紫外吸收光谱分析

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1、第五章紫外吸收光谱分析概述电子跃迁与分子吸收光谱物质分子内部三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动（3）分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即: EEe+Ev+Er evr能级跃迁电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。电磁辐射的基本性质电磁辐射（电磁波）：以接近光速（真空中为光速）传播的能量；c = =/ E = h = h c

2、 / c ：光速=2.9981010cms；：波长；：频率；：波数 ；E ：能量； h ：普朗克常数6.62410-34Js电磁辐射具有波动性和微粒性； DE = E2 - E1 = hn = h c /电磁射线：5140 pm X射线：10310 nm光学区：101000 m远紫外区：10200 nm近紫外区：200380 nm可 见 区：380780 nm近红外区：0.782.5m中红外区：2.550m远红外区：501000m微波：0.1 mm1 m无线电波：1 m幅射的波长分布无机络合物吸收带主要是由电荷转移跃迁和配位场跃迁而产生的。电荷转移跃迁的摩尔吸收系数很大，根据朗伯-比尔定律，可

3、以建立这些络合物的定量分析方法。应用：1定量分析：有色物质 可见光区：340800nm 对紫外线有吸收的无色物质 紫外光区：200340nm灵敏度ppm, 精密度RSD:0.5% 2定性分析：提供某些分子的部分结构信息 例：苯的B带吸收（230270nm间出现7个精细结构的峰）不同物质具有不同的分子结构，对不同波长的光会产生选择性吸收性吸收，因而具有不同的吸收光谱。而各种化合物，无机化合物或有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。电子跃迁所需能量大小为：* n* n* 有机化合物吸收可见光或紫外光，、和n电子就跃迁到高能态，可能产生的

4、跃迁有*、n*、*和n*。各种跃迁所需要的能量或吸收波长与有机化合物的基团、结构有密切关系，根据此原理进行有机化合物的定性和结构分析。 第二节 吸收定律与光谱图 一朗伯比耳定律 吸光度(A)的定义 当一束平行光通过均匀的溶液介质时，光的一部分被吸收，一部分被器皿反射。设入射光强度为I0，透射光强度为It。则吸光度(A)表示物质对光的吸收程度，其定义为: 朗伯-比耳定律(Lambert-Beer)是光吸收的基本定律，俗称光吸收定量分析的依据和基础。 当C采用重量单位时，吸收定律表达为: A=abc式中： a：吸光系数L/g*cm b：光程，cm c：浓度，g/L可知：A与c呈线形关系，为定量分析

5、的理论依据 2.当C采用摩尔浓度时，吸收定律表达为: A=bc:摩尔吸光系数，L/molcm c: 摩尔浓度，mol/L 透光率（T） 定义为： 则： 应用：仪器的调整 T（%）：0 100 （全吸收） （无吸收） A： 0 二、紫外吸收光谱的产生电子跃迁时，伴随着分子振、转能级的改变，加之溶剂的作用，一般UV谱图不会呈现尖锐的吸收峰，而是一些胖胖的平滑的峰包 250 300 350 400nm1234e1.概述紫外吸收光谱：分子中价电子能级跃迁。波长范围：100-800 nm.(1) 远紫外光区: 100-200nm (2) 近紫外光区: 200-400nm(3)可见光区:400-800nm

6、用于结构鉴定和定量分析。 电子跃迁同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线M + hn M *基态 激发态E1 （E） E2DE = E2 - E1 = hn用不同波长的单色光照射，测吸光度;定义：固定试样浓度和吸收池厚度，以吸收度（或透光率）对波长所作的曲线.例 0.001molL-1高锰酸钾和重铬酸钾光谱图。 几种有机化合物的吸收光谱图。 电子跃迁时，伴随着分子振、转能级的改变，加之溶剂的作用，一般UV谱图不会呈现尖锐的吸收峰，而是一些胖胖的平滑的峰包. 浓度与吸收曲线 紫外-可见吸收光谱图的应用定量：一般总有一最大吸收峰，其对应波长称为最大吸收波长（m

7、ax）,往往以max作为定量分析时的单色光波长，可最大限度地提高灵敏度。 简单定性，回答“是不是” 的问题。紫外-可见光分光光度计光分析的基本过程：（1）能源提供能量；（2）能量与被测物之间的相互作用；（3）产生信号。 基本特点：（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件（1）所有光分析法均包含三个基本过程；（2）选择性测量，不涉及混合物分离（不同于色谱分析）；（3）涉及大量光学元器件二、基本光路图三、主要部件（以单光束分光光度计为例）1. 光源 ：提供稳定的复合光 可见光区：钨灯、碘钨灯。 其辐射波长范围在320250

8、0 nm。 紫外区：氢灯、氘灯。 发射185400 nm的连续光谱2. 单色器色散元件 作用：将复合光分解成连续单色光A. 棱镜（靠折射作用分光） 可以得到波长非均匀分布的的连续光谱，光强损失较大棱镜（Prism）： 棱镜的色散作用是基于构成棱镜的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率。波长大的折射率小，波长小的折射率大。棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光红紫12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 )。提供波长均匀分布的连续光谱，可用于吸收光谱的自动扫描。原理：利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象

9、而分光.光栅例：7530型紫外可见光分光光度计。 步进马达带动光栅，得到匀速变化的单色光。光栅制作： 机刻 6002880条/mm复制光栅（照相，化学腐蚀）2. 单色器 狭缝 由锐边金属片组成A. 入射狭缝：位于光源与色散元件之间。 作用 ：是限制杂散光进入色散元件。B. 出口狭缝：位于色散元件与吸收池之间。 作用：把额定波长单色光分离出单色器2. 单色器 狭缝 狭缝宽度可调 定性分析时，窄一点，单色光纯，但光强弱。定量分析时，宽一点，灵敏度高。 例：7530型分光光度计 0.2nm，1.0nm，2.0nm3. 吸收池（也可称为比色皿、样品池） 作用：盛放试液。材料 A. 普通光学玻璃：用于可

10、见光区，因为它吸收紫外光。 B. 石英玻璃：用于紫外光区，亦可用于可见光区。3. 吸收池（也可称为比色皿、样品池） 宽度：0.5cm，1cm，2cm 使用注意事项固定使用同一比色皿，因为每个比色皿的壁厚、光程、吸光特性等不尽相同。4. 检测器 一类光电转换元件。 常用类型有：光电池光电管 光电倍增管4. 检测器 光电池 Se(Si)Fe(Cu)hn玻璃Ag(Au)透明膜-收集极塑料料- 对500600nm光灵敏，用于可见光区。容易产生疲劳效应，便易。72G型光电比色计。 光电管灵敏度比光电池大例：721型可见光分光光度计90V DC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空光电倍增管对光特别

11、敏感，灵敏度比光电管高200倍。对供电量要求高，需要达到0.010.05%的稳定性。石英套光束栅极，Grill阳极屏蔽1个光子产生106107个电子5. 显示器 将检测器产生的光电流用直观的形式显示出来。例： 72G型 722型 7530型 电表指针显示 数字形式显示 屏幕形式显示第四节 测试条件一、分析波长1.一般情况下，选max作分析波长，以便获得最高的灵敏度。2.对于高浓度样品，为保证足够的工作直线的线形范围，可选用灵敏度较低的吸收峰波长。3.max受到其它波峰干扰时，可选用别的 吸收峰波长。二、出口狭缝宽度最佳宽度的选择方法：在A不减小时的最大狭缝宽度。（因为，在一定宽度范围内，A不变

12、；过大时，由于干扰谱带或非吸收光出现在光谱通带内，A减小。）合适的吸收度范围根据吸收定律，A=0.4343时，吸收度测试量误差最小。实际工作中，将试样吸收度控制在0.20.8之间。控制方法：选择合适的比色皿宽度，稀释待测样等第五节 试样体系条件的选择显色反应在分光光度分析中，利用显色反应把待测组分X 转变为有色化合物，然后再进行测定。使试样中的被测组分与化学试剂作用生成有色化合物的反应叫显色反应。mX（待测物）nR（显色剂）XmRn（有色化合物）显色反应主要有配位反应和氧化还原反应，其中绝大多数是配位反应。选择显色反应的一般标准1、灵敏度高 选择e 较大(104105)的显色反应。2、选择性好

13、 显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色。避免共存组分干扰。3、有色物组成固定 如： Fe3+ + 磺基水杨酸 三磺基水杨酸铁(黄色) （组成固定） Fe3+ + SCN- FeSCN2+、 Fe(SCN)2+ （组成不固定）4、有色物稳定性高 其它离子干扰才小。如三磺基水杨酸铁的Kf =1042 , F- 、H3PO4 对它无干扰。5、显色过程易于控制 而且有色化合物与显色剂之间的颜色差别应尽可能大。一、 酸碱度影响显色剂的平衡浓度和颜色HR H+ + R- nR- + Mn+ MRn影响被测物质的存在状态pH升高，MM(OH)M(OH)n甚至影响络合物的组成及颜色在pH23 Fe(s

14、sal)+紫红色在pH47 Fe(ssal)22- 棕橙色 在pH810 Fe(ssal)3 黄 色在pH12 Fe(OH)3 沉 淀pH会影响显色剂的解离，被测离子的水解等，所以，要选择最佳酸度，并用缓冲液来控制。选择最佳pH值方法：固定试液浓度，改变pH值测A，做A-pH图，找出对A影响最小的pH值范围。二 、显色剂浓度1、显色剂的用量显色反应一般可表示为M+R MR显色剂用量 ，适当过量。2、最佳浓度选择作A-C显色剂图，找出对A影响最小的浓度范围三 、显色时间显色反应有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的显色反应需放置不同的时间，并在一定的时间范围内进行比色测定。试液自加入显色剂等

15、且定容后开始计时，测A，制作At曲线，(2)、(3)用秒表控时 t-mina(2)(3)t-min试液颜色常随时间而变化。1. 找到对颜色变化影响最小的时间段2. 每个试液都要有相同的显色时间。四、温度有些反应需要加热。有些显色剂或有色配合物在较高温度下易分解褪色。此外温度对光的吸收及颜色深浅也有影响，要求标准溶液和被测溶液在测定过程中温度一致。固定其它条件，改变T，作 A T 曲线，寻找适宜 反应温度。TATATATATA温度能影响显色反应的速度，影响颜色的稳定性。据此可以找到最佳的温度。有些显色反应受温度影响较大，这时候，要控制恒定的温度。5、溶剂：有机溶剂可降低有色化合物的离解度。合适的

16、表面活性剂可增溶、增敏、增稳。6、共存干扰离子的影响及消除：包括：正干扰（共存离子本身有色or与显色剂反应，在测量条件下有吸收）和负干扰（共存离子引起显色反应不完全）消除干扰的方法(a) 控制酸度；(b) 加入掩蔽剂； (c) 改变干扰离子价态； (d) 分离干扰离子实验：邻二氮菲分光光度法测定微量铁 铁盐标准溶液 0.0100mg/mL 0.1% 邻二氮菲（又称邻菲咯琳）水溶液1% 盐酸羟胺水溶液HAc-NaAc 缓冲溶液（ pH=4.6 ）称取 136g 优级纯醋酸钠，加120mL 冰醋酸，加水溶解后，稀释至500mL橙红色配合物的最大吸收波长在508nm处，摩尔吸光系数508=1.110

17、4，反应的灵敏度、稳定性、选择性均较好。此反应可用于微量Fe2+的测定，如果铁以Fe3+的形式存在，则应预先加入还原剂盐酸羟胺或对苯二酚将Fe3+还原成Fe2+。 4 Fe3+2NH2OH 4Fe2+N2O+4H+H2O 羟胺显色，测定时的酸度是控制在pH=4-6。 Bi3+、Cd2+、Hg+、Zn2+、Ag +等离子与邻二氮菲生成沉淀；Cu2+、Co2+、Ni 2+等离子则形成有色配合物，因此，当这些离子共存时，应注意它们的干扰。铝和磷酸盐含量大时，使反应速度慢，CN存在将与Fe2+生成配合物，严重干扰测定，需预先除去。酸度高时，反应进行慢；酸度太低，则Fe2+水解，影响定量分析法定量分析方

18、法：标准曲线法Blank Standard Sample Sample。 一、单组分的定量分析（测定样品中某一种成分的含量）1. 工作曲线法 （适用组成较简单的、批量的样品） 依据： A-C呈线性关系，作A-C曲线。配制一系列待测成分的标准溶液 C1 C2 C3 C4 C5测出相应的吸光度 A1 A2 A3 A4 A5Blank Standard Sample Sample建立工作直线（ AC ） 作图法 回归法测量待测样品，得A样从工作直线上找到待测成分的浓度C样 由回归方程计算出C样2. 增量法（适用于组成较复杂的样品） 取若干份等体积待测加入与待测液等体积的一系列标准溶液作A-C标曲线，

19、此线与C标轴交点即为C样.等体积标液等体积待测液C0C3C2C1C4 C0=0（试剂空白）理论依据：A=bc=b(C样+C标)当A=0时，C样=-C标方法特点：适用于组成较复杂的样品，对于批量样品较麻烦。 二、 多组分同时测定（同时测定一个样品中的几个组分）溶液的总吸光度等于各组分的吸光度之和：A=A1+A2+A3+An吸收峰互不重叠A、B两组分的吸收峰相互不重叠，则可分别在A、B处用单组分含量测定法测定组分A和B原理：吸光度加和性（1）n个波长处分别测定样品的吸光度。 （假设测定n个组分，一般选择各个组分的max）（2）根据吸光度的加和性建立n个方程，解联立方程， 可得n个组分的浓度。例：同

20、时测某样品中二个组分分别在1、2处测样品的吸光度A1、A2。（设定光程b=1cm） 1: A1 =11C1 +12C2 2: A2 =21C1 +22C2 ij：波长i处，j组分的摩尔吸光系数。 文献，也可通过纯组分的工作直线的斜率求得。例：同时测某样品中三个组分分别在1、2、3处测样品的吸光度A1、A2、A3。（设定光程b=1cm）1: A1 =11C1 +12C2+13C32: A2 =21C1 +22C2+23C33: A3 =31C1 +32C2+33C3第七节 双光束分光光度计的应用应用：能克服光源不稳定造成的误差 一、光路图 I0I0I0I1I2样品 参比 切光器 单波长双光束分光

21、光度计比值光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器二、工作原理 参比：样品： 则：作A-C工作直线，定量。由于A与I0无关，所以，能够克服I0不稳定所造成的误差。 I0I0I0I1I2样品 参比 切光器 第八节 双波长分光光度计的应用 特点：能消除共存干扰组分的影响；能消除浑浊试样的干扰； 能用于高浓度试样的测量。属于背景吸收一、光路图 结构特点：二个单色器 .显示器切光器（使光束交替通过）二、工作原理 .显示器121：A1=1bc+As1 （As1：1处的背景吸收）2：A2=2bc+As2 （As2：2处的背景吸收）如果As1=As2则 A=A2-A1=2bc-1bc+As2 -As1=（2-1

22、）bcA与c呈线性关系，可定量。三、双波长分光光度法对于吸收曲线有重叠的单组分(显色剂与有色络合物的吸收光谱重叠)或多组分(两种性质相近的组分所形成的有色络合物吸收光谱重叠)试样、混浊试样以及背景吸收较大的试样，由于存在很强的散射和特征吸收，难以找到一个合适的参比溶液来抵消这种影响。 利用双波长吸光光度法，使两束不同波长的单色光以一定的时间间隔交替地照射同一吸收池，测量并记录两者吸光度的差值。这样就可以从分析波长的信号中扣除来自参比波长的信号，消除上述各种干扰，求得待测组分的含量。 四、选择1和2 （目的是为了使1和2下背景吸收As1和As2相等。）1. 已知干扰组分 x（干扰组分） Ay注意

23、波长的选择原则A = A2-A1=(2bc+ As2)-(1bc+As1)=(2-1)bc关键问题测量波长2和参比波长1的选择与组合以两组分x和y的双波长法测定为例：设：x为待测组分，y为干扰组分，二者的吸光度差分别为:Ax和Ay，则该体系的总吸光度差Ax+y为：Ax+y = A x + A y如何选择波长1 、2有一定的要求。Ayx2、未知干扰组分 选择两波长十分接近但A差值较大的1和2。（1和2十分靠近，可以认为As1和As2相等；A尽可能大，可提供较高的灵敏度。） 分光光度法练习题：1、以邻二氮菲光度法测定Fe()，称取试样0.500g，经处理后，加入显色剂，最后定容为50.0mL。用1

24、.0cm的吸收池，在510nm波长下测得吸光度A=0.430。计算试样中铁的百分含量。(5101.1104Lmol1cm1)答案： 0.0218% 2、 以丁二酮肟光度法测定微量镍，若配合物NiDx2的浓度为1.70105mol/L，用2.0cm吸收池在470nm波长下测得透射比为30.0%。计算配合物在该波长的摩尔吸光系数。（lg3=0.4771）3、1.00103mol/L的K2Cr2O7溶液及1.00104 mol/L的KMnO4溶液在在450nm波长处的吸光度分别为0.200及0，而在530nm波长处的吸收分别为0.050及0.420。今测得两者混合溶液450nm和530nm波长处的吸

25、光度为0.380和0.710。试计算该混合溶液中K2Cr2O7和KMnO4浓度。（吸收池厚度为10.0mm分子的紫外可见吸收光谱呈带状光谱，其原因是什么？A分子中价电子运动的离域性质；B分子中价电子能级的相互作用；C分子振动能级的跃迁伴随着转动能级的跃迁；D分子电子能级的跃迁伴随着振动、转动能级的跃迁。用分光光度法同时测定混合物中吸收曲线部分重迭的两组分时，下列方法中较为方便和准确的是哪一种？ A. 解联立方程组法；B. 导数光谱法； C. 双波长分光光度法；D. 视差分光光度法。思考题及习题一、概念： 紫外-可见光吸收光谱图什么是紫外-可见光吸收光谱图？从中可以得到哪些有用的信息？画出紫外-

26、可见光分光光度计的光路图，并说明其主要部件和功能。棱镜和光栅的分光原理及分光效果有哪些不同？比色皿（或吸收池）有哪些不同的材料，在使用上有何不同，为什么？在定量分析中使用比色皿应当注意哪些事项，为什么？ 试述紫外-可见光分光光度分析中，如何选择测试条件（分析波长、出口狭缝宽度、吸光度范围）？试述紫外-可见光分光光度分析中，如何确定试样体系的条件（酸碱度、显色剂浓度、显色时间、温度）？试述吸收光谱分析中工作直线法的基本测量步骤。并回答与增量法在应用上有何不同？试述吸收光谱分析中增量法的基本测量步骤。并回答与工作直线法在应用上有何不同？某两个化合物x和y的吸收曲线如下图。试说明用双波长光度法定量分析x时，为消除y的干扰，如何选择两个波长点（标注于下）。并用公式推证如何消除y的干扰。 可见光分光光度分析通常选用哪个波长作分析波长？为什么？画出双光束分光光度计的光路图，并说明该种仪器为什么能消除光源带来的误差（用公式推证）。