紫外吸收光谱分析.docx
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紫外吸收光谱分析
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）电子相关于原子核的运动
（2）原子核在其平稳位置周围的相对振动
（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:
E＝Ee+Ev+Er
ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
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。
即电子光谱中总包括有振动能级和转动能级间跃迁产生的假设干谱线而呈现宽谱带。
电磁辐射的大体性质
电磁辐射（电磁波）：
以接近光速（真空中为光速）传播的能量；c=λν=ν/σ
E=hν=hc/λ
c：
光速=×1010cm·s；
λ：
波长；ν：
频率；σ：
波数；E：
能量；
h：
普朗克常数＝×10-34J·s
电磁辐射具有波动性和微粒性；
电磁γ射线：
5～140pm
X射线：
10－3～10nm
光学区：
10～1000μm
远紫外区：
10～200nm
近紫外区：
200～380nm
可见区：
380～780nm
近红外区：
～μm
中红外区：
～50μm
远红外区：
50～1000μm
微波：
mm～1m
无线电波：
>1m
幅射的波长分布无机络合物吸收带主若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专门大，依照朗伯-比尔定律，能够成立这些络合物的定量分析方式。
应用：
1．定量分析：
有色物质→可见光区：
340~800nm
对紫外线有吸收的无色物质→紫外光区：
200~340nm
灵敏度ppm,周密度RSD:
%
2．定性分析：
提供某些分子的部份结构信息
例：
苯的B带吸收（230~270nm间显现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，因此具有不同的吸收光谱。
而各类化合物，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必然区别。
电子跃迁所需能量大小为：
σ→σ*＞n→σ*＞π→π*＞n→π*
有机化合物吸收可见光或紫外光，σ、π和n电子就跃迁到高能态，可能产生的跃迁有σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*。
各类跃迁所需要的能量或吸收波长与有机化合物的基团、结构有紧密关系，依照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
㈠吸光度（A）的概念
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。
那么吸光度（A）表示物质对光的吸收程度，其概念为:
㈡朗伯-比耳定律（Lambert-Beer）
是光吸收的大体定律，俗称光吸收定量分析的依据和基础。
⒈当C采纳重量单位时，吸收定律表达为:
A=abc
式中：
a：
吸光系数L/g*cmb：
光程，cmc：
浓度，g/L
可知：
A与c呈线形关系，为定量分析的理论依据
2.当C采纳摩尔浓度时，吸收定律表达为:
A=εbc
ε:
摩尔吸光系数，L/mol·cmc:
摩尔浓度，mol/L
㈢透光率（T）
概念为：
那么：
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，加上溶剂的作用，一样UV谱图可不能呈现尖锐的吸收峰，而是一些胖胖的滑腻的峰包
1.概述
紫外吸收光谱：
分子中价电子能级跃迁。
波长范围：
100-800nm.
（1）远紫外光区:
100-200nm
（2）近紫外光区:
200-400nm
（3）可见光区:
400-800nm
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+hν→M*
基态激发态
E1（△E）E2
∆E=E2-E1=hν
用不同波长的单色光照射，测吸光度;
概念：
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]·L-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，加上溶剂的作用，一样UV谱图可不能呈现尖锐的吸收峰，而是一些胖胖的滑腻的峰包.
浓度与吸收曲线
紫外-可见
吸收光谱图的应用
定量：
一样总有一最大吸收峰，其对应波长称为最大吸收波长（λmax）,往往以λmax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
光分析的大体进程：
（1）能源提供能量；
（2）能量与被测物之间的彼此作用；
（3）产生信号。
大体特点：
（1）所有光分析法均包括三个大体进程；
（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）所有光分析法均包括三个大体进程；
（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、大体光路图
三、要紧部件（以单光束分光光度计为例）
1.光源：
提供稳固的复合光
可见光区：
钨灯、碘钨灯。
其辐射波长范围在320～2500nm。
紫外区：
氢灯、氘灯。
发射185～400nm的持续光谱
2.单色器
①色散元件
作用：
将复合光分解成持续单色光
A.棱镜（靠折射作用分光）
能够取得波长非均匀散布的的持续光谱，光强损失较大
棱镜（Prism）：
棱镜的色散作用是基于组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
光栅：
在镀铝的玻璃表面刻有数量专门大的等宽度等间距条痕（600、1200、2400条/mm）。
提供波长均匀散布的持续光谱，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与现象而分光.
光栅
例：
7530型紫外—可见光分光光度计。
步进马达带动光栅，取得匀速转变的单色光。
光栅制作：
机刻600～2880条/mm
复制光栅（照相，化学侵蚀）
2.单色器
②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
②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，，
3.吸收池（也可称为比色皿、样品池）
作用：
盛放试液。
①材料
A.一般光学玻璃：
用于可见光区，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）
②宽度：
，1cm，2cm
③利用注意事项
固定利用同一比色皿，因为每一个比色皿的壁厚、光程、吸光特性等不尽相同。
4.检测器
一类光电转换元件。
经常使用类型有：
①光电池②光电管③光电倍增管
4.检测器
①光电池
对500~600nm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。
②光电管
灵敏度比光电池大
例：
721型可见光分光光度计
③光电倍增管
对光专门灵敏，灵敏度比光电管高200倍。
对供电量要求高，需要达到～%的稳固性。
1个光子产生106~107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
1.一样情形下，选λmax作分析波长，以便取得最高的灵敏度。
2.关于高浓度样品，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.λmax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
最正确宽度的选择方式：
在A不减小时的最大狭缝宽度。
（因为，在必然宽度范围内，A不变；过大时，由于干扰谱带或非吸收光出此刻光谱通带内，A减小。
）
适合的吸收度范围
依照吸收定律，A=时，吸收度测试量误差最小。
实际工作中，将试样吸收度操纵在～之间。
操纵方式：
选择适合的比色皿宽度，稀释待测样等
第五节试样体系条件的选择
显色反映
在分光光度分析中，利用显色反映把待测组分X转变成有色化合物，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映叫显色反映。
mX（待测物）＋nR（显色剂）＝XmRn（有色化合物）
显色反映要紧有配位反映和氧化还原反映，其中绝大多数是配位反映。
选择显色反映的一样标准
1、灵敏度高选择ε较大（104～105）的显色反映。
2、选择性好显色剂仅与被测组分显色而与其它共存组分不显色。
幸免共存组分干扰。
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、 有色物稳固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、显色进程易于操纵而且有色化合物与显色剂之间的颜色不同应尽可能大。
一、酸碱度
①阻碍显色剂的平稳浓度和颜色
HR⇌H++R-nR-+Mn+⇌MRn
②阻碍被测物质的存在状态
pH升高，M→M（OH）……M（OH）n乃至↓
③阻碍络合物的组成及颜色
在pH＝2～3Fe（ssal）+ 紫红色
在pH＝4～7Fe（ssal）22- 棕橙色
在pH＝8～10Fe（ssal）3 黄色
在pH>12Fe（OH）3 沉淀
pH会阻碍显色剂的解离，被测离子的水解等，因此，要选择最正确酸度，并用缓冲液来操纵。
选择最正确pH值方式：
固定试液浓度，改变pH值测A，做A-pH图，找出对A阻碍最小的pH值范围。
二、显色剂浓度
一、显色剂的用量
显色反映一样可表示为M+R⇌MR
显色剂用量，适当过量。
二、最正确浓度选择
作A-C显色剂图，找出对A阻碍最小的浓度范围
三、显色时刻
显色反映有快慢，有的有色配合物容易褪色，因此不同的显色反映需放置不同的时刻，并在必然的时刻范围内进行比色测定。
试液自加入显色剂等且定容后开始计时，测A，制作A－t曲线，
（2）、（3）用秒表控时
试液颜色常随时刻而转变。
1.找到对颜色转变阻碍最小的时刻段
2.每一个试液都要有相同的显色时刻。
四、温度
有些反映需要加热。
有些显色剂或有色配合物在较高温度下易分解褪色。
另外温度对光的吸收及颜色深浅也有阻碍，要求标准溶液和被测溶液在测定进程中温度一致。
固定其它条件，改变T，作A~T曲线，寻觅适宜反映温度。
温度能阻碍显色反映的速度，阻碍颜色的稳固性。
据此能够找到最正确的温度。
有些显色反映受温度阻碍较大，这时，要操纵恒定的温度。
五、溶剂：
有机溶剂可降低有色化合物的离解度。
适合的表面活性剂可增溶、增敏、增稳。
六、共存干扰离子的阻碍及排除：
包括：
正干扰（共存离子本身有色or与显色剂反映，在测量条件下有吸收）和负干扰（共存离子引发显色反映不完全）
排除干扰的方式
（a）操纵酸度；（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mL
%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=）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ε508=×104，反映的灵敏度、稳固性、选择性均较好。
此反映可用于微量Fe2+的测定，若是铁以Fe3+的形式存在，那么应预先加入还原剂盐酸羟胺或对苯二酚将Fe3+还原成Fe2+。
4Fe3++2NH2OH—→4Fe2++N2O+4H++H2O
羟胺显色，测按时的酸度是操纵在pH=4-6。
Bi3+、Cd2+、Hg+、Zn2+、Ag+等离子与邻二氮菲生成沉淀；Cu2+、Co2+、Ni2+等离子那么形成有色配合物，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，使反映速度慢，CN－存在将与Fe2+生成配合物，严峻干扰测定，需预先除去。
酸度高时，反映进行慢；酸度太低，那么Fe2+水解，阻碍
定量分析法
定量分析方式：
标准曲线法
。
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。
⑴配制一系列待测成份的标准溶液C1C2C3C4C5
⑵测出相应的吸光度A1A2A3A4A5
成立工作直线（A→C）①作图法②回归法
⑷测量待测样品，得A样
①从工作直线上找到待测成份的浓度C样
②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）
① 取假设干份等体积待测
② 加入与待测液等体积的一系列标准溶液
作A-C标曲线，此线与C标轴交点即为C样.
C0=0（试剂空白）
理论依据：
A=εbc=εb（C样+C标）
当A=0时，C样=-C标
方式特点：
适用于组成较复杂的样品，关于批量样品较麻烦。
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两组分的吸收峰彼此不重叠，那么可别离在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个波优势别离测定样品的吸光度。
（假设测定n个组分，一样选择各个组分的λmax）
（2）依照吸光度的加和性成立n个方程，解联立方程，
可得n个组分的浓度。
例：
同时测某样品中二个组分
别离在λ一、λ2处测样品的吸光度A一、A2。
（设定光程b=1cm）
λ1:
A1=ε11C1+ε12C2
λ2:
A2=ε21C1+ε22C2
εij：
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
别离在λ一、λ二、λ3处测样品的吸光度A一、A二、A3。
（设定光程b=1cm）
λ1:
A1=ε11C1+ε12C2+ε13C3
λ2:
A2=ε21C1+ε22C2+ε23C3
λ3:
A3=ε31C1+ε32C2+ε33C3
第七节双光束分光光度计的应用
应用：
能克服光源不稳固造成的误差
一、光路图
单波长双光束分光光度计
二、工作原理
参比：
样品：
那么：
作ΔA-C工作直线，定量。
由于ΔA与I0无关，因此，能够克服I0不稳固所造成的误差。
第八节双波长分光光度计的应用
特点：
能排除共存干扰组分的阻碍；能排除浑浊试样的干扰；
能用于高浓度试样的测量。
属于背景吸收
一、光路图
二、工作原理
λ1：
A1=ε1bc+As1（As1：
λ1处的背景吸收）
λ2：
A2=ε2bc+As2（As2：
λ2处的背景吸收）
若是As1=As2
那么△A=A2-A1=ε2bc-ε1bc+As2-As1=（ε2-ε1）bc
△A与c呈线性关系，可定量。
三、双波长分光光度法
关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、混浊试样和背景吸收较大的试样，由于存在很强的散射和特点吸收，难以找到一个适合的参比溶液来抵消这种阻碍。
利用双波长吸光光度法，使两束不同波长的单色光以必然的时刻距离交替地照射同一吸收池，测量并记录二者吸光度的差值。
如此就能够够从分析波长的信号中扣除来自参比波长的信号，排除上述各类干扰，求得待测组分的含量。
四、选择λ1和λ2
（目的是为了使λ1和λ2下背景吸收As1和As2相等。
）
1.已知干扰组分
注意波长的选择原那么
△A=A2-A1=（ε2bc+As2）-（ε1bc+As1）=（ε2-ε1）bc
关键问题
测量波长λ2和参比波长λ1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，二者的吸光度不同离为:
ΔAx和ΔAy，那么该体系的总吸光度差ΔAx+y为：
ΔAx+y=ΔAx+ΔAy
如何选择波长λ1、λ2有必然的要求。
二、未知干扰组分
选择两波长十分接近但△A差值较大的λ1和λ2。
（λ1和λ2十分靠近，能够以为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：
一、以邻二氮菲光度法测定Fe（Ⅱ），称取试样，经处置后，加入显色剂，最后定容为。
用的吸收池，在510nm波长下测得吸光度A=。
计算试样中铁的百分含量。
（ε510＝×104L·mol－1·cm－1）答案：
%
二、以丁二酮肟光度法测定微量镍，假设配合物NiDx2的浓度为×10－5mol/L，用吸收池在470nm波长下测得透射比为%。
计算配合物在该波长的摩尔吸光系数。
（lg3=）
3、×10－3mol/L的K2Cr2O7溶液及×10－4mol/L的KMnO4溶液在在450nm波优势的吸光度别离为及0，而在530nm波优势的吸收别离为及。
今测得二者混合溶液450nm和530nm波优势的吸光度为和。
试计算该混合溶液中K2Cr2O7和KMnO4浓度。
（吸收池厚度为
分子的紫外－可见吸收光谱呈带状光谱，其缘故是什么？
A．分子中价电子运动的离域性质；
B．分子中价电子能级的彼此作用；
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份重迭的两组分时，以下方式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。
试探题及习题
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？
从中能够取得哪些有效的信息？
画出紫外-可见光分光光度计的光路图，并说明其要紧部件和功能。
棱镜和光栅的分光原理及分光成效有哪些不同？
比色皿（或吸收池）有哪些不同的材料，在利用上有何不同，什么缘故？
在定量分析中利用比色皿应当注意哪些事项，什么缘故？
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，如何确信试样体系的条件（酸碱度、显色剂浓度、显色时刻、温度）？
试述吸收光谱分析中工作直线法的大体测量步骤。
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大体测量步骤。
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的吸收曲线如以下图。
试说明用双波长光度法定量分析x时，为排除y的干扰，如何选择两个波长点（标注于下）。
并用公式推证如何排除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？
什么缘故？
画出双光束分光光度计的光路图，并说明该种仪器什么缘故能排除光源带来的误差（用公式推证）。
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