分析化学第10章吸光光度法a.ppt

Analytical Chemistry,吸光光度法,1 吸光光度法的基本原理,1.1 吸光光度法概述1.2 光的基本性质1.3 物质对光的吸收1.4 溶液的吸光定律,1.1 吸光光度法概述,定义：是基于被测物质的分子 对光 具 有选择性吸收的特性而建立的分析方法。,包括：比色法、可见及紫外吸光光度法及红外光谱法等。本章我们重点讨论可见光区的吸光光度法。,(一)灵敏度高 常用于测定含量在1%-10-3%的微量组分。甚至可测10-4 10-5%。如果对被测组分事先加以富集，灵敏度还可以提高1-2个数量级。,吸光光度法的特点,(二)准确度较高 相对误差为2-5%，但对微量成分来说，还是比较满意的，因为在这种情况下，滴定分析法和重量法也不够准确了，甚至无法进行测定。,(三)操作简便，测定速度快(四)应用广泛 几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用吸光光度法进行测定。,1.2 光的基本性质,光的电磁波性质,光的波粒二象性,波动性,粒子性,E,光的折射,光的衍射,光的偏振,光的干涉,光电效应,E：光子的能量（J,焦耳）,：光子的频率（Hz,赫兹）,：光子的波长（cm）,c：光速（2.99791010 cm.s-1）,h：Plank常数（6.625610-34 J.s 焦耳.秒）,单色光、复合光、光的互补,单色光,复合光,光的互补,单一波长的光,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补。,1.3 物质对光的吸收,物质的颜色与光的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,物质的颜色是因物质对不同波长的光具有选择性吸收作用而产生的。,吸收光谱,光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色，这一过程与物质的性质及光的性质有关。,物质对光的吸收,物质对光的吸收满足Plank 条件,S2,S0,E2,E0,物质对光的选择吸收 Selected absorption,物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。,例：,A 物质,B 物质,同理，得：,1 ev=1.610-19 J.,吸收光谱的获得Absorption Spectra,测量某物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长（）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标，绘制吸光度随波长的变化可得一曲线，此曲线即为吸收光谱。,定性分析与定量分析的基础,定性分析基础,定量分析基础,物质对光的选择吸收,在一定的实验条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比。,1.4 溶液的吸光定律,透光率（透射比）Transmittance,透光率定义：,T 取值为0.0%100.0%,全部吸收,T=0.0%,全部透射,T=100.0%,朗伯-比尔定律表明：当一束平行单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。这是进行定量分析的理论基础。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。吸光度的加和性：多组分体系中，如果各组分之间无相互作用，其吸光度具有加合性，这一规律称吸光度的加和性。利用这一性质，可进行多组分测定及某些化学反应平衡常数测定。,吸收定律的数学表达式：,吸光系数 Absorptivity吸光光度法的灵敏度,b：吸光液层的厚度，光程，cm,c：吸光物质的浓度，g/L,mol/L,K：比例常数,入射光波长,物质的性质,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,Molar Absorptivity,Absorptivity,摩尔吸收系数和桑德尔灵敏度,摩尔吸收系数 当浓度c用molL-1，液层厚度b用cm为单位表示，则K用符号来表示。称为摩尔吸收系数，单位为Lmol-lm-1，它表示物质的量浓度为l molL-1，液层厚度为l cm时溶液的吸光度。,桑德尔(Sandell)灵敏度或称(灵敏度指数)用S来表示。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小含量，其单位为gcm-2,bc为单位截面积光程内吸光物质的摩尔数，即mol/1000cm2,可见，某物质的摩尔吸光系数k越大，其桑德尔灵敏度S越小，即该测定方法的灵敏度越高。,对摩尔系数的理解之一,=1.1 104,测定,工作曲线的斜率即为摩尔吸收系数,摩尔吸收系数是对吸光物质而言，是由吸光物质的结构特征，入射光波长等因素决定。,对摩尔系数的理解之二,对同一种待测物质，不同的方法具有不同的，表明具有不同的灵敏度。,例，分光光度法测铜,铜试剂法测 Cu,426=1.28 104 Lmol-1cm-1,双硫腙法测 Cu,495=1.58 105 Lmol-1cm-1,一般情况,104,104 105,105,低灵敏度,中等灵敏度,高灵敏度,灵敏度不同的本质原因是什么,？,吸光系数 a,Sandell 灵敏度 S,单位为 g cm-2。,Sandell 灵敏度与 的关系,摩尔吸光系数,2.1 吸光分析的几种方法2.2 吸光分析法的仪器简介,2 吸光分析法的方法与仪器简介,2.1 吸光分析的几种方法,一、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，灵敏度高,优点：仪器简单，操作简便，适宜于大批试样的分析。灵敏度高，可在复合光-白光下进行测定，故某些显色反应不符合朗伯-比尔定律时，仍可用该法进行测定。主要缺点：准确度不够高，标准系列不能久存，需要在测定时临时配制。,二、吸光光度法 Spectrophotometry 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（工作曲线），根据被测试液的吸光度，从标准曲线上求得被测物质的浓度或含量。标准曲线 工作曲线 吸光光度法特点:(1)入射光是纯度较高的单色光。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。(2)可任意选取某种波长的单色光，故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。(3)许多无色物质，只要它们在紫外或红外光区域内有吸收峰，也可以测定。,2.2 吸光分析法的仪器简介,紫外-可见分光光度计组件,光源,单色器,吸收池,检测器,信号输出,氢灯，氘灯，185 350 nm（紫外光源）；卤钨灯，250 2000 nm（可见光源）.,作用：将复合光色散成单色光,棱镜,光栅,玻璃，350 2500 nm,石英，185 4500 nm,平面透射光栅，反射光栅,也称比色皿：玻璃（可见光区），石英（紫外光区）,作用：将光信号转换为电信号，并放大,光电池、光电管，光电倍增管等,表头、记录仪、屏幕、数字显示,分光光度计及其基本部件,Ultraviolet Visual Spectroscopy,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,I0,It,参比,样品,单波长单光束分光光度计,单波长双光束分光光度计,美国 Perkin-Elmer,美国Beckman Coulter,要 点,1、Plank 条件,2、物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。,3、在一定的实验条件下，物质对光的吸收与物质的浓度成正比。,吸光定律,c：mol/L,摩尔吸光系数，L mol 1 cm-1,K,c：g/L,K a,吸光系数，L g 1 cm-1,3 光度分析法的设计,3.1 显色反应3.2 显色条件的选择3.3 测量波长和吸光度范围的选择3.4 参比溶液的选择3.5 标准曲线的制作,3.1 显色反应,待测物质本身有较深的颜色，直接测定；待测物质是无色或很浅的颜色，需要选适当的试剂与被测离子反应生成有色化合物再进行测定，此反应称为显色反应，所用的试剂称为显色剂（color reagent）。按显色反应的类型来分，主要有氧化还原反应和络合反应两大类，而络合反应是最主要的。,(1)选择性要好，干扰少，或干扰容易消除。(2)灵敏度要高，一般要求有色物质的应大于104。(3)对比度要大。即如果显色剂有颜色，则有色化合物与显色剂的最大吸收波长的差别要大，一般要求max在60nm以上。(4)有色化合物的组成要恒定，化学性质要稳定，至少保证在测量过程中溶液的吸光度基本恒定。,一、对显色反应要求,M(被测组分)+R(显色剂)=MR(有色络合物),二、显色剂,(1)无机显色剂：许多无机试剂能与金属离子起显色反应，如Cu2+与氨水形成深蓝色的络离子Cu(NH4)42+，SCN-与Fe3+形成红色的络合物Fe(SCN)2+或Fe(SCN)63-等。但是多数无机显色剂的灵敏度和选择性都不高，其中性能较好，目前还有实用价值的有硫氰酸盐、钼酸铵、氨水和过氧化氢等。(2)有机显色剂：许多有机试剂，在一定条件下，能与金属离子生成有色的金属螯合物(具有环状结构的络合物)。,显色剂中的生色团和助色团,在有机化合物分子中，凡是包含有共轭双键的基团如NN、NO、对醌基、CO、CS等，一般都具有颜色，原因是这些基团中的电子被光激发时，只需要较小的能量，能吸收波长大于200nm的光，因此，称这些基团为生色团；某些含有未共用电子对的基团如胺基NH2，RHN，R2N(具有一对未共用电子对)，羟基-OH(具有两对末共用电子对)，以及卤代基F，Cl，Br，I等，它们与生色基团上的不饱和键互相作用，引起永久性的电荷移动，从而减小了分子的活化能促使试剂对光的最大吸收“红移”(向长波方向移动)，使试剂颜色加深，增大，这些基团称为助色团。,有机显色剂示例A 磺基水杨酸 OO型螯合剂，可与很多高价金属离子生成稳定的螯合物，主要用于测Fe3+。B 丁二酮肟 NN型螯合显色剂，用于测定Ni2+。C 1，10-邻二氮菲 NN型螯合显色剂，测微量Fe2+。D 二苯硫腙 含S显色剂，萃取光度测定Cu2+，Pb2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+等。E 偶氮胂(铀试剂)偶氮类螯合剂，强酸性溶液中测Th(),Zr()，U()等；在弱酸性溶液中测稀土金属离子。F 铬天青S 三苯甲烷类显色剂，测定Al3+。G 结晶紫 三苯甲烷类碱性染料，测定Tl3+。,三、多元络合物 多元络合物是由三种或三种以上的组分所形成的络合物。*三元混配络合物 金属离子与一种络合剂形成未饱和络合物，然后与另一种络合剂结合，形成三元混合配位络合物，简称三元混配络合物。*离子缔合物 金属离子先与络合剂生成络阴离子或络阳离子，再与带反电荷的离子生成离子缔合物。主要用于萃取光度法。*金属离子-络合剂-表面活性剂体系 金属离子与显色剂反应时，加入某些表面活性剂，可以形成胶束化合物，它们的吸收峰向长波方向移动(红移)，增大，而测定的灵敏度显著提高。*杂多酸 溶液在酸性的条件下，过量的钼酸盐与磷酸盐、硅酸盐、砷酸盐等含氧的阴离子作用生成杂多酸，作为吸光光度法测定相应的磷、硅、砷等元素的基础。,3.2 显色条件的选择,实验条件包括:溶液酸度，显色剂用量，试剂加入顺序，显色时间，显色温度，有机络合物的稳定性及共存离子的干扰等。（1）溶液的酸度 M+HR=MR+H+*影响显色剂的平衡浓度和颜色*影响被测金属离子的存在状态*影响络合物的组成*由pH与吸光度关系曲线确定pH范围。,（2）显色剂的用量 M(被测组分)+R(显色剂)=MR(有色络合物)为使显色反应进行完全，需加入过量的显色剂。但显色剂不是越多越好。有些显色反应，显色剂加人太多，反而会引起副反应，对测定不利。在实际工作中根据实验结果来确定显色剂的用量。,（3）温度的选择：显色反应大多在室温下进行。但是，有些显色反应必需加热至一定温度完成。,实际工作中，作 A T 曲线，寻找适宜 反应温度。,（4）显色时间的选择：有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定状态，并在较长时间内保持不变;有些显色反应虽能迅速完成，但有色络合物的颜色很快开始褪色;有些显色反应进行缓慢，溶液颜色需经一段时间后才稳定。,实际工作中，作 A t 曲线，寻找适宜 反应时间。,（5）干扰及其消除方法 试样中存在干扰物质会影响被测组分的测定。例如干扰物质本身有颜色或与显色剂反应，在测量条件下也有吸收，造成正干扰。干扰物质与被测组分反应或与显色剂反应，便显色反应不完全，也会造成干扰。为消除以上原因引起的干扰，可采取以下几种方法：a.控制溶液酸度 利用酸效应消除干扰。b.加入掩蔽剂 选取的条件是掩蔽剂不与待测离子作用，掩蔽剂以及它与干扰物质形成的络合物的颜色应不干扰待测离子的测定。c.利用氧化还原反应，改变干扰离子的价态 d.用参比溶液消除显色剂和某些共存有色离子的干扰。e.选择适当的波长f.分离 以上方法均不奏效时，采用预先分离的方法。,原则：,扣除非待测组分的吸收,以显色反应为例进行讨论,M+R=M-R（有色）,试液M 显色剂 R 溶剂 吸光物质 参比液组成,无吸收,无吸收,光学透明,溶剂,吸收,无吸收,吸收,不加显色剂的试液,无吸收,吸收,吸收,不加试液的试剂空白,吸收,吸收,吸收,吸收,显色剂+试液+待测组分的掩蔽剂,若欲测 M-R 的吸收,A（样）=A（待测吸光物质）+A（干扰）+A（池）,A（参比）=A（干扰）+A（池）,3.3 参比溶液的选择,一、测量波长的选择,无干扰，选择,max,有干扰,二、待测溶液吸光度范围的选择,T=15%65%,方法,1、非单色光影响小,2、灵敏度高,吸收最大，干扰最小,3.4 测量波长和吸光度范围的选择,3.5 标准曲线的制作 在选择的实验条件下分别测量一系列不同含量的标准溶液的吸光度，以标准溶液中待测组分的含量为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得到一条通过原点的直线，称为标准曲线，此时测量待测溶液的吸光度，在标准曲线上就可以查到与之相对应的被测物质的含量。注意选择适当的标准溶液浓度使吸光度测量值在合适的范围内，并注意标准曲线的线性范围。有时标准曲线不通过原点。可能是由于参比溶液选择不当，吸收池厚度不等，吸收池位置不妥，吸收池透光面不清洁等原因所引起的。若有色络合物的解离度较大，特别是当溶液中还有其他络合剂时，常使被测物质在低浓度时显色不完全。找出原因，加以避免。,溶液浓度的测定,A b c,工作曲线法(标准曲线法),0 1.0 2.0 3.0 4.0 c(mg/mL),0.800.600.400.200.00,cx,