或六元）：飽和：<200nm不飽和：n→*

、→*2/5/2023推斷官能團(tuán)（可能性）有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)研究220~800nm無吸收峰：脂肪族飽和化合物或僅含一個(gè)雙鍵的烯烴

270~350nm弱吸收：羰基250~300nm中等強(qiáng)度吸收，重心~256nm：苯環(huán)210~250nm強(qiáng)吸收：含有兩個(gè)雙鍵的共軛系統(tǒng)260~350nm強(qiáng)吸收：3~5個(gè)共軛系統(tǒng)化合物有色：共軛生色團(tuán)≥5吸收峰延伸至可見光區(qū)：長鏈共軛或稠環(huán)化合物2/5/2