分析化学课程建设第十章吸光光度法教案

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,分析化学课程建设第十章吸光光度法教案,分析化学课程建设第十章 吸光光度法 教案,Analytical Chemistry,分析化学 CAI,开小明,教授,2,主要参考书,北京大学：定量分析简明教程（第二版）,武汉大学：分析化学（第二、三、四版）,李龙泉，林长山，朱玉瑞，吕敬慈，江万权,定量分析化学,R. Kellner et al., (FECS),Analytical Chemistry （中译本：分析化学，北京大学出版社，2001）,J. A. Dean: （世界图书出版社）,Analytical Chemistry Handbook (中译本：分析化学手册）,D. Harvey: (McGraw Hill ),Modern Analytical Chemistry,3,经典定量分析法回顾,1.前面我们学习了什么?,4种容量分析和重量分析,2.要点：定量分析需要满足一定的条件，不是写了一个方程式，就可以做定量分析，容量分析和重量分析都有丰富的内容，如重量分析晶核的形成、晶核成长为晶体的过程，要想得到纯净的沉淀需要控制实验条件，减少共沉淀。,3.掌握好这些基础知识无论是从事中学教学，还是进一步从事科学研究工作都是非常重要的，在今后的事业中可少走弯路。,4.注意问题：上述是经典分析，理论成熟，完善，再发展不容易，特别是年轻人难以有所作为,。,4,第十章 吸光光度法,吸光光度法（Absorption photometry）是一种基于物质对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法。包括可见吸光光度法、紫外-可见吸光光度法和红外光谱法等，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，有以下一些特点：,(一)灵敏度高 吸光光度法测定物质的浓度下限(最低浓度)一般可达1-10,-3,%的微量组分。如果对被测组分事先加以富集，灵敏度还可以提高1-2个数量级。,5,(二)准确度较高 一般吸光光度法的相对误差为1-5%，其准确度虽不如滴定分析法及重量法，但对微量成分来说，还是比较满意的，因为在这种情况下，滴定分析法和重量法也不够准确了，甚至无法进行测定。,(三)操作简便，测定速度快(批量样品测定),(四)应用广泛 几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用吸光光度法进行测定。,基于上述特点，吸光光度法被称作现代分析化学的“常规武器”。,6,一、光的基本性质,光是一种电磁波，具有波粒二象性。 其波长 、频率,与速度,c,之间的关系为：,E,=,=,c,/,为普朗克常数，其值为6.63,10,-34,Js。普朗克方程表示了光的波动性和粒子性之间的关系。,显然，不同波长的光具有不同的能量，波长愈短，能量愈高；波长愈长，能量愈低。,通常意义的单色光是指其波长处于某一范围的光，而复合光则由不同单色光组成，如阳光和白炽灯泡发出的光均为复合光。,第一节 物质对光的选择性吸收,7,电磁辐射,(,电磁波,),按其波长可分为不同区域：,g,射线,5140pm,X,射线,10,-3,10nm,光学区,10 nm1000,m,m,其中：远紫外区,10200nm,近紫外区,200380 nm,可见区,380780 nm,近红外区,0.782.5,m,m,中红外区,2.550,m,m,远红外区,501000,m,m,微波,0.1mm1m,无线电波,1m,8,电磁波谱的波长范围很宽，其中范围较窄的一段可见光谱区在分析化学中获得了最为广泛的应用，本章以此讨论的对象。所谓可见光是指人的眼睛所能感觉到的波长范围为400 750nm的电磁波。当一束阳光(即白光)通过棱镜后就色散成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光，它们具有不同的波长范围，,如图101所示,。反之，这些不同颜色的光依照强度按一定的比例混合后，便又形成白光。进一步的研究表明，只需将两种适当颜色的光依强度按一定的比例混合就可形成白光，它们称为互补色光，图101中处于直线关系的两种光即为互补色光。(,三基色是红、绿、蓝,)阳光、白炽灯光等白光便是由一对对互补色光依强度按一定比例混合而成的。,Goto ,9,光的互补色示意图,return,10,(一) 物质对光产生选择性吸收和原因,物质的分子内部具有一系列不连续的特征能级，包括电子能级、振动能级和转动能级，,CHP - Molecular Energy Levels.htm,这些能级都是量子化的，这些能级又可分为基态和能量较高的若干个激发态。,双原子分子的三种能级跃迁示意图.jpg,在一般情况下，物质的分子都处于能量最低、最稳定的状态基态。当用光照射某物质后，如果光具有的能量恰与物质分子的某一能级差相等时，这一波长的光即可被分子吸收，从而使其产生能级跃迁而进入较高的能态激发态。也就是说，并不是任一波长的光都可以被某一物质所吸收。由于不同物质的分子其组成和结构不同，它们所具有的特征能级也不同，故能级差不同，而各物质只能吸收与它们分子内部能级差相当的光辐射，所以不同物质对不同波长光的吸收具有选择性。,二、物质对光的选择性吸收,11,（二） 物质的颜色与吸收光的关系,从光本身来说，有些波长的光线，作用于眼睛引起了颜色的感觉，我们把人眼所能看见有颜色的光叫做可见光，其波长范围大约在400-750 nm之间。实验证明：白光(日光、白炽电灯光、日光灯光等)是由各种不同颜色的光按一定的强度比例混合而成的。如果让一束白光通过三棱镜，就分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,七种颜色的光,，这种现象称为光的色散。每种颜色的光具有一定的波长范围。我们把白光叫做复合光；把只具有一种颜色的光，叫做单色光。分析化学上所指的单色光是波长范围很窄的光。,Goto 12,12,物质颜色与吸收光颜色的关系,return,13,光的互补色现象在日常生活中常遇到。如黄绿光和紫光互补，红光和蓝绿光互补，等等。(提示:日常生活中光吸收互补性，如：植物叶、花，塑料薄膜),对固体物质来说，当白光照射到物质上时，物质对于不同波长的光吸收、透过、反射、折射的程度不同而使物质呈现出不同的颜色。如果物质对各种波长的光完全吸收，则呈现黑色；如果完全反射，则呈现白色；如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现灰色；如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。,14,对溶液来说，溶液呈现不同的颜色，是由于溶液中的质点(分子或离子)选择性的吸收某种颜色的光所引起的。如果各种颜色的光透过程度相同，这种物质就是无色透明的。如果只让一部分波长的光透过，其它波长的光被吸收，则溶液就呈现出透过光的颜色，也就是溶液呈现的是与它吸收的光成互补色的颜色。例如硫酸铜溶液因吸收了白光中的黄色光而呈蓝色；高锰酸钾溶液因吸收了白光中的绿色光而呈现紫色。其实，任何一种溶液对不同波长的光的吸收程度是不相等的。如果将某种波长的单色光依次通过一定浓度的某一溶液，测量该溶液对各种单色光的吸收程度，以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标可以得到一条曲线，叫做吸收光谱曲线或光吸收曲线。它清楚地描述了溶液对不同波长的光的吸收情况。,15,以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，即可得到一条吸光度随波长变化的曲线，称之为吸收曲线或吸收光谱。,图102,是四个不同浓度的KMnO,4,溶液的光吸收曲线。从图102可以看出，在可见光范围内，KMnO,4,溶液对波长525nm附近的绿色光有最大吸收，而对紫色和红色光则吸收很少。光吸收程度最大处的波长，称为最大吸收波长，常用,l,最大,或,l,max,表示，任何可见光区内、溶液的颜色主要是由这个数值决定的。在正常情况下，选用不同浓度的某种溶液，最大吸收波长也是固定不变的，说明光的吸收与溶液中物质的结构有关。,Goto 17,16,Absorption spectrum,图10-2 KMnO,4,溶液的吸收曲线,(,c,KMnO,4,: abcd),return,17,一、朗伯-比耳定律,（一）朗伯-比耳定律的推导,朗伯(Lambert)和比耳(beer)分别于1760年和1852年研究了光的吸收与有色溶液吸收层的厚度及溶液浓度的定量关系，奠定了分光光度分析法的理论基础。当一束平行单色光垂直照射到任何均匀、非散射的介质（固体、液体或气体）；例如溶液，光的一部分被介质吸收，一部分透过溶液、一部分被器皿的表面反射。如果入射光的强度为,I,0,，吸收光的强度为,I,a,，透过光的强度为,I,t,反射光的强度为,I,r,则它们之间的关系为,I,0,I,r,+,I,a,+,I,t,18,在分光光度测定中，装溶液的比色皿都是采用相同质的光学玻璃制成的，反射光的强度基本上是不变的(一般约为入射光强度的4)其影响可以互相抵消，于是可以简化为,I,0,I,t,+,I,a,纯水对于可见光的吸收极微，故有色液对光的吸收完全是由溶液中的有色质点造成的。,当入射光的强度,I,0,一定时，如果,I,a,越大，,I,t,就越小，即透过光的强度越小，表明有色溶液对光的吸收程度就越大。,实践证明，有色溶液对光的吸收程度，与该溶液的浓度、液层的厚度以及入射光的强度等因素有关。如果保持入射光的强度不变，则光吸收程度与溶液的浓度和液层的厚度有关。,19,3.朗伯-比耳定律,如果同时考虑溶液的浓度和液层的厚度都变化，都影响物质对光的吸收，则上述两个定律可合并为朗伯-比耳定律，即得到：,CHP - Beer-Lambert Law.htm,1.朗伯定律,2.比耳定律,20,A,=,Kbc,此式为光吸收定律的数学表达式。,式中,A,称为吸光度，,K,是比例常数，与入射光的波长、物质的性质和溶液的温度等因素有关。,I,/,I,0,称为透光率，用,T,表示。它与,A,的关系为：,21,朗伯比尔定律的物理意义和适用范围,当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度,A,与吸光物质的浓度,c,及吸收层厚度,b,成正比。这正是吸光光度法进行定量分析的理论依据。,朗伯比尔定律是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射与所有的吸光物质(可以是气体、固体、液体、原子、分子和离子)间的作用。但由推导过程中所确定的假设可知，朗伯比尔定律的成立是有前提的，即(1)入射光为平行单色光且垂直照射；(2)吸光物质为均匀非散射体系；(3)吸光质点之间无相互作用；(4)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。,22,吸光度的加和性,以上是对吸收介质中单一组分吸光度的讨论。当介质中含有多种吸光组分时，只要各组分间不存在着相互作用，则在某一波长下介质的总吸光度是各组分在该波长下吸光度的加和，即,A,A,1,+,A,2,+,+,A,n,，这一规律称为吸光度的加和性，可应用于多组分的同时测定中。,本年度本领域主要研究成果:,1.LM-BP,神经网络应用于光度法同时测定邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚三组分光谱学与光谱分析，,2005,，,25(11),：,124-126,2,主成分线性回归分光光度法同时测定复方制剂中苯酚和间苯二酚中国卫生检验，,2005,，,(10),：,1156-1157,23,思考题与习题,P301,1、2、3、4,24,谢谢各位同学参与!,25,谢谢大家的支持!,Return 8,26,（二）吸收系数和桑德尔灵敏度,1.吸收系数,(1) 吸收系数,a,当,c,的单位为g/L，,b,的单位为cm时，,K,用,a,表示，称为吸收系数，其单位为L/gcm，这时朗伯-比耳定律变为：,A,abc,(2) 摩尔吸收系数,当式中浓度,c,的单位为mol/L，液层厚度的单位为cm时，则用另一符号,表示，称为摩尔吸收系数，它表示物质的浓度为1mol/L，液层厚度为1cm时，溶液的吸光度。其单位为L/molcm。这时朗伯-比耳定律就变为:,27,A,bc,在分光光度分析实践中,我们不能直接取1mol/L这样高浓度的有色溶液来测定摩尔吸光系数值，而是在适宜的低浓度时测定吸光度，然后通过计算求得,值。,2.,桑德尔灵敏度,吸光光度法的灵敏度除用摩尔吸收系数,表示外，还常用桑德尔灵敏度,S,表示。,定义：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出的吸光物质的最低质量（gcm,-2,）。,28,由桑德尔灵敏度,S,的定义可得到：,A,=0.001=,bc,29,即：,S,=,M,/,k,可见，某物质的摩尔吸光系数,k,越大，其桑德尔灵敏度,S,越小，即该测定方法的灵敏度越高。,3.标准曲线的绘制及应用,配制一系列已知浓度的标准溶液，在一定条件下进行测定。然后以吸光度为纵坐标，以浓度为横坐标作图，得到一条标准曲线，也称做工作曲线。曲线的斜率为,k,b,，由此可得到摩尔吸收系数,k,；也可根据未知液的,A,x,在标准曲线上查出未知液的浓度,c,x,。,30,二、引起偏离朗伯-比耳定律的原因,(一)物理因素,1.单色光不纯所引起的偏离,严格地讲，朗伯-比耳定律只对一定波长的单色光才成立。但在实际工作中，目前用各种方法得到的入射光并非纯的单色光，而是具有一定波长范围的单色光。那么，在这种情况下，吸光度与浓度并不完全成直线关系，因而导致了对朗伯比耳定律的偏离。,2.非平行入射光引起的偏离,非平行入射光将导致光束的平均光程,b,大于吸收池的厚度,b,，实际测得的吸光度将大于理论值。,31,3介质不均匀性引起的偏离,朗伯-比耳定律是建立在均匀、非散射基础上的一般规律、如果介质不均匀，呈胶体、乳浊、悬浮状态存在，则入射光除了被吸收之外、还会有反射、散射作用。在这种情况下，物质的吸光度比实际的吸光度大得多，必然要导致对朗伯-比耳定律的偏离。,32,（二）化学因素,1溶液浓度过高引起的偏离,朗伯-比耳定律是建立在吸光质点之间没有相互作用的前提下。但当溶液浓度较高时，吸光物质的分子或离子间的平均距离减小，从而改变物质对光的吸收能力，即改变物质的摩尔吸收系数。浓度增加，相互作用增强，导致在高浓度范围内摩尔吸收系数不恒定而使吸光度与浓度之间的线性关系被破坏。,2. 化学变化所引起的偏离,溶液中吸光物质常因解离、缔合、形成新的化合物或在光照射下发生互变异构等，从而破坏了平衡浓度与分析浓度之间的正比关系，也就破坏了吸光度,A,与分析浓度之间的线性关系。产生对朗伯-比耳定律的偏离。,33,第三节 吸光光度法的仪器,一、基本部件,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等五部分组成。,（一）光源,常用的光源为6-12伏低压钨丝灯，电源由温器供给，为了保持光源强度的稳定，以获得准确的测定果，电压必须稳定。,（二）单色器（分光系统）,单色器的作用从光源发出的复合光中分出所需要的单色光。,单色器通常由由入射狭缝、准直镜、色散元件、聚焦镜和出射缝组成。,34,（三）吸收池（比色皿）,比色皿是用透明无色的光学玻璃制作的。大多数比色皿为长方形，也有圆柱形的。一般厚度为0.5、1、2和3厘米。,（四）检测系统(又叫光电转化器),在光度计中，常用的是硒光电池。晒光电池和眼睛相似，对于各种不同波长的光线，灵敏度是不同的。对于波长为500-600nm的光线最灵敏。而对紫外线，红外线则不能应用。,光电管和光电倍增管用于较精密的分光光度计中。具有灵敏度高、光敏范围广及不易疲劳等特点。,35,（五）信号显示系统,早期使用的是检流计、微安表、电位计、数字电压表、自动记录仪等。,现代的分光光度计广泛采用数字电压表、函数记录仪、示波器及数据处理台等。,测量光电流的检流计常用悬镜式检流计(也称作直流复射式检流计)，其灵敏度可达10,-9,安培格。为了保护检流计，使用中要防止震动或大电流通过。检流计标尺上有两种刻度，等刻度的是表示百分透光率(,T,)，对数刻度表示吸光度(,A,)。,根据透光率,T,，如果把入射光强度,I,当作,I,光强单位，透过光强度当作100光强单位中的一部分，这一数值为百分透光度，亦称为百分透光率。,36,二、吸光度的测量原理,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,。测定时，只要将待测物质推入光路，即可直接读出吸光度值。,测定步骤：,1调节检测器零点，即仪器的机械零点。,2应用不含待测组分的参比溶液调节吸光零点。,3. 待测组分吸光度的测定。,37,三、分光光度计的类型,可见分光光度计、紫外-可见分光光度计和红外分光光度计。,(一)单光束分光光度计,721、722、751型。,751型分光光度计是一种波长范围较宽(200-1000nm)、精密度较高的分光光度计。由光源(钨丝灯或氢灯)发出的光线由反射镜反射，使光线经狭缝的下半部，经准光镜进入单色器棱镜色散底，由准光镜将光聚焦于狭缝上半部而射出，经液槽照射于光电管上。由此可见，仪器用同一狭缝作入光和出光狭缝，它们始终具有相同的宽度。,38,棱镜和透镜均由石英材料作成，反光镜和准光镜表面镀铝。所以全部系统保证紫外光谱通过。波长200-320nm范围用氢灯作光源，波长320-1000nm范围用钨丝灯作光源波长200-625nm用蓝敏光电管(GD-5)测量进射光强度，波长625-1000nm用红放光电管(GD-6)测量透射光强度。吸光度和透光度刻在读数电位差计转盘上，而电流计起示零作用。,(二)双光束分光光度计,39,