1701环境《分析化学2》教案docWord文档格式.docx
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复习旧课:
污染物仪器分析的方法分类。
引入新课:
光分析。
讲授新课:
任务1可见分光光度法的方法认识
可见分光光度(Vis)是基于物质分子对400-780nm区域内光辐射的吸收而建立起来的分析方法。
一、可见分光光度法分类
利用比较待测溶液本身的颜色或加入试剂后呈现的颜色的深浅来测定溶液中待测物质的浓度的方法就称为比色分析法。
比色分析中根据所用检测器的不同分为目视比色法和光电比色法。
1、目视比色法(由于欠准确,已不广泛使用)
以人的眼睛来检测颜色深浅的方法称目视比色法。
测定方法有标准色阶法、比色滴定法。
a、标准色阶法
b、比色滴定法
2、光电比色法
以光电转换器件(如光电池)为检测器来区别颜色深浅的方法称光电比色法。
应用分光光度计,根据物质对不同波长的单色光的吸收程度不同而对物质进行定性和定量分析的方法。
(1)可见分光光度法(400—780nm)
(2)紫外分光光度法(200—400nm)
(3)红外分光光度法(
~
nm)
二、可见分光光度法的特点:
1、灵敏度高
它所测试液的浓度下限可达10-5~10-6mol·
L-1(达微克量级),在某些条件下甚至可测定10-7mol·
L-1的物质
2、准确度较高
可见分光光度法测定的相对误差为2%~5%,若采用精密分光光度计进行测量,相对误差可达1%~2%。
3、操作简便、分析速度快
可见分光光度法分析速度快,仪器设备不复杂,操作简便,价格低廉,应用广泛。
4、应用广泛
凡是有色或无色可显色物质的微量成分都可以用这种方法进行测定。
5、前景广阔
现代分析仪器制造技术和计算机技术的迅猛发展,使光度分析展现出十分诱人的前景。
任务2光分析基本原理(之一)
物质的颜色与光有密切关系。
一、光的基本特性
1、电池波谱
光是一种电磁波,具有波动性和粒子性。
2、单色光和互补色
具有一种波长的光称为单色光,含有多种波长的光称为复合光。
凡是能被肉眼感觉到的光称为可见光(visiblelight)。
其波长范围:
400-780nm。
在可见光区内,不同波长的光刺激眼睛后会产生不同颜色的感觉,即具有不同的颜色,
如果把适当颜色的两种光按一定强度比例混合,也可以得到白光,这两种颜色的光称为互补色光。
学习并掌握:
光色互补示意图。
二、物质对光的选择性吸收
1、物质颜色的产生
当一束白光照通过某透明溶液时,若某溶液选择性地吸收了可见光区某波长的光,则该溶液呈现出被吸收光的互补色光的颜色。
例如:
KMnO4(呈紫红色?
),KCrO4(呈黄色?
)
2、物质的吸收光谱曲线
以波长(λ)为横坐标,以吸光度为纵坐标做图,可得一曲线,这曲线称吸收光谱曲线。
(它描述物质对光的吸收程度)
3、吸收光谱曲线产生机理
在实际定量分析中,待分析物一般都是混合物,其中以溶液为主。
因此,溶剂效应对物质吸收带影响是个很重要的问题,特别是紫外区的吸光谱。
溶液中的吸收光谱和物质气态光谱是不同的,在非极性溶剂中所得的光谱接近于气态光谱。
而极性溶剂对溶质吸收光谱的影响极大。
下图可以明显显示出溶剂效应,庚烷极性小,其吸收光谱改变少,而乙醇极性大,吸收光谱产生了重要改变。
这点对临床检验工作有重要影响。
NADH是检验工作中常用的底物,要计算K值时要用水溶液的吸光系数,而不要用其他体系的吸光系数。
由于各种分子运动所处的能级和产生能级跃迁时能量变化都是量子化的,因此在分子运动产生能级跃迁时,只能吸收分子运动相对应的特定频率(或波长)的光能。
而不同物质分子内部结构不同,分子的能级也是千差万别,各种能级之间的间隔也互不相同,
这样就决定了它们对不同波长光的选择性吸收。
三、朗伯-比尔定律
当一束平行的单色光通过均匀而透明的溶液时,一部分光被溶液所吸收,因此透过溶液的光通量就要减少。
设入射光通量为Φ0,通过溶液后透射光通量为Φtr,则比值Φtr/Φ0表示溶液对光的透射程度称为透射比,符号为T(或τ),其值可以用小数或百分数表示:
T(或τ)=Φtr/Φ0
透射比倒数的对数表示溶液对光的吸收程度,称为吸光度,用A表示。
A=lgΦ0/Φtr=-lg
当入射光全部透过溶液时Φtr=Φ0。
τ=1(或100%),即A=0;
当入射光全部被溶液吸收时,Φtr=0,
=0,即A→∞。
1、朗伯(Lambert)定律
推导得出:
A=K1b
上式为朗伯定律的表达式。
2、比尔(Beer)定律
A=K2C
上式为比尔定律的表达式。
比尔定律只适宜于一定的浓度范围。
3、朗伯-比尔定律
物质对光的选择性吸收遵守光的吸收基本定律――朗伯-比尔定律。
理论推导和实践都证明:
当一束平行单色光垂直入射通过均匀、透明的吸光物质的稀溶液时,溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比。
即:
(
)
式中 b-吸收池内溶液的光路长度,cm;
c-溶液中吸光物质的浓度,
K-吸光系数。
二、吸光系数
1.摩尔吸光系数(ε)
当溶液的浓度以物质的量浓度(mol.L-1)表示,光程长度以厘米(cm)表示时,相应的吸光系数称为摩尔吸光系数,以ε表示,其单位为L.mol-1.cm-1。
此时,朗伯-比尔定律改写成:
2.质量吸光系数(
若溶液浓度以质量浓度(即每升溶液中所含溶质的克数,单位g.L-1)表示,液层厚度以厘米(cm)来表示,相应的吸光系数则为质量吸光系数,以
表示,其单位为L.g-1.cm-1。
3、比吸光系数
三、吸光度的加和性
在多组分的体系中,在某一波长下,如果各种对光有吸收的物质之间没有相互作用,则体系在该波长的总吸光度等于各组分吸光度的和,即吸光度具有加和性,称为吸光度加和性原理。
四、影响吸收定律的主要因素
根据Lambert-Beer定律,理论上,吸光度A与吸光物质的浓度c成正比,但在实际工作中,常常遇到偏离线性关系的现象,即曲线向下(负偏离)或向上(正偏离)发生弯曲,产生负偏离或正偏离,或者不通过零点。
这种现象称为偏离光吸收定律。
偏离吸收定律的原因:
a、入射光非单色光引起的偏离(单色光是前提条件)
b、溶液的化学因素(离解、缔合)引起的偏离
c、比尔定律的局限性引起偏离
【总结】本次课主要讲授了可见分光光度法的方法、特点和紫外-可见分光光度法的基本原理,要求学生着重理解性掌握。
2
任务3认识可见分光光度计
1、了解可见分光光度计的主要部件;
2、弄清721型分光光度计的工作原理;
3、学习使用721分光光度计
1、721型分光光度计的工作原理;
2、学习使用721分光光度计
721型分光光度计的类型、工作原理及特点
p28
(1)
(2)(3)(4)(5)
朗伯-比尔定律?
测定光的吸收情况应用什么仪器?
一、可见分光光度计的主要部件
可见分光光度计的主要部件包括光源、单色器、吸收池、检测器及测量显示系统。
1、光源
钨灯
2、单色器
单色器是将光源发出的连续光谱按照波长的长短顺序分散为单色光,并能准确方便地“取出”所需的某一波长的光的装置。
获得单色光的元件有滤光片、棱镜和光栅,紫外可见分光光度计的色散元件,目前主要采用棱镜和光栅。
(1)棱镜
(2)光栅
1、吸收池(又叫比色皿,用于盛装试液和参比溶液)
比色皿一般为长方形。
有各种规格,
比色皿使用注意事项
2、检测器
对透过吸收池的光做出响应,并把它转变成电信号输出,其输出信号大小与透过光的强度成正比。
分光光度计中的光电转换元件有硒光电池、光电管、光电倍增管。
5、信号显示器(检流计标尺)
测量的实验数据如透光度T、吸光度A(或浓度c),其数值大多由数码管显示(数字显示和自动记录),也有用指针式指示,其表头刻有吸光度A和透光度T两种刻度。
二、可见分光光度计的类型及特点
单光束分光光度计
三、可见分光光度计的使用
(721型分光光度计)
分光光度计的基本部件:
光源→单色器→吸收池→检测系统
如721型分光光度计是目前国内应用较多的一种简易型分光光度计,它属于单波长单光束类型,结构简单、价格便宜、操作方便,工作波长范围是360-800nm。
四、分光光度计的检验与维护保养
1、分光光度计的检验:
(1)、仪器波长的校正
a、仪器自动校正波长
b、镨钕玻璃校正波长
许多分光光度计附带有镨钕玻璃,此玻璃在529nm有一吸收峰,将此玻璃插人吸收池架上,用无色玻璃或空气作参比,将功能选择放在T档(或A档),逐点测定其透光度T(或A)。
c、用已知最大吸收波长的溶液校正
(2)透射比正确度的检验
(3)吸收池配套性检验
2、分光光度计的维护和保养(p82)
【总结】本次课主要讲解了可见分光光度计各主要部件的构造、功能及作用,为今后使用紫外-可见分光光度计打下良好的基础。
3
任务4可见分光光度法
学习并掌握紫外-可见光谱的单组分体系的定量分析
紫外-可见光谱的单组分体系的定量分析
p65(4)(5)
有机化合物的特征吸收情况?
利用紫外-可见分光光度法进行定量分析的方法?
定量分析:
一般选max测吸收程度(吸光度A)
一、单组分体系
1、工作曲线法
采用一定容积的容量瓶(25ml、50ml、100ml)配一系列标准溶液,分别测定其吸光度,以浓度C(实际情况多以容量瓶中含溶质质量或在容量瓶中加入标准溶液的体积)为横坐标,以吸光度A作纵坐标,在坐标纸上绘制曲线(一般为一条通过原点的直线),称它为工作曲线或标准曲线。
①基本原理(显色)
例:
邻菲罗啉(邻二氮菲)分光光度法测铁
亚铁离子与邻菲罗啉在pH值2~9(pH值5~6最佳),能生成橙红色配合物。
溶液中Fe3+(标准溶液)在显色前先用盐酸羟胺将Fe3+还原成Fe2+,并加入HAc-NaAc缓冲溶液,最后加入显色剂邻菲罗啉(邻二氮菲),顺序不可以调整。
②标准溶液的配制
配制一系列标准溶液[取50mL容量瓶8只,准确吸取Fe3+标准溶液0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00mL及Fe3+试液5.00mL(2份),再于各容量瓶中分别加入盐酸羟胺、HAc-NaAc缓冲溶液、邻二氮菲,注意:
每加一种试剂都必须吹洗瓶口、摇匀后再加另一种试剂,最后用水稀释到刻度,摇匀。
]
③吸收曲线的绘制
以含Fe3+标准溶液0mL的为参比,含Fe3+标准溶液6.00mL为待测试液,在分光光度计上从波长450~550nm间,每隔20nm测定一次吸光度,在最大吸收波长左右,每隔5nm测定一次吸光度。
以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标,绘制吸收光谱曲线,并找出最大吸收波长λmax。
④标准曲线的绘制
取配制好的一系列标准溶液,在最大吸收波长处测定其吸光度,以标准溶液浓度(实际情况多以容量瓶中含溶质质量或在容量瓶中加入标准溶液的体积)为横坐标,以吸光度为纵坐标绘制工作曲线。
(直线回归方程此处不讲,将在今后的数理统计课程中介绍)
⑤样品的测定
测出样品溶液的吸光度Ax,在工作曲线上找出相应的Cx。
从而求出样品中待测物的含量。
(2)比较法
当被测样品数量少,且吸光度A与浓度c的线性比列关系甚佳,可采用比较法定量。
根据朗伯-比尔定律,因测定的是同一种样品,所以ε相同,用同一种型号的比色皿,则比色皿厚度L相同,此时,可由朗伯-比尔定律得:
二、多组分体系
多组分是指在被测溶液中含有两个或两个以上的吸光组分。
进行多组分混合物定量分析的依据是吸光度的加和性。
假设溶液中存在两种组分x和y,它们的吸收光谱一般有下面两种情况:
1、吸收光谱曲线不重叠或少部分重叠
至少可找到在某一波长(
)处x有吸收而y不吸收,在另一波长(
)处y有吸收而x不吸收,则可分别在波长
和
处测定组分x和y,而相互不产生干扰。
2、吸收光谱曲线重叠
可选定二个波长
(可以是组分x的最大吸收波长)和
(可以是组分y的最大吸收波长),并分别在
处测定吸光度
根据吸光度的加和性,列出方程组:
{
例题:
(p93)
【总结】本次课主要讲解了定量方法之标准曲线法和比较法,重点掌握标准曲线法的应用。
4
项目2对紫外光有吸收物质的分析
1、通过讲解,让学生了解紫外分光光度法的方法特点,及其与可见分光光度法的异同点;
了解一些紫外分光光度法的应用。
2、了解紫外分光光度计的主要部件;
3、紫外吸收光谱的产生原理及跃迁类型特点;
4、
紫外分光光度法的方法特点
p78
(1)
(2)
达到教学预期目的
显色条件的选择?
可见分光光度法的操作条件如何选择?
项目2对紫外光有吸收物质的分析
任务1紫外分光光度法的方法认识
一、紫外分光光度法方法认识
紫外分光光度法(UV)是基于物质分子对200~400nm区域内光辐射的吸收而建立起来的分析方法。
由于200~400nm光辐射的能量主要与物质中原子的价电子的能级跃迁相适应,可以导致这些电子的跃迁,所以紫外分光光度法和可见分光光度法都称电子光谱法。
1、紫外分光光度法分类
应用分光光度计,根据物质对不同波长的单色光的吸收程度不同而对物质进行定性和定量分析的方法称分光光度法(又称吸光光度法)。
分光光度法中,按所用光的波谱区域不同又可分为可见分光光度法(400~780nm)、紫外分光光度法(200~400nm)和红外分光光度法(
nm)。
紫外分光光度法和可见分光光度法合称紫外-可见分光光度法。
2、紫外-可见分光光度法的特点(p77)
(1)紫外-可见分光光度法具有较高的灵敏度,适用于微量组分的测定。
(2)紫外-可见分光光度法测定的相对误差为2%~5%,若采用精密分光光度计进行测量,相对误差可达1%~2%。
(3)紫外-可见分光光度法分析速度快,仪器设备不复杂,操作简便,价格低廉,应用广泛。
任务2认识紫外分光光度计
由于紫外分光光度计与可见分光光度计在结构上的相似性,厂家在生产时为了提高仪器的应用价值和性价比,通常都会在紫外分光光度计基础上附加可见分光光度计的功能,合称为紫外-可见分光光度计。
一、仪器的基本组成部件
在紫外及可见光区用于测定溶液吸光度的分析仪器称为紫外-可见分光光度计(简称分光光度计),目前,紫外一可见分光光度计的型号较多,但它们的基本构造都相似,都由光源、单色器、样品吸收池、检测器和信号显示系统五大部件组成。
光源的作用是供给符合要求的入射光。
分光光度计对光源的要求是:
在使用波长范围内提供连续的光谱,光强应足够大,有良好的稳定性,使用寿命长。
实际应用的光源一般分为紫外光光源和可见光光源。
(1)可见光光源(与项目1的任务3中可见分光光度计对光源的要求相同)
(2)紫外光光源
紫外光光源多为气体放电光源,如氢、氘、氙放电灯等。
其中应用最多的是氢灯及其同位素氘灯,其使用波长范围为185~375nm。
单色器的作用是把光源发出的连续光谱分解成单色光,并能准确方便地“取出”所需要的某一波长的光,它是分光光度计的心脏部分。
单色器主要由狭缝、色散元件和透镜系统组成。
(1)棱镜单色器
(2)光栅单色器
3、吸收池
吸收池又叫比色皿,是用于盛放待测液和决定透光液层厚度的器件。
吸收池一般为长方体(也有圆鼓形或其他形状,但长方体最普遍),其底及两侧为毛玻璃,另两面为光学透光面。
根据光学透光面的材质,吸收池有玻璃吸收池和石英吸收池两种。
玻璃吸收池用于可见光光区测定。
常见的石英吸收池规格是:
1.Ocm。
4、检测器
检测器又称接受器,其作用是对透过吸收池的光做出响应,并把它转变成电信号输出.其输出电信号大小与透过光的强度成正比。
常用的检测器有光电池、光电管及光电倍增管等,它们都是基于光电效应原理制成的。
信号显示器
由检测器产生的电信号,经放大等处理后,用一定方式显示出来,以便于计算和记录。
信号显示器有多种,随着电子技术的发展,这些信号显示和记录系统将越来越先进。
(1)以检流计或微安表为指示仪表
(2)数字显示和自动记录型装置
任务三紫外分光光度法
一、紫外吸收光谱的产生
分子内部的运动有转动、振动和电子运动,因此分子具有转动能级、振动能级和电子能级。
其中电子能级的跃迁所需能量最大,约1~20eV之间,根据E=hυ=hc/λ,需要吸收光的波长范围在200~1000nm之间,恰好落在紫外-可见光区域。
因此,紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的,也称之为电子光谱。
紫外吸收光谱与可见吸收光谱一样,是由分子中价电子的跃迁产生的。
按分子轨道理论,有机化合物有几种不同性质的价电子:
形成单键的称σ电子;
形成双键的称
电子;
氧、氮、硫、卤素等有未成键的孤对电子,称n电子。
当它们吸收一定能量△E后,这些价电子跃迁到较高能级,此时电子所占的轨道称反键轨道,而这种电子跃迁同分子内部结构有密切关系。
三种价电子可能产生六种跃迁(这六种跃迁所需能量的大小顺序为:
σ→σ*>σ→π*>π→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*)。
较为常见的电子跃迁类型有以下四种:
1、σ→σ*跃迁
-*的能量差大所需能量高吸收峰在远紫外(<
150nm)
饱和烃只有、*轨道(σ*表示σ键电子的反键轨道),只能产生→*跃迁[它吸收远紫外线(10~200nm)后,由基态跃迁至反键轨道],例如:
甲烷吸收峰在125nm;
乙烷吸收峰在135nm(<
150nm)
2、n→σ*跃迁
n→*能量较低吸收峰在紫外区(在200nm左右)(与-*接近)
饱和碳氢化合物中的氢被氧、氮、硫、卤素等杂原子团取代后(单键)(如:
-OH,-NH2,-X,-S等),除能产生→*跃迁外,同时能产生n→*跃迁,例如:
三甲基胺(CH3)3N-的n→*吸收峰在227nm,约为900L/mol·
cm,属于中强吸收。
3、
→
*跃迁
→*能量差较小所需能量较低吸收峰在紫外区(在200nm左右)
不饱和烃(如烯类、炔类)分子中有电子,也有*轨道,能产生→*跃迁,它比σ→σ*跃迁所需能量低。
非共轭的
*跃迁所吸收的波长较短,如乙烯的
*跃迁,
为165nm,ε为104L•mol-1•cm-1,随着共轭双键数增加,吸收峰向长波方向移动。
(→*跃迁的吸收峰多为强吸收,其摩尔吸光系数很大,一般情况下εmax≥104L•mol-1•cm-1。
4、n→
n→*能量低吸收峰在近紫外、可见区(在200~700nm)
凡有机化合物有(含有孤对电子的)杂原子(如氧、氮、硫等),同时又具有双键,(如-C=O,-CN,-N=O,-N=N-等),吸收紫外光后产生n→
*跃迁,所需能量比上述几种都低,这类跃迁的吸收波长在200~400nm之间,但吸收强度弱,ε一般低于100L•mol-1•cm-1,例如:
丙酮:
n-*跃迁,max280nm左右(同时也可产生-*跃迁),属于弱吸收,<
500L/mol·
cm.
上述四种类型的电子跃迁,按照跃迁时所需能量的大小进行排列,其次序为:
σ→σ*>n→σ*>
*>n→
*
紫外-可见吸收光谱法在有机化合物中应用主要以:
-*、n-*为基础。
任务四紫外吸收光谱法应用
紫外吸收光谱可用于有机化合物的分析和检定;
同分异构体的鉴别;
物质结构的测定等等
1、定性分析
定性分析:
吸收光谱的特征(形状和max)
(注意:
UV吸收光谱通常只有2~3个较宽的吸收峰,单根据UV谱不能完全决定物质的分子结构,尚须与IR、NMR、MS以及其它化学的和物理的方法共同配合起来才能得出可靠结论。
UV谱相同,两种化合物不一定相同;
但UV谱不同,则可以大体说明非同一物质。
2、有机化合物分子结构的推断
220~800nm无吸收峰,可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇、羧酸、氯代烃和氟代烃,不含双键或环状共轭体系,没有溴、碘等基团
210~250有强吸收带:
可能含有2个双键的共轭单位
260~350nm有强吸收带:
3~5个共轭单位
270~350nm弱吸收峰,只含非共轭的具有n电子的生色团
250~300nm有中强度吸收带且有一定的精细结构,则为苯环的特征吸收
常见有机化合物紫外吸收光谱
(1)饱和有机化合物
(2)烯烃(3)炔烃(4)芳香化合物
3、纯度检查
痕量杂质,如甲醇或乙醇中的杂质苯(无吸收+有吸收)
利用摩尔吸光系数(杂质与样品均有UV吸收)
【总结】本次课主要讲解了紫外光及其应用和紫外-可见分光光度计各主要部件的构造、功能及作用,了解紫外吸收光谱的产生原理,理解紫外吸收光谱应用的意义和实际应用。
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