第7章分光光度法分析
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7. 1概述
许多物质都是有颜色的，例如KMnO4水溶液呈紫红色，K2Cr2O7水溶液呈橙色，Ni(NO3)2水溶液呈绿色，Cu2+在水中呈蓝色等。有些物质本身无色或是浅色，但当它们与某些试剂发生反应后，也可以生成有色物质，例如Fe3+与CNS–生成血红色配合物；Fe2+与1.10-邻菲罗啉（1,10-邻二氮菲）生成橙红色配合物；Cu2+与NH3生成深蓝色配合物等。这些有色物质溶液颜色的深浅与溶液的浓度有关，溶液的浓度愈大，颜色就愈深。浓度愈小，颜色就愈浅。因此，在分析中利用比较溶液颜色的深浅来测定溶液中有色物质含量的方法称为比色分析法。以人眼来检测溶液颜色深浅的方法称为目视比色法；以光电转换器来检测溶液颜色深浅的方法称为光电比色法。利用分光光度计测定溶液对某一波长光的吸收程度来分析被测物质含量的方法称为分光光度法。分光光度法不仅能在可见光区（400～780nm）测定有色物质的含量，还能在紫外（200～400nm）和红外光区（3000～40000nm）测定物质的含量和结构。所以，分光光度法又分为可见分光光度法、紫外分光光度法、红外分光光度法。本章仅着重讨论可见分光光度分析。
125～6
6～3.1
3.1～1.7
1.7～0.5
0.5～0.02
2×10-2～4×10-4
4×10-4～4×10-7
4×10-7～4×10-10
核能级
内层电子能级
原子及分子
的价电子或
成键电子能级
分子振
动能级
分子转
动能级
核自旋能级
Χ射线光谱法
真空紫外光谱法
紫外分光度法
可见分光光度法
近红外光谱法
中红外光谱法
第7章分光光度法（约3万字编者：史建军）
[内容简介]分光光度法是目前应用最为广泛的一种分子吸收光谱法，主要用于试样中微量组分的定量测定。本章着重介绍分光光度法的基本原理、分光光度计的主要部件和几种常见仪器的使用操作方法、可见分光光度法测定分析技术、目视比色法的原理和方法、分光光度法的实际应用等。
[学习要求]通过对本章的学习，要重点掌握光吸收定律、影响显色反应的因素和测量条件的选择、仪器的基本构造及使用方法、掌握利用分光光度计对试样进行分析测定的技能。
（2）准确度较高分光光度分析一般相对误差为2﹪～5﹪，看起来它的准确度比重量分析法和容量分析法低得多，但对于微量组分的测定，已完全满足要求。在微量的情况下，重量分析法和容量分析法是无法进行准确测定。
（3）操作简便，分析速度快分光光度法所使用的仪器设备并不复杂，操作也比较简单。试验溶液进行分析时，一般只经历显色和吸光度测定两个步骤，就可以得出分析结果。在生产过程的例行分析中，一般几分钟，甚至数十秒就可报出结果。
E = hν= h· (7-2)
式中E为能量，单位是eV(电子伏特)；h为普朗克常数（6.627×10-34J·s）；ν为频率，单位是Hz；c为光速；λ为波长，单位是nm。
从式7-2可见，不同波长的光，能量不同，波长愈长，能量愈小，波长愈短，能量愈大。将电磁波（光）按波长或频率排列成图表，则该表称为电磁波谱。
表7-1电磁波谱
波谱名称
波长范围
频率/MHz
光子能量/eV
跃迁能级类型
分析方法
γ射线
Χ射线
远紫外线
近紫外线
可见光
近红外线
中红外线
远红外线
微波
无线电波
5×10-3～0.14nm
10-2～10nm
10～200nm
200～380nm
400～780nm
0.75～2.5μm
2.5～50μm
50～1000μm
0.1～100cm
远红外光谱法
微波光谱法
核磁共振光谱法
具有同一波长的光，称为单色光。纯单色光很难获得，激光的单色性虽然很好，但也只是接近于单色光。含有多种波长的光称为复合光，日光、白炽灯光等白光都是复合光。能被人肉眼感觉的光称为可见光，其波长范围是400～780nm。波长小于400nm的紫外光和波长大于780nm的红外光均不能被人的眼睛感觉，所以这些波长范围的光是看不到的。在可见光范围内，不同波段的光刺激人的眼睛后，会产生不同颜色的感觉。见表7-2。日光中的可见光（白光也是复合光）就是这些不同波段的色光混合而成的。
（4）使用成本低仪器设备价格便宜，分析时所用的试剂数量较少，因而使用费用较低。
（5）应用范围广几乎所有的无机物和许多有机物都可以直接或间接用此法进行分析测定。因此，在石油、化工、冶金、国防、刑侦、环保、食品、质检、科研等领域应用十分广泛。
随着科学技术的迅猛发展，计算机技术在分析仪器制造中的广泛应用，各种新型智能分析仪器将不断出现，例如可自动计算、储存、分析数据，打印、显示反应浓度、酸度、时间、速度、温度与吸光度的关系等功能。使人们获得更多、更准确、更全面的信息。
7.2光的吸收定律
7.2.1朗伯-比尔定律
7.2.1.1光的基本性质
光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。光既是一种波，它具有波长（λ）、频率（ν）和光速（c），它们的关系是
λ·ν=c（7-1）
式中λ的单位为nm(纳米)；ν的单位为Hz（赫兹）；c为3×1010cm·s-1（真空中）光也是一种粒子，它具有能量（E）。它们的关系是
1～1000m
6×1014～2×1012
3×1014～3×1010
3×1Baidu Nhomakorabea10～1.5×109
1.5×109～7.5×108
7.5×108～4.0×108
4.0×108～1.2×108
1.2×108～6.0×106
6.0×106～105
105～102
102～0.1
2.5×106～8.3×103
1.2×1061.2×102
把复合光分解成单色光的过程，叫光的色散。当一束白光通过棱镜后就会色散为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。实验证明，不仅七色光可以混合成白光，其中的两种色光按一定强度混合也可以成为白光。这两种白光称为互补色光。图7-1中处于直线关系的两种色光为互补色光，例如橙色光和青蓝色光、绿色光和紫色光、黄色光和蓝色光都是互补色光。
分光光度法具有以下特点：
（1）灵敏度高重量分析和容量分析一般只适应于常量组分（＞1％）的测定，不能测定微量组分（0.01％～1％）和痕量组分（＜0.01﹪），而分光光度法可测定浓度为10-5～10-6mol·L-1(达微克量级)的物质，相当于含量为0.001～0.0001﹪,甚至更低。如果将被测组分事先加以富集（采用萃取、共沉淀等方法），灵敏度还可以提高。非常适用于微量组分的测定。
许多物质都是有颜色的，例如KMnO4水溶液呈紫红色，K2Cr2O7水溶液呈橙色，Ni(NO3)2水溶液呈绿色，Cu2+在水中呈蓝色等。有些物质本身无色或是浅色，但当它们与某些试剂发生反应后，也可以生成有色物质，例如Fe3+与CNS–生成血红色配合物；Fe2+与1.10-邻菲罗啉（1,10-邻二氮菲）生成橙红色配合物；Cu2+与NH3生成深蓝色配合物等。这些有色物质溶液颜色的深浅与溶液的浓度有关，溶液的浓度愈大，颜色就愈深。浓度愈小，颜色就愈浅。因此，在分析中利用比较溶液颜色的深浅来测定溶液中有色物质含量的方法称为比色分析法。以人眼来检测溶液颜色深浅的方法称为目视比色法；以光电转换器来检测溶液颜色深浅的方法称为光电比色法。利用分光光度计测定溶液对某一波长光的吸收程度来分析被测物质含量的方法称为分光光度法。分光光度法不仅能在可见光区（400～780nm）测定有色物质的含量，还能在紫外（200～400nm）和红外光区（3000～40000nm）测定物质的含量和结构。所以，分光光度法又分为可见分光光度法、紫外分光光度法、红外分光光度法。本章仅着重讨论可见分光光度分析。
125～6
6～3.1
3.1～1.7
1.7～0.5
0.5～0.02
2×10-2～4×10-4
4×10-4～4×10-7
4×10-7～4×10-10
核能级
内层电子能级
原子及分子
的价电子或
成键电子能级
分子振
动能级
分子转
动能级
核自旋能级
Χ射线光谱法
真空紫外光谱法
紫外分光度法
可见分光光度法
近红外光谱法
中红外光谱法
第7章分光光度法（约3万字编者：史建军）
[内容简介]分光光度法是目前应用最为广泛的一种分子吸收光谱法，主要用于试样中微量组分的定量测定。本章着重介绍分光光度法的基本原理、分光光度计的主要部件和几种常见仪器的使用操作方法、可见分光光度法测定分析技术、目视比色法的原理和方法、分光光度法的实际应用等。
[学习要求]通过对本章的学习，要重点掌握光吸收定律、影响显色反应的因素和测量条件的选择、仪器的基本构造及使用方法、掌握利用分光光度计对试样进行分析测定的技能。
（2）准确度较高分光光度分析一般相对误差为2﹪～5﹪，看起来它的准确度比重量分析法和容量分析法低得多，但对于微量组分的测定，已完全满足要求。在微量的情况下，重量分析法和容量分析法是无法进行准确测定。
（3）操作简便，分析速度快分光光度法所使用的仪器设备并不复杂，操作也比较简单。试验溶液进行分析时，一般只经历显色和吸光度测定两个步骤，就可以得出分析结果。在生产过程的例行分析中，一般几分钟，甚至数十秒就可报出结果。
E = hν= h· (7-2)
式中E为能量，单位是eV(电子伏特)；h为普朗克常数（6.627×10-34J·s）；ν为频率，单位是Hz；c为光速；λ为波长，单位是nm。
从式7-2可见，不同波长的光，能量不同，波长愈长，能量愈小，波长愈短，能量愈大。将电磁波（光）按波长或频率排列成图表，则该表称为电磁波谱。
表7-1电磁波谱
波谱名称
波长范围
频率/MHz
光子能量/eV
跃迁能级类型
分析方法
γ射线
Χ射线
远紫外线
近紫外线
可见光
近红外线
中红外线
远红外线
微波
无线电波
5×10-3～0.14nm
10-2～10nm
10～200nm
200～380nm
400～780nm
0.75～2.5μm
2.5～50μm
50～1000μm
0.1～100cm
远红外光谱法
微波光谱法
核磁共振光谱法
具有同一波长的光，称为单色光。纯单色光很难获得，激光的单色性虽然很好，但也只是接近于单色光。含有多种波长的光称为复合光，日光、白炽灯光等白光都是复合光。能被人肉眼感觉的光称为可见光，其波长范围是400～780nm。波长小于400nm的紫外光和波长大于780nm的红外光均不能被人的眼睛感觉，所以这些波长范围的光是看不到的。在可见光范围内，不同波段的光刺激人的眼睛后，会产生不同颜色的感觉。见表7-2。日光中的可见光（白光也是复合光）就是这些不同波段的色光混合而成的。
（4）使用成本低仪器设备价格便宜，分析时所用的试剂数量较少，因而使用费用较低。
（5）应用范围广几乎所有的无机物和许多有机物都可以直接或间接用此法进行分析测定。因此，在石油、化工、冶金、国防、刑侦、环保、食品、质检、科研等领域应用十分广泛。
随着科学技术的迅猛发展，计算机技术在分析仪器制造中的广泛应用，各种新型智能分析仪器将不断出现，例如可自动计算、储存、分析数据，打印、显示反应浓度、酸度、时间、速度、温度与吸光度的关系等功能。使人们获得更多、更准确、更全面的信息。
7.2光的吸收定律
7.2.1朗伯-比尔定律
7.2.1.1光的基本性质
光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。光既是一种波，它具有波长（λ）、频率（ν）和光速（c），它们的关系是
λ·ν=c（7-1）
式中λ的单位为nm(纳米)；ν的单位为Hz（赫兹）；c为3×1010cm·s-1（真空中）光也是一种粒子，它具有能量（E）。它们的关系是
1～1000m
6×1014～2×1012
3×1014～3×1010
3×1Baidu Nhomakorabea10～1.5×109
1.5×109～7.5×108
7.5×108～4.0×108
4.0×108～1.2×108
1.2×108～6.0×106
6.0×106～105
105～102
102～0.1
2.5×106～8.3×103
1.2×1061.2×102
把复合光分解成单色光的过程，叫光的色散。当一束白光通过棱镜后就会色散为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。实验证明，不仅七色光可以混合成白光，其中的两种色光按一定强度混合也可以成为白光。这两种白光称为互补色光。图7-1中处于直线关系的两种色光为互补色光，例如橙色光和青蓝色光、绿色光和紫色光、黄色光和蓝色光都是互补色光。
分光光度法具有以下特点：
（1）灵敏度高重量分析和容量分析一般只适应于常量组分（＞1％）的测定，不能测定微量组分（0.01％～1％）和痕量组分（＜0.01﹪），而分光光度法可测定浓度为10-5～10-6mol·L-1(达微克量级)的物质，相当于含量为0.001～0.0001﹪,甚至更低。如果将被测组分事先加以富集（采用萃取、共沉淀等方法），灵敏度还可以提高。非常适用于微量组分的测定。