紫外可见分光光度分析法

第9章紫外-可见分光光度分析法9.1 紫外-可见分光光度分析法原理紫外-可见分光光度法是利用物质的分子对200～800nm光的吸收特性进行分析测定的方法。

紫外-可见分光光度分析法的应用非常广泛，因为它具有以下特点。

①灵敏度高，测定下限可达10-8.②选择性好，可在多种组分共存的溶液中，不经分离而测定某种欲测定的组分。

③通用性强，用途广泛。

大部分无机元素都可用分光光度分析法测定，许多有机化合物的官能团，以及某些平衡常数、配位数等，也可用分光光度分析法测定。

④设备和操作简单，分析速度快。

⑤准确度较好，通常相对误差为2﹪～5﹪，适用于微量组分的测定。

9.1.1 物质对光的吸收⑴光的颜色与波长光是一种电磁辐射，在同一介质中直线传播，而且具有恒定的速度。

光具有一定的波长和频率，人们眼睛能感觉到的光是可见光，它只是电磁辐射中的一小部分。

各种颜色光的近似波长范围列于表9-1.⑵光的色散与互补当一束白光通过光学棱镜时，即可得到不同颜色的谱带也叫光谱，这种现象叫光的色散。

白光经色散后成为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七色光，说明白光是由这7种颜色的光按一定比例混合而成的，所以叫复合光。

将白光中不同颜色的光彼此分开，即可得到不同波长的单色光。

如果只把白光中某一颜色的光分离出去，剩余的各种波长的光将不再是白光，而是呈现一定的颜色，这两种颜色称为“互补色”。

例如在白光中分成蓝光，剩余的混合光呈黄色，因此黄色是蓝色的互补色，蓝色也是黄色的互补色。

换句话说，若两种适当颜色的光，按一定的强度比例混合后能得到白光，这两种颜色的光称为互补色光。

这种色光的互补关系见表9-1。

表9-1 可见光中各种吸收光颜色、波长与物质颜色之间的关系⑶物质的颜色物质呈现的颜色与光有密切的关系。

物质所以呈现不同的颜色，是由于物质对不同波长的光具有不同程度的透射或反射。

当白光照射到不透明的物质时，某些波长的光被吸收，其余波长的光被反射，人们看到的是物质所反射的光的颜色。

由于色光的互补，所以物质呈现出所吸收光的互补色。

例如某物质吸收黄色光，则呈现蓝色；若吸收绿色光则呈现紫色；若吸收所有波长的光则呈现黑色，若全部反射所有波长的光则呈现白色。

对于那些透明物质，除了某些波长被吸收外，其余波长的光都透过介质，同样由于色光的互补，也呈现出与吸收波长互补的颜色。

例如，高锰酸钾稀溶液呈紫红色，是由于它吸收500～550nm的绿光，所以呈现出绿光的互补光紫红色。

⑷物质对光的吸收曲线物质对光的选择吸收特性可以用吸收曲线来描绘。

让不同波光的光通过一定浓度的溶液，分别测出各个波光的吸光度。

以波长λ（nm）为横坐标，吸光度A为纵坐标绘图，即可得到一条吸收曲线。

曲线上有吸收峰，吸收峰最高处对应的波长称最大吸收波长，用λmax表示。

对于可见分光光度计而言，测定的是有色溶液。

图9-1是KMnO4溶液的吸收曲线，该曲线最大吸收波长对应的颜色就是物质吸收光的颜色。

KMnO4溶液的最大吸收波长在525nm，正是绿光的波长，因此KMnO4溶液吸收绿光，透过紫光，呈现紫红色。

比较不同浓度KMnO4溶液的吸收曲线就会发现，它们的形状相似；最大吸收波长的位置不变，只是吸收峰的高度随浓度增大而增大。

对于紫外分光光度计而言，测定的是在紫外光区有吸收的物质，主要是含有共价键的不饱和集团，如C=C、共轭双键、芳环、C≡C、N=N、C=S、NO2、NO3、COOH、CONH2、C=O等。

图9-2为苯的紫外吸收曲线。

⑸吸收曲线与物质结构比较不同物质的吸收曲线，就会发现这些曲线的形状、吸收峰的位置和强度都不相同，这是由物质的分子结构决定的。

分子外层的价电子处于不同的能级状态，价电子在不同能级间跃迁时需要能量，这能量正好相当于可见和近紫外光辐射所具有的能量。

分子结构不同，价电子跃迁时吸收的能量也不同，因此吸收曲线中最大吸收波长的位置不同。

如饱和的醛酮等羰基化合物，在270～300nm有一个特征吸收峰，苯类及其衍生物在230～270nm有一个特征吸收带，其中心在254nm。

由此可见，吸收峰的位置和形状对各种物质来讲是特征的，可作为定性鉴定的依据；而吸收峰的强度大小又与物质的浓度有关，浓度越大吸收峰越强，因此可作为定量分析的依据。

9.1.2 光吸收定律⑴光吸收定律当一束平行的单色光通过一均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收池表面反射回来，一部分被溶液吸收，一部分透过溶液（图9-3），如果入射光强度为I0，吸收光强度为I a，透射光强度为I t，反射光强度为I r，它们之间的关系为：I0＝I a＋I t＋I r在分光光度分析法中，都是采用同样材质的吸收池，反射光强度基本不变，其影响可以相互抵消，于是上式可简化为：I 0＝I a ＋I t透射光强度I t 与入射光强度I 0之比称为透过率（也称透射比），用T 表示：T ＝ot I I 通常用百分数表示透光率，即;T /＝o t I I ×100﹪ (9-1) 溶液的透过率越大，说明溶液对光的吸收越小；相反透光率越小，则溶液对光的吸收越大。

溶液对光的吸收程度，与溶液浓度、溶液厚度以及入射光波长等因素有关。

如果保持入射光波长不变，溶液对光的吸收程度则与溶液浓度和液层厚度有关。

光吸收定律具体表达了它们之间的关系，其数学表达式如下： 1g tI I 0=Kcb (9-2) 式中 K ——比例常数的数值；C ——溶液浓度的数值；b ——液层厚度的数值。

1g to I I ——透光率的负对数，表示溶液对光的吸收程度，称为吸光度。

如果用A 表示吸光度，则： A=-1gT=1g tI I 0 (9-3) 于是公式（9-2）可简化为：A=Kcb (9-4)一束平行的单色光通过一均匀溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和透过液层厚度的乘积成正比，这就是郎伯-比尔定律。

⑵摩尔吸收系数 在光吸收定律的表达式中，比例常数K 称为吸收系数，它与多种因素有关，包括入射光波长、溶液温度、溶剂性质及吸收物质的性质等。

如果上述因素中除吸收物质外，其他因素都固定不变，则K 值只与吸收物质的性质有关，可作为该物质吸光能力大小的表征。

实际上温度的影响不大，可以忽略，入射光波长也是固定的，多用吸光物质的最大吸收波长，因此当溶液浓度和透光液层厚度都为1时，溶液的吸光度A 即为K 值。

由于使用的单位不同，K 有不同的表示方法。

当溶液浓度以mol ·L -1为单位，透光液层厚度以cm 为单位，K 称为“摩尔吸收系数”，用ε表示。

这时光吸收定律应表示为：A=εcb (9-5)式中 ε——摩尔吸收系数的数值,L ·mol -1·cm -1；c ——溶液浓度的数值，mol ·L -1；b——液层厚度的数值，cm。

摩尔吸收系数ε的物理意义是：溶液浓度为1mol·L-1，透光液层厚度为1cm时该物质的吸光度，其单位是L·mol-1·cm-1。

对于同一种化合物，在不同的波长下有不同的摩尔吸收系数，在最大吸收波长处，摩尔吸收系数最大，说明对该波长的光吸收能力最强。

在最大吸收波长处进行分光光度测定，灵敏度也最高。

⑶光吸收定律的适用范围根据光吸收定律，溶液的吸光度A 应当与溶液浓度呈线性关系，但在实践中常发现有偏离吸收定律的情况，从而引起误差。

这是由于光吸收定律有一定的适用范围，超出了适用范围，就会引起误差。

①光吸收定律只适用于单光色，但各种分光光度计提供的入射光都是具有一定宽带的光谱带，这就使溶液对光的吸收行为偏离了吸收定律，产生误差。

因此要求分光光度计提供的单色光纯度越高越好，光谱带的宽带越窄越好。

②光吸收定律只适用于稀溶液，当溶液浓度较高时，就会偏离光吸收定律。

遇到这种情况时，应设法降低溶液浓度，使其回复到线性范围内工作。

通常只有在溶液浓度小于0.01mol·L-1的稀溶液中朗伯-比尔定律才能成立。

③光吸收定律只适用于透明溶液，不适用于乳浊液和悬浊液。

乳浊液和悬浊液中悬浮的颗粒对光有散射作用，光吸收定律只讨论溶液对光的吸收和透射，不包括散射光，因此这样的溶液不符合光吸收定律。

④光吸收定律也适用于那些彼此不相互作用的多组分溶液，它们的吸光度具有加和性，即：A(总)=A1+A2+…+A n=K1c1b+K2c2b+…+K n c n b (9-6) 式中字母的下脚标代表各个组分。

这种吸光度的加和性，在测定多组分共存的溶液时，要充分考虑到共存组分的影响。

⑤有色化合物在溶液中受酸度、温度、溶剂等的影响，可能发生水解、沉淀、缔合等化学反应，从而影响有色化合物对光的吸收，因此在测定过程中要严格控制显色反应条件，以减少测定误差。

9.2紫外-可见分光光度计结构9.2.1 基本结构紫外-可见分光光度计基本结构都是由光源、单色器、吸收池、检测器和信号显示及数据处理等5个部分组成。

⑴光源光源的作用是提供符合要求的入射光。

光源必须有足够的输出功率和稳定性。

对于可见分光光度计，用的光源是钨丝白炽灯。

它的波长范围是320～2500nm，足够作可见光的光源。

白炽灯的发光强度和稳定性与供电电压有密切关系。

只要增加供电电压，就能增大发光强度；只要保证电源的电压稳定，就能提供稳定的发光强度。

钨丝白炽灯的缺点是寿命短。

对于紫外-可见分光光度计，除了由钨丝白炽灯提供可见光外，还用氢灯或氘灯提供紫外部分的光源，波长范围是200～350nm。

它们是氢气的辉光放电灯，氘灯的发光强度比氢灯要高2～3倍，寿命也比较长。

为保证发光强度稳定，也要用稳压电源供电。

目视比色法中，以太阳光为光源。

⑵单色器单色器的作用是把光源发出的连续光谱分解成各种波长的单色光，并能准确方便地取出所需要的波长。

单色器是由色散元件、狭缝和透镜系统组成的。

能把复合光变成各种波长单色光的器件称为色散元件。

狭缝和透镜系统的作用是条件光的强度，控制光的方向并取出所需波长的单色光。

经典的单色器是用棱镜作色散元件，它是根据光的折射现象进行分光的。

工作原理如图9-4所示。

光源发出的光经透镜聚焦在入射狭缝上，进入单色器后由棱镜分光，再由平面反射镜反射至出射狭缝。

棱镜由玻璃或石英制成，玻璃棱镜只适用于可见光范围，紫外区必须用石英棱镜。

棱镜的材料对不同波长的光具有不同的折射率，波长短的光折射率大，波长长的光折射率小。

因此，平行光经色散后就按波长顺序分解为不同波长的光。

调整棱镜和平面反射镜的位置，让所需波长的光通过狭缝。

狭缝的宽度也是可调的，通过它可调节光的强度和谱带宽度。

棱镜单色器的分光能力较差，加上手工调节，波长的重复性也比较差。

目前的单色器用光栅作色散元件。

光栅是在玻璃表面刻上等宽带间隔的平行条痕，每毫米的刻痕多达上千条。

一束平行光照射到光栅上，由于光栅的衍射作用，反射出来的光就按波长顺序分开了。