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第九节吸光光度法

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吸收分光度法
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第九章第九章 吸光光度法吸光光度法 分析化学教研室 吸光光度法(Absorption Photometry)是基于物质 对光的选择性吸收选择性吸收而建立起来的分析方法 1、定义 2、范畴 3、特点 比色法、紫外-可见吸光光度法和红外光谱法等 d) 应用范围广 c) 准确度较高 b) 仪器设备简单、操作简单、快速 a) 灵敏度高 可见吸光光度法(分光光度法、光度法)主要 测定对象为金属离子 第一节第一节 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 一、光的基本性质 1. 可见光是电磁波的一种,具有波粒二象性 2. 波长与能量成反比;与频率成正比关 系 3. 单色光:是指单一波长的光,通常意义的 单色光是指某一波长范围的光 4. 复合光:由不同单色光组成的光 波谱谱名称波长长范围围分析方法跃跃迁能级类级类 型 g射线0.005~ 0.17nm 中子活化分析等 核能级 X射线0.1~10nmX射线线光谱谱分析内层电子能级 远紫外10~200nm真空紫外光谱法 近紫外200~400nm紫外光谱谱法原子及分子价电 子或成键电子能 级 可可见见见见光光400~750nm 比色、可见见吸光 光谱谱法(光度法) 近红外0.75~2.5mm红外光谱法分子振动能级 中红外2.5~50mm红红外光谱谱法 远红外50~1000mm红外光谱法分子转动能级 微波1~1000mm微波光谱法 射频1~1000m核磁共振光谱谱法 电子、核自旋 电 磁 波 谱 绿 500~580 白光 紫 400~450 青蓝 480~490 橙 600~650 青 490~500 红 650~750 黄 580~600 蓝 450~480 光的互补色示意图 二、物质对光的选择性吸收 (一)物质对光产生选 择性吸收的原因 S2 分子能级示意图 Ee v3 v2 v1 r3 r2 r1 S1 S0 Ev Er (二)物质的颜色与 光吸收的关系 物质对可见光的 选择性吸收是不同的 物质具有不同颜色的 原因 1(1)转动能级间的能量差ΔEr:0.005~0.050eV,跃迁 产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱; 1(2)振动能级的能量差ΔEv约为:0.05~1eV,跃迁产 生的吸收光谱位于红外区,红外光谱或分子振动光谱; 1(3)电子能级的能量差ΔEe较大1~20eV。电子跃迁产生 的吸收光谱在紫外—可见光区,紫外—可见光谱或分子的电 子光谱 讨 论 1 (4)吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的 能量差所决定,反映了分子内部能级分布状况,是物质定性 的依据。 1 (5)吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关, 也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩 尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可 能相同,但εmax不一定相同; 1 (6)吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比, 定量分析的依据。 讨 论 (三)吸收曲线(吸收光谱) 1. 吸收光谱能准确地描述物质对光的选择性吸 收的情况 2. 最大吸收波长 3. 定性依据:不同物质因 分子结构不同而具有不 同的特征吸收曲线 4. 定量依据:同波长下吸 光度随浓度增大而增大 5. 一般情况下选择最大 吸收波长处测定 动画 © (1)同一种物质对不同波长光的吸光度不 同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 λmax © (2)不同浓度的同一种物质,其吸收曲 线形状相似λmax不变。而对于不同物质,它们 的吸收曲线形状和λmax则不同。 © (3)③吸收曲线可以提供物质的结构信息,并作为物质定性分析的依 据之一。 © (4)不同浓度的同一种物质,在某一定波长下吸光度 A 有差异, 在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 © (5)在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大,所以测定最灵敏。 吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。 吸收曲线讨论: 第二节第二节 光吸收的基本定律光吸收的基本定律 一、朗伯-比尔定律 布格(Bouguer)朗伯 (Lambert) (朗伯定律) 比尔(Beer)(比尔定律) 朗伯比尔定律 动画 (一)朗伯-比尔定律的推导 动画 朗伯比尔定律的物理意义:当一束平行光垂直通过 某一非散射的吸光物质时,其吸光度(A)与吸光 物质的浓度(c)及光程长度(b)成正比关系 朗伯比尔定律是光的吸收的基本定律,适用于 所有的电磁辐射和所有的吸光物质 朗伯比尔定律成立的前提: 1.入射光为平行单色光且垂直入射 吸光物质对光的吸收具有加和性 4. 辐射与吸光物质间的作用仅限于光的吸收过 程,无荧光和光化学现象发生 3. 吸光物质间无相互作用 2. 吸光物质为均匀非散射体系 (二)吸收系数和桑德尔灵敏度 1、吸收系数 (1)吸收系数 (2)摩尔吸收系数 常用于化合物组成不明,M 尚不清楚的情况 应用更为广泛 当吸光物质的浓度为1mol/L,吸收层厚度为1cm 时,吸光物质对某波长光的吸光度 摩尔吸光系数的大小与入射光的波长、吸光物 质的性质、溶剂、温度等因素有关,实际上还受溶 液的组成、仪器灵敏度的影响 摩尔吸光系数的物理意义 2、对于同一种物质,其它 条件一定时,摩尔吸光系数 取决于入射光的波长。 1、测试条件一定时, 摩尔吸光系数的大小 取决于物质的性质, 它是物质对某一波长光吸收 的能力的量度 丁二铜肟镍 酒石酸铁 2、桑德尔Sandell系数(S) 当光度仪器的检测极限为A=0.001时,单位 截面积光程内所能检测出的吸光物质的最低质量 ,其单位为mg·cm-2 对于比较灵敏的显色反应,桑德尔系数一般 为:0.01~0.001 mg·cm-2 例:10-1用邻二氮菲分光光度法测铁。已知溶液 种Fe2+的浓度为500 mg·L-1,液层厚度为2cm,在 508nm处测得的透射比为0.645。计算吸光系数、 摩尔吸光系数、桑德尔灵敏度(MFe=55.85g/mol) 负偏离 0 1.0 2.0 3.0 4.0 c(mmol/L) A 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 Ax cx (三)标准曲线的绘制及其应用 标准曲线 校准曲线 工作曲线 在实际操作中,应注意调整cx的大小,使其 对应的Ax处于标准曲线的范围之内 正偏离 二、引起朗伯比尔定律偏离的因素 (一)物理因素 1、非单色光引起的偏离 2、选择适当的入射波长:一般 为最大吸收波长处 1、在光度分析中,应采用性能 较好的单色器以获得波长范 围较窄的入射光 2、非平行入射光引起的偏离 3、介质不均匀引起的偏离 (二)化学因素 1、溶液浓度过高引起的偏离 导致光程长度增加,实际吸光度大于理论 吸光度,引起正偏离 介质不均匀(混浊或胶体)将产生散射现象, 使透射比较小,实测的吸光度偏高,产生正偏离 浓度过高,吸光质点间的平均距离减小,由于 相互作用而使吸光物质的电荷分布发生变化,从而 改变物质的吸光能力,即改变物质的摩尔吸光系数 2、化学反应引起的偏离 高浓度的电解质溶液对低浓度的吸光物质 有时也会产生类似影响,应尽量避免 要消除解离度不同引起的偏离,就必须控制解 离度不变,一般解决方法为:加入过量的显色剂并 保持溶液中游离显色剂的浓度恒定。 M c1c2c3c4 另外,控制溶液为强酸性,抑制平衡右移,也可以 使吸光度于浓度服从朗伯比尔定律 1、物质对光的选择性吸收 吸光光度法的特点;物质对光的选择性吸收产生 的原因;吸收曲线吸收曲线;定性、定量分析分析的依据 2、光吸收的基本定律 3、标准曲线标准曲线的绘制与应用 4、偏离朗伯比尔定律的原因 本节学习重点 1、物质对光的选择性吸收 吸光光度法的特点、物质对光的选择性吸收产生 的原因、吸收曲线、定量分析定性分析的依据 2、光吸收的基本定律 3、标准曲线的绘制与应用 4、偏离朗伯比尔定律的原因 复复 习习 与与 回回 顾顾 第三节第三节 吸光光度法的仪器吸光光度法的仪器 特点:设备简单、操作方便、灵敏度高,准确度差 1.目视比色法 观察方向 空白 c1c2c3c4 2. 光电比色法 光电比色计结构示意图 通过滤光片得一窄范围的光(20~ 50nm) 一、分光光度计的基本部件 (一)光源 分光光度计一般由光源、单色器(分光系 统)、吸收池、检测系统和信号显示系统五部分组成 光源应能提供足够发射强度、稳定且波长连续变 化的复合光,同时反射光的强度还应不随波长的变化 而明显改变 氙灯氢灯钨灯 钨灯:400~2500nm 氢灯:185~375nm 氙灯:200~800nm动画 (二)单色器(分光系统) 作用:从光源发出的复合光中分出所需要的单色光 组成:入射狭缝、准直镜、色散元件(棱镜或光栅 )、聚焦镜、出射狭缝 入射狭缝 准直透镜 棱镜聚焦透镜出射狭缝 白光 红 紫 λ1 λ2 800 600 500 400 棱镜:依据不同波长光通过棱镜时折射率不同。 玻璃360~3200nm, 石英200~4000 nm 光栅:利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分 光 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/mm ) 特点:波长范围宽, 色散均 匀,分辨性能好, 使用方便 光栅衍射示意图 出 射 狭 缝 光屏 透 镜 平面透 射光栅 1. 平面透射光栅 – 反射光栅(广泛使用) (三)吸收池 (四)检测系统 可见光区:光学玻璃池;紫外区:石英池 用于盛待测及参比溶液(0.5、1、2、3cm) 利用光电效应,将光能转换成电流讯号 硒光电池,光电管,光电倍增管 适用于300-800 nm, 在500- 600 nm范围最灵敏。较长时间 连续使用会产生“疲劳”现象 红敏管(阴极:银和氧化铯) 625-1000 nm 蓝敏管(阴极:锑铯) 200-625 nm 使用波长范围:160-700 nm 1个光子可产生106~107个 电子 (五)信号显示系统 早期的分光光度计:指针式系统 如:检流计(72型)、微安表(721型) 、 电位计(751型) 现代的分光光度计:数字电压表、函数记录 仪、示波器及数字处理台等 0102030405060708090100 00.10.20.30.40.5 0.6 0.7 0.8 1.0 1.5 ∞ 二、吸光度的检测原理 分光光度计实际上测得的是光电流或电压, 通过转换器将测得的电流或电压转换为对应的吸 光度A 1.调节检测器零点,即仪器的机械零点: A=∞ 2.应用不含待测组分的参比溶液调节吸光零 点:A=0 3.待测组分吸光度的测定:Ax 测定步骤: 三、分光光度计的类型 根据波长分:可见分光光度计、紫外-可见分光 光度计、红外分光光度计 根据结构分:单光束分光光度计、双光束分光光度计、 双波长分光光度计 优点:结构简单、价格低廉、适用于固定波长下的定 量分析 缺定:由于光源和检测系统的不稳定会产生误差;无 法进行吸收光谱的自动扫描;不适用于经常变更测量 波长的定性分析 单光束 单色器 吸收池 R S 光源 检测器 光源 单色器 S R 检测器 双光束 优点:参比和试液的测量几乎同时进行,补偿了因光 源和检测系统的不稳定而造成的影响;具有较高的测 量精密度和准确度;测量便捷;自动扫描吸收光谱 缺点:价格较昂贵 双波长 光源 单色器 单色器 吸收池 检测器 纤维光度计 第四节第四节 吸光光度法分析条件的选择吸光光度法分析条件的选择 一、显色反应及其条件的选择 (一)显色反应和显色剂 显色反应:在分光光度分析中,将试样中被测组 分转变成有色化合物的反应 显色剂:与被测组分反应使之生成有色物质的试剂 显色反应可分为:络合反应络合反应和氧化还原反应 1、显色反应 选择显色反应的一般标准选择显色反应的一般标准 1. 选择性要好:一种显色剂最好只与一种被测 组分起显色反应,这样干扰就少。或者干扰离 子容易被消除、或者显色剂与被测组分和干扰 离子生成的有色化合物的吸收峰相隔较远 2. 灵敏度要高:灵敏度高的显色反应对于微量组分 的测定尤为重要。但应注意:灵敏度高的显色反应 ,并不一定选择性就好;对于高含量的组分不一定 要选用灵敏度高的显色反应 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 在60nm以上 2、显色剂 缺点:多数无机显色剂与金属离子形成的络合物 的稳定性差、灵敏度和选择性都不高 (1)无机显色剂 硫氰酸盐(测铁、钼、钨、铌) 钼酸铵(测硅、磷、钒) 氨水(测铜、钴、镍) 过氧化氢(测钛、钒、铌) 5. 显色反应的条件要易于控制 4. 有色化合物的组成要恒定,化学性质要稳定 优点:有机显色剂与金属离子形成稳定的、具 有特征颜色的鳌合物,灵敏度和选择性都较高 (2)有机显色剂 提高灵敏度的方法:增大有机显色分子的共轭体 系和在显色分子中引入取代基 生色团 助色团 常用的有机显色剂:邻二氮菲、双硫腙、二甲酚 橙、偶氮胂III、铬天青S等 (二)显色反应条件的选择 1、显色剂的用量 2、溶液的酸度 (1)对被测物质存在状态的影响 (2)对显色剂浓度和颜色的影响 (3)对络合物组成和颜色的影响 (吡啶偶氮+氨基甲苯) 25℃ 100℃ t /min A 3、时间和温度 100℃ 硅钼酸法测硅 时间包括显色时间显色时间和稳定时间稳定时间,温度对 二者均产生影响 4、有机溶剂和表面活性剂 表面活性剂表面活性剂的加入可以提高显色反应的灵敏度 ,增加有色化合物的稳定性。其作用原理一方面是 胶束增溶,另一方面是可形成含有表面活性剂的多 元络合物。 有机溶剂有机溶剂可以降低有色络合物的解离度, 从而提高显色反应的灵敏度;此外,有机溶剂还可 以影响反应速率,络合物的颜色、溶解度及组成等 合适的有机溶解和表面活性剂及其用量均通过 实验来确定 5、共存离子的干扰及消除 Ø显色条件下,共存离子发生水解、析出沉淀 ,导致溶液混浊无法测定 Ø 共存离子本身有颜色或与显 色剂反应生成有色化合物,并 在测量条件下有吸收,导致结 果偏高 Ø KNRKMR, MR NR R 1. 控制溶液的酸度 2. 加入掩蔽剂 3. 将二元络合体系改为三元络合体系;选择适当 的波长和参比溶液来消除干扰;干扰组分分离 掩蔽剂的颜色(R)以及它与干扰离子反应产物 的颜色(NR)不应干扰被测组分(MR)的测定 二、吸光光度法的测量误差及测量条件的选择 (一)仪器测量误差 10 8 6 4 2 0 20406080 0.70.40.20.1A T/% |Er| % (36.8)(36.8) 0.4340.434 仪器度数范围: 仪器最小误差: (二)测量条件的选择 1、测量波长的选择 原则:吸收最大、干扰最小 钍-偶氮砷III 络合物试剂 钴-亚硝基红盐 试 剂 络合物 b、如果溶液已显色,则可通过改变比色皿的 厚度来调节吸光度大小(光程长度(光程长度b b)) 2、吸光度范围的控制 A:0.15~0.80;T:15%~70% a、计算而且控制试样的称出量,含量高时,少取 样,或稀释试液;含量低时,可多取样,或萃 取富集(浓度(浓度c c)) c、选择适当的参比溶液(示差分光光度法)(示差分光光度法) 3、参比溶液的选择 参比溶液用来调节工作零点,以消除由于 吸收池和溶液中某些共存物质对光的吸收、反 射或散射所造成的误差 R R MR R MR 0.22 0.48 0.00 0.22+0.48=0.70 RMR 测定条件下干扰物质 参比溶液组成 1 无蒸馏水 2 R或其它试剂R或其他试剂 3 R和其它试剂;NR试样+ML+R+其它试剂 参比溶液组成:参比溶液组成:在测量条件下对吸光度有影响的物 质(除了被测组分MR外) Ø KIO3氧化法显色法测 Mn2+ (Co2+粉红) 1、做标准曲线时: 蒸馏水参比 2、测样时:试液参比(不加显色剂) Ø 铬天氰S测Al3+(Ni2+,Cr3+) 试样+(AlF63-)+铬天氰S+其它试剂 2、吸光光度法分析条件的选择 a、显色反应条件的选择:显色剂的用量、酸度、 显色时间和温度、溶剂和表面活性剂 b b、、测量条件的选择:测量条件的选择:测量波长、吸光范围的控制测量波长、吸光范围的控制 、参比溶液的选择、参比溶液的选择 1、吸光光度法的仪器基本构造、各部分的作用 及测量原理 点点学学习习本本重重节节 复 习 与 回 顾 2、吸光光度法分析条件的选择 a、显色反应条件的选择:显色剂的用量、酸 度、显色时间和温度、溶剂和表面活性剂 b b、测量条件的选择:、测量条件的选择:测量波长、吸光范围的控测量波长、吸光范围的控 制、参比溶液的选择制、参比溶液的选择 1、吸光光度法的仪器基本构造、各部分的作 用及测量原理 第五节第五节 吸光光度法的应用吸光光度法的应用 一、定量分析 (一)单组分的测定 1、一般方法 吸光光度法可应用于定性分析、定量分析定量分析 和物质的某些物理化学常数的测量。 0 1.0 2.0 3.0 4.0 c(mmol/L) A 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 Ax cx M c1c2c3c4 cx 2、示差分光光度法 1.00 1.30 0.00 0.30 普通法: cs的T=10%;cx的T=5% 示差法: cs 做参比,调T=100% 则: cx的T=50% ;标尺扩展10倍 差示法标尺扩展原理: (二)多组分的测定 Y X Y X 二、络合物组成和酸碱解离常数的测定 (一)络合物的组成的测定 1、摩尔比法 适用于解离度小、 络合比较高的络合 物组成的测定 思考:络合物的 形成常数(或解离 常数)如何求解? 2、等摩尔连续变化法(等摩尔系列法) (二)酸碱解离常数的测定 配制浓度相同,pH不同一系列溶液 pH3.004.005.006.007.008.009.00 A0.180.180.250.580.780.780.78 三、双波长分光光度法 光源 单色器 单色器 吸收池检测器 (一)基本原理 等吸收点法:选择测量波长与参比波长 (二)波长组合的选择 1、干扰组分在所选的两 波长处具有相同的吸光度 2、被测组分在此二波长 处具有较大的吸光度差。 若是浑浊溶液,参比 波长应选择何处? 苯酚 三氯苯酚 双波长法的特点:双波长法的特点: § 双波长法可以消除浑浊溶液背景和吸收光谱重 叠的干扰 1. 双波长分光光度法中只有参比波长,无参比 溶液 2. 双波长光高频率交替通过试液,可以减少因光源 、检测器等的不稳定性而引入的误差,提高准确度 3. 可以避免单波长法中因被测试液和参比溶液在组 成、均匀性上的差异以及两个吸收池的差异而引 入的误差 吸光光度法的应用 1. 单组分测定、多组分测定 2. 络合物的组成的测定 3. 酸碱解离常数的测定 点点学学习习本本重重节节 P.301 ,15,17, P.302,18 ,19, 21,24,25 P.303,28,29. 作业与思考
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