分析化學(xué)精品章節(jié)程建設(shè)十章節(jié)吸光光度法教案(00001)課件

1、分析化學(xué)精品課程建設(shè)第十章 吸光光度法 教案Analytical Chemistry分析化學(xué) CAI安慶師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院主講教師：開(kāi)小明教授1主要參考書(shū)北京大學(xué)：定量分析簡(jiǎn)明教程（第二版）武漢大學(xué)：分析化學(xué)（第二、三、四版）李龍泉，林長(zhǎng)山，朱玉瑞，呂敬慈，江萬(wàn)權(quán)定量分析化學(xué)R. Kellner et al., (FECS) Analytical Chemistry （中譯本：分析化學(xué)，北京大學(xué)出版社，2001）J. A. Dean: （世界圖書(shū)出版社） Analytical Chemistry Handbook (中譯本：分析化學(xué)手冊(cè)）D. Harvey: (McGraw Hill )

2、Modern Analytical Chemistry2經(jīng)典定量分析法回顧1.前面我們學(xué)習(xí)了什么? 4種容量分析和重量分析2.要點(diǎn)：定量分析需要滿(mǎn)足一定的條件，不是寫(xiě)了一個(gè)方程式，就可以做定量分析，容量分析和重量分析都有豐富的內(nèi)容，如重量分析晶核的形成、晶核成長(zhǎng)為晶體的過(guò)程，要想得到純凈的沉淀需要控制實(shí)驗(yàn)條件，減少共沉淀。3.掌握好這些基礎(chǔ)知識(shí)無(wú)論是從事中學(xué)教學(xué)，還是進(jìn)一步從事科學(xué)研究工作都是非常重要的，在今后的事業(yè)中可少走彎路。4.注意問(wèn)題：上述是經(jīng)典分析，理論成熟，完善，再發(fā)展不容易，特別是年輕人難以有所作為。 3第十章 吸光光度法 吸光光度法（Absorption photometry）

3、是一種基于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)的一種分析方法。包括可見(jiàn)吸光光度法、紫外-可見(jiàn)吸光光度法和紅外光譜法等，也叫分光光度法(spectrophotometry)、比色法。 吸光光度法同滴定分析法、重量分析法相比，有以下一些特點(diǎn)： (一)靈敏度高 吸光光度法測(cè)定物質(zhì)的濃度下限(最低濃度)一般可達(dá)1-10-3%的微量組分。如果對(duì)被測(cè)組分事先加以富集，靈敏度還可以提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。4一、光的基本性質(zhì) 光是一種電磁波，具有波粒二象性。 其波長(zhǎng) 、頻率與速度c之間的關(guān)系為：E= = c/為普朗克常數(shù)，其值為6.6310-34Js。普朗克方程表示了光的波動(dòng)性和粒子性之間的關(guān)系。 顯然，不同波長(zhǎng)的光具

4、有不同的能量，波長(zhǎng)愈短，能量愈高；波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，能量愈低。 通常意義的單色光是指其波長(zhǎng)處于某一范圍的光，而復(fù)合光則由不同單色光組成，如陽(yáng)光和白熾燈泡發(fā)出的光均為復(fù)合光。第一節(jié) 物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收6電磁輻射(電磁波)按其波長(zhǎng)可分為不同區(qū)域： g射線5140pmX射線 10-310nm 光學(xué)區(qū)10 nm1000mm其中：遠(yuǎn)紫外區(qū)10200nm 近紫外區(qū)200380 nm 可見(jiàn)區(qū)380780 nm 近紅外區(qū)0.782.5mm 中紅外區(qū)2.550mm 遠(yuǎn)紅外區(qū)501000mm微波 0.1mm1m無(wú)線電波1m 7光的互補(bǔ)色示意圖return9(一) 物質(zhì)對(duì)光產(chǎn)生選擇性吸收和原因 物質(zhì)的分子內(nèi)部具有一系列不

5、連續(xù)的特征能級(jí)，包括電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，CHP - Molecular Energy Levels.htm這些能級(jí)都是量子化的，這些能級(jí)又可分為基態(tài)和能量較高的若干個(gè)激發(fā)態(tài)。雙原子分子的三種能級(jí)躍遷示意圖.jpg在一般情況下，物質(zhì)的分子都處于能量最低、最穩(wěn)定的狀態(tài)基態(tài)。當(dāng)用光照射某物質(zhì)后，如果光具有的能量恰與物質(zhì)分子的某一能級(jí)差相等時(shí)，這一波長(zhǎng)的光即可被分子吸收，從而使其產(chǎn)生能級(jí)躍遷而進(jìn)入較高的能態(tài)激發(fā)態(tài)。也就是說(shuō)，并不是任一波長(zhǎng)的光都可以被某一物質(zhì)所吸收。由于不同物質(zhì)的分子其組成和結(jié)構(gòu)不同，它們所具有的特征能級(jí)也不同，故能級(jí)差不同，而各物質(zhì)只能吸收與它們分子內(nèi)部能級(jí)差相當(dāng)?shù)墓廨椛洌?/p>

6、所以不同物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收具有選擇性。 二、物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收10（二） 物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系 從光本身來(lái)說(shuō)，有些波長(zhǎng)的光線，作用于眼睛引起了顏色的感覺(jué)，我們把人眼所能看見(jiàn)有顏色的光叫做可見(jiàn)光，其波長(zhǎng)范圍大約在400-750 nm之間。實(shí)驗(yàn)證明：白光(日光、白熾電燈光、日光燈光等)是由各種不同顏色的光按一定的強(qiáng)度比例混合而成的。如果讓一束白光通過(guò)三棱鏡，就分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色的光，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光的色散。每種顏色的光具有一定的波長(zhǎng)范圍。我們把白光叫做復(fù)合光；把只具有一種顏色的光，叫做單色光。分析化學(xué)上所指的單色光是波長(zhǎng)范圍很窄的光。Goto 1211物質(zhì)顏色與吸收光

7、顏色的關(guān)系return12 光的互補(bǔ)色現(xiàn)象在日常生活中常遇到。如黃綠光和紫光互補(bǔ)，紅光和藍(lán)綠光互補(bǔ)，等等。(提示:日常生活中光吸收互補(bǔ)性，如：植物葉、花，塑料薄膜) 對(duì)固體物質(zhì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)白光照射到物質(zhì)上時(shí)，物質(zhì)對(duì)于不同波長(zhǎng)的光吸收、透過(guò)、反射、折射的程度不同而使物質(zhì)呈現(xiàn)出不同的顏色。如果物質(zhì)對(duì)各種波長(zhǎng)的光完全吸收，則呈現(xiàn)黑色；如果完全反射，則呈現(xiàn)白色；如果對(duì)各種波長(zhǎng)的光吸收程度差不多，則呈現(xiàn)灰色；如果物質(zhì)選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的光，那么，這種物質(zhì)的顏色就由它所反射或透過(guò)光的顏色來(lái)決定。 13 對(duì)溶液來(lái)說(shuō)，溶液呈現(xiàn)不同的顏色，是由于溶液中的質(zhì)點(diǎn)(分子或離子)選擇性的吸收某種顏色的光所引起的。如果各種

8、顏色的光透過(guò)程度相同，這種物質(zhì)就是無(wú)色透明的。如果只讓一部分波長(zhǎng)的光透過(guò)，其它波長(zhǎng)的光被吸收，則溶液就呈現(xiàn)出透過(guò)光的顏色，也就是溶液呈現(xiàn)的是與它吸收的光成互補(bǔ)色的顏色。例如硫酸銅溶液因吸收了白光中的黃色光而呈藍(lán)色；高錳酸鉀溶液因吸收了白光中的綠色光而呈現(xiàn)紫色。其實(shí)，任何一種溶液對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收程度是不相等的。如果將某種波長(zhǎng)的單色光依次通過(guò)一定濃度的某一溶液，測(cè)量該溶液對(duì)各種單色光的吸收程度，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)可以得到一條曲線，叫做吸收光譜曲線或光吸收曲線。它清楚地描述了溶液對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸收情況。14Absorption spectrum圖10-2 KMnO4溶液的吸收曲線

9、(cKMnO4: abcd) return16一、朗伯-比耳定律（一）朗伯-比耳定律的推導(dǎo) 朗伯(Lambert)和比耳(beer)分別于1760年和1852年研究了光的吸收與有色溶液吸收層的厚度及溶液濃度的定量關(guān)系，奠定了分光光度分析法的理論基礎(chǔ)。當(dāng)一束平行單色光垂直照射到任何均勻、非散射的介質(zhì)（固體、液體或氣體）；例如溶液，光的一部分被介質(zhì)吸收，一部分透過(guò)溶液、一部分被器皿的表面反射。如果入射光的強(qiáng)度為I0，吸收光的強(qiáng)度為Ia，透過(guò)光的強(qiáng)度為It,反射光的強(qiáng)度為Ir則它們之間的關(guān)系為 I0Ir+Ia+It 173.朗伯-比耳定律 如果同時(shí)考慮溶液的濃度和液層的厚度都變化，都影響物質(zhì)對(duì)光的吸

10、收，則上述兩個(gè)定律可合并為朗伯-比耳定律，即得到： CHP - Beer-Lambert Law.htm1.朗伯定律2.比耳定律19 A=Kbc 此式為光吸收定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 式中A稱(chēng)為吸光度， K是比例常數(shù)，與入射光的波長(zhǎng)、物質(zhì)的性質(zhì)和溶液的溫度等因素有關(guān)。 I/I0稱(chēng)為透光率，用T表示。它與A的關(guān)系為：20朗伯比爾定律的物理意義和適用范圍 當(dāng)一束平行單色光垂直通過(guò)某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時(shí)，其吸光度A與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度b成正比。這正是吸光光度法進(jìn)行定量分析的理論依據(jù)。 朗伯比爾定律是光吸收的基本定律，適用于所有的電磁輻射與所有的吸光物質(zhì)(可以是氣體、固體、液體、原子、分子和離

11、子)間的作用。但由推導(dǎo)過(guò)程中所確定的假設(shè)可知，朗伯比爾定律的成立是有前提的，即(1)入射光為平行單色光且垂直照射；(2)吸光物質(zhì)為均勻非散射體系；(3)吸光質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)相互作用；(4)輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收過(guò)程，無(wú)熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生。21吸光度的加和性 以上是對(duì)吸收介質(zhì)中單一組分吸光度的討論。當(dāng)介質(zhì)中含有多種吸光組分時(shí)，只要各組分間不存在著相互作用，則在某一波長(zhǎng)下介質(zhì)的總吸光度是各組分在該波長(zhǎng)下吸光度的加和，即AA1+A2+An，這一規(guī)律稱(chēng)為吸光度的加和性，可應(yīng)用于多組分的同時(shí)測(cè)定中。本年度本領(lǐng)域主要研究成果:1.LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于光度法同時(shí)測(cè)定鄰苯二酚、間苯二酚和對(duì)苯二酚三組

12、分光譜學(xué)與光譜分析，2005，25(11)：124-1262主成分線性回歸分光光度法同時(shí)測(cè)定復(fù)方制劑中苯酚和間苯二酚中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)，2005，(10)：1156-115722思考題與習(xí)題P3011、2、3、423謝謝各位同學(xué)參與!24（二）吸收系數(shù)和桑德?tīng)栰`敏度 1.吸收系數(shù) (1) 吸收系數(shù)a 當(dāng)c的單位為g/L，b的單位為cm時(shí)，K用a表示，稱(chēng)為吸收系數(shù)，其單位為L(zhǎng)/gcm，這時(shí)朗伯-比耳定律變?yōu)椋?Aabc (2) 摩爾吸收系數(shù) 當(dāng)式中濃度c的單位為mol/L，液層厚度的單位為cm時(shí)，則用另一符號(hào)表示，稱(chēng)為摩爾吸收系數(shù)，它表示物質(zhì)的濃度為1mol/L，液層厚度為1cm時(shí)，溶液的吸光度。其單

13、位為L(zhǎng)/molcm。這時(shí)朗伯-比耳定律就變?yōu)? 26 A bc 在分光光度分析實(shí)踐中,我們不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液來(lái)測(cè)定摩爾吸光系數(shù)值，而是在適宜的低濃度時(shí)測(cè)定吸光度，然后通過(guò)計(jì)算求得值。2. 桑德?tīng)栰`敏度 吸光光度法的靈敏度除用摩爾吸收系數(shù)表示外，還常用桑德?tīng)栰`敏度S表示。 定義：當(dāng)光度儀器的檢測(cè)極限為A=0.001時(shí)，單位截面積光程內(nèi)所能檢出的吸光物質(zhì)的最低質(zhì)量（gcm-2）。27 即： S=M/k 可見(jiàn)，某物質(zhì)的摩爾吸光系數(shù)k越大，其桑德?tīng)栰`敏度S越小，即該測(cè)定方法的靈敏度越高。3.標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制及應(yīng)用 配制一系列已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在一定條件下進(jìn)行測(cè)定。然后以吸光度為

14、縱坐標(biāo)，以濃度為橫坐標(biāo)作圖，得到一條標(biāo)準(zhǔn)曲線，也稱(chēng)做工作曲線。曲線的斜率為kb，由此可得到摩爾吸收系數(shù)k；也可根據(jù)未知液的Ax,在標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出未知液的濃度cx。29二、引起偏離朗伯-比耳定律的原因(一)物理因素1.單色光不純所引起的偏離 嚴(yán)格地講，朗伯-比耳定律只對(duì)一定波長(zhǎng)的單色光才成立。但在實(shí)際工作中，目前用各種方法得到的入射光并非純的單色光，而是具有一定波長(zhǎng)范圍的單色光。那么，在這種情況下，吸光度與濃度并不完全成直線關(guān)系，因而導(dǎo)致了對(duì)朗伯比耳定律的偏離。2.非平行入射光引起的偏離 非平行入射光將導(dǎo)致光束的平均光程b大于吸收池的厚度b，實(shí)際測(cè)得的吸光度將大于理論值。303介質(zhì)不均勻性引起的

15、偏離 朗伯-比耳定律是建立在均勻、非散射基礎(chǔ)上的一般規(guī)律、如果介質(zhì)不均勻，呈膠體、乳濁、懸浮狀態(tài)存在，則入射光除了被吸收之外、還會(huì)有反射、散射作用。在這種情況下，物質(zhì)的吸光度比實(shí)際的吸光度大得多，必然要導(dǎo)致對(duì)朗伯-比耳定律的偏離。 31（二）化學(xué)因素1溶液濃度過(guò)高引起的偏離 朗伯-比耳定律是建立在吸光質(zhì)點(diǎn)之間沒(méi)有相互作用的前提下。但當(dāng)溶液濃度較高時(shí)，吸光物質(zhì)的分子或離子間的平均距離減小，從而改變物質(zhì)對(duì)光的吸收能力，即改變物質(zhì)的摩爾吸收系數(shù)。濃度增加，相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致在高濃度范圍內(nèi)摩爾吸收系數(shù)不恒定而使吸光度與濃度之間的線性關(guān)系被破壞。2. 化學(xué)變化所引起的偏離 溶液中吸光物質(zhì)常因解離、締合、

16、形成新的化合物或在光照射下發(fā)生互變異構(gòu)等，從而破壞了平衡濃度與分析濃度之間的正比關(guān)系，也就破壞了吸光度A與分析濃度之間的線性關(guān)系。產(chǎn)生對(duì)朗伯-比耳定律的偏離。32第三節(jié) 吸光光度法的儀器一、基本部件 一般由光源、單色器（分光系統(tǒng)）、吸收池、檢測(cè)系統(tǒng)和信號(hào)顯示系統(tǒng)等五部分組成。 （一）光源 常用的光源為6-12伏低壓鎢絲燈，電源由溫器供給，為了保持光源強(qiáng)度的穩(wěn)定，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)定果，電壓必須穩(wěn)定。 （二）單色器（分光系統(tǒng)） 單色器的作用從光源發(fā)出的復(fù)合光中分出所需要的單色光。 單色器通常由由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、聚焦鏡和出射縫組成。33（三）吸收池（比色皿） 比色皿是用透明無(wú)色的光學(xué)玻璃制

17、作的。大多數(shù)比色皿為長(zhǎng)方形，也有圓柱形的。一般厚度為0.5、1、2和3厘米。（四）檢測(cè)系統(tǒng)(又叫光電轉(zhuǎn)化器) 在光度計(jì)中，常用的是硒光電池。曬光電池和眼睛相似，對(duì)于各種不同波長(zhǎng)的光線，靈敏度是不同的。對(duì)于波長(zhǎng)為500-600nm的光線最靈敏。而對(duì)紫外線，紅外線則不能應(yīng)用。 光電管和光電倍增管用于較精密的分光光度計(jì)中。具有靈敏度高、光敏范圍廣及不易疲勞等特點(diǎn)。 34（五）信號(hào)顯示系統(tǒng) 早期使用的是檢流計(jì)、微安表、電位計(jì)、數(shù)字電壓表、自動(dòng)記錄儀等。 現(xiàn)代的分光光度計(jì)廣泛采用數(shù)字電壓表、函數(shù)記錄儀、示波器及數(shù)據(jù)處理臺(tái)等。 測(cè)量光電流的檢流計(jì)常用懸鏡式檢流計(jì)(也稱(chēng)作直流復(fù)射式檢流計(jì))，其靈敏度可達(dá)10

18、-9安培格。為了保護(hù)檢流計(jì)，使用中要防止震動(dòng)或大電流通過(guò)。檢流計(jì)標(biāo)尺上有兩種刻度，等刻度的是表示百分透光率(T)，對(duì)數(shù)刻度表示吸光度(A)。 根據(jù)透光率T，如果把入射光強(qiáng)度I當(dāng)作I光強(qiáng)單位，透過(guò)光強(qiáng)度當(dāng)作100光強(qiáng)單位中的一部分，這一數(shù)值為百分透光度，亦稱(chēng)為百分透光率。35 二、吸光度的測(cè)量原理 分光光度計(jì)實(shí)際上測(cè)得的是光電流或電壓，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將測(cè)得的電流或電壓轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的吸光度A。測(cè)定時(shí)，只要將待測(cè)物質(zhì)推入光路，即可直接讀出吸光度值。測(cè)定步驟： 1調(diào)節(jié)檢測(cè)器零點(diǎn)，即儀器的機(jī)械零點(diǎn)。 2應(yīng)用不含待測(cè)組分的參比溶液調(diào)節(jié)吸光零點(diǎn)。 3. 待測(cè)組分吸光度的測(cè)定。36三、分光光度計(jì)的類(lèi)型 可見(jiàn)分光光度計(jì)、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和紅外分光光度計(jì)。 (一)單光束分光光度計(jì) 721、722、751型。 751型分光光度計(jì)是一種波長(zhǎng)范圍較寬(200-1000nm)、精密度較高的分光光度計(jì)。由光源(鎢絲燈或氫燈)發(fā)出