任務二　繪制吸收光譜曲線

任務引入

將兩種特定顏色的光按一定的強度比例混合，可成為白光，這兩種特定顏色的光就稱為互補色光，如圖2-10所示，每條直線兩端的兩種光都是互補色光。當一束白光通過某溶液時，該溶液選擇性地吸收白光中的某一波長范圍（某種顏色）的光，則該溶液呈現透過光的顏色，如圖2-11。故溶液的顏色是基于物質對光的選擇性吸收，若要精確地說明物質具有選擇性吸收不同波長范圍光的性質，可用該物質的吸收光譜曲線來描述。

任務目標

1.會繪制吸收光譜曲線。

2.會選擇適宜的測定波長、參比溶液、吸收池。

3.說出顯色條件、測量條件的選擇方法。

工作頁

（一）任務分析

1.明晰任務流程

2.任務難點分析

繪制吸收曲線。

3.條件需求與準備

（1）儀器

①紫外-可見分光光度計。

②容量瓶：100mL。

（2）試劑

①鐵標準儲備溶液（100.0μg/mL）：稱取0.7022g六水合硫酸亞鐵銨溶于少量純水，加3mL鹽酸（ρ20=1.19g/mL），定容為1000mL。

②鐵標準使用溶液（10.0μg/mL）（用時配制）。

③鹽酸羥胺溶液：100g/L（用時配制）。

④鄰二氮雜菲溶液（1.0g/L）：稱取0.1g鄰二氮雜菲溶解于加有2滴鹽酸（ρ20=1.19g/mL）的純水中，并稀釋至100mL。此溶液1mL可測定100μg以下的低鐵（避光保存）。

⑤乙酸銨緩沖溶液（pH4.2）：稱取250g乙酸銨溶于150mL純水中，再加入700mL冰乙酸，混勻。

⑥鹽酸溶液（1+1）。

知識鏈接

顯色劑

在進行比色分析時，采用一種合適的試劑將試樣溶液中的被測組分轉變為有色物質，從而得到一種有色溶液，這類試劑稱為顯色劑；把無色的被測物質轉化為有色化合物的過程稱為顯色過程，這個過程中發生的化學反應稱為顯色反應。

鄰二氮雜菲是測定微量鐵較好的試劑。在pH為2～9的溶液中，鄰二氮雜菲與Fe2+生成穩定的橙紅色配合物，顯色反應如下：

Fe3+與鄰二氮雜菲作用生成藍色配合物，穩定性較差，因此在實際應用中常加入還原劑使Fe3+還原為Fe2+，再與鄰二氮雜菲作用。常用鹽酸羥胺NH2OH·HCl（或抗壞血酸）作還原劑。

4Fe3++2NH2OH→4Fe2++4H++N2O+H2O

測定時酸度高，反應進行較慢；酸度太低，則鐵離子易水解。

（二）任務實施

活動1　配制測試溶液

取2個50mL干凈的容量瓶，用吸量管吸取鐵標準溶液（10.00μg/mL）5.00mL，放入其中一個容量瓶中，然后在兩個容量瓶中各加入1mL10％鹽酸羥胺溶液，搖勻。放置2min后，各加入2mL鄰二氮雜菲溶液，混勻后再加10.0mL乙酸銨緩沖溶液，各加純水至50mL，混勻，放置10～15min。

注意事項

試劑的加入順序，不可顛倒。

知識鏈接

1.顯色條件的選擇

（1）顯色劑用量

顯色劑用量一般要適當，在具體工作中，顯色劑的用量是通過實驗來確定的。通過繪制A-cR曲線，如圖2-12所示，選擇A-cR曲線平坦的部分作為適宜的顯色劑用量。

如圖2-12所示：選取圖中a～b段顯色劑用量作為適宜的顯色劑用量。

（2）溶液的酸度

當酸度不同時，同種金屬離子與同種顯色劑反應，可以生成不同配位數不同顏色的配合物；溶液酸度過高會降低配合物的穩定性；溶液酸度的變化，顯色劑的顏色可能發生變化；溶液酸度過低可能引起被測金屬離子水解。因此，在實驗中要控制好顯色反應的酸度。通過繪制A-pH曲線，如圖2-13所示。選擇A-pH曲線平坦的部分a～b段作為適宜的pH。

（3）顯色溫度

不同的顯色反應對溫度的要求不同，因此對不同的反應應選擇其適宜的顯色溫度。適宜的顯色溫度是通過實驗來確定的。

（4）顯色時間

顯色反應完成所需要的時間稱為“顯色時間”，顯色后有色物質色澤保持穩定的時間成為“穩定時間”。顯然我們應在穩定時間以內進行溶液吸光度的測定。適宜的顯色時間也是通過實驗來確定的。

2.顯色劑（見表2-5和表2-6）

3.顯色反應的基本要求

反應應具有較高的靈敏度和選擇性，反應生成的有色化合物的組成恒定且較穩定，它和顯色劑的顏色差別較大，顯色條件易于控制。

選擇適當的顯色反應和控制好適宜的反應條件，是比色分析的關鍵。

活動2　繪制吸收光譜曲線

用2cm吸收池，以試劑空白為參比，在460～550nm間，每隔10nm測一次吸光度（在峰值附近，每隔2nm測一次吸光度），記錄測得數據填至表2-7中。

以波長λ為橫坐標，吸光度A為縱坐標，繪制A和λ關系的吸收曲線。從吸收曲線上選擇測定波長，一般選用最大吸收波長λmax。

注意事項

1.改變測定波長時必須重新用參比液校正吸光度為零。

2.正確處理吸收池透光面外的溶液。

3.吸收池放置要光面沿光路方向。

知識鏈接

1.吸收曲線

物質的吸收光譜曲線是通過實驗獲得的，具體方法是：將不同波長的光依次通過某一固定濃度和厚度的有色溶液，分別測出它們對不同波長光的吸收程度（通常用吸光度A表示），以波長為橫坐標，吸收程度為縱坐標作圖，畫出曲線，此曲線即稱為該物質的吸收光譜曲線（或光吸收曲線），它描述了物質對不同波長光的吸收程度。圖2-14所示的是三種不同濃度的鄰二氮雜菲亞鐵溶液的吸收曲線，圖2-15是三種不同濃度的高錳酸鉀溶液的吸收曲線。由圖2-14和圖2-15可以看出：

①同一種物質對不同波長光的吸收程度不同。吸收程度最大處對應的波長稱為最大吸收波長λmax。

②不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。

③吸收曲線可以提供物質的結構信息，并作為物質定性分析的依據之一。

④在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據。

2.測量條件的選擇

①定量分析時通常選用λmax為測量波長，此時靈敏度最高。吸收曲線是選擇測定波長的依據，選擇的原則是：吸收最大，干擾最小。

②吸光度合適的范圍是0.2～0.8，在此范圍時由儀器測量引起的誤差比較小。通過調節溶液的濃度或選擇適當厚度的吸收池，使吸光度在此適宜的范圍內。

③參比溶液是用來調節儀器工作零點和消除某些干擾的。參比溶液的選擇一般遵循以下原則。

溶劑參比：若僅待測組分與顯色劑反應產物在測定波長處有吸收，其他所加試劑均無吸收，用純溶劑作參比溶液，可以消除溶劑、吸收池等因素的影響。

試劑參比：若顯色劑或其他所加試劑在測定波長處略有吸收，而試液本身無吸收，用不加試樣的溶液作參比溶液，可以消除試劑中的組分產生的影響。

試樣參比：若待測試樣中其他共存組分在測定波長處有吸收，但不與顯色劑反應，且顯色劑在測定波長處無吸收，則可用不加顯色劑的被測溶液作參比溶液，可以消除有色離子的影響。

褪色參比：若顯色劑、試液中其他組分在測量波長處有吸收，則可在試液中加入適當掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑作為參比溶液，可以消除顯色劑的顏色及樣品中微量共存離子的干擾。

（三）任務數據記錄（見表2-7）

（四）任務評估（見表2-8）

拓展知識　化合物的紫外-可見吸收光譜

各種化合物由于組成和結構上的不同，都有各自特征的紫外-可見吸收光譜，因此可以從吸收光譜的形狀、波峰的位置、波峰的數目等進行定性分析，為研究物質的內部結構提供重要的信息。

1.有機化合物的紫外-可見光譜

有機化合物的紫外-可見吸收光譜是由于分子的原子的外層價電子躍遷所產生的，電子躍遷與分子的組成、結構以及溶劑等因素有關。

（1）電子躍遷類型

物質分子內部三種運動形式：電子相對于原子核的運動；原子核在其平衡位置附近的相對振動；分子本身繞其重心的轉動。分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉動能級，三種能級都是量子化的，且各自具有相應的能量，分子的內能包括電子能量Ee、振動能量Ev、轉動能量Er，即E=Ee+Ev+Er（ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr）。其中電子能級的躍遷所需能量最大，約1～20eV，根據E=hν=hc/λ，需要吸收光的波長范圍在200～1000nm之間，恰好落在紫外-可見光區域。因此，紫外吸收光譜是由于分子中價電子的躍遷而產生的，也稱之為電子躍遷光譜。電子能級間躍遷的同時總伴隨有振動和轉動能級間的躍遷，即電子光譜中總包含有振動能級和轉動能級間躍遷產生的若干譜線而呈現寬譜帶。

按分子軌道理論，有機化合物有幾種不同性質的價電子：形成單鍵的稱σ電子；形成雙鍵的稱π電子；氧、氮、硫、鹵素等有未成鍵的孤對電子，稱n電子。當它們吸收一定能量ΔE后，這些價電子躍遷到較高能級，此時電子所占的軌道稱反鍵軌道，而這種電子躍遷同分子內部結構有密切關系。外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態向激發態（反鍵軌道）躍遷。主要有四種躍遷（見圖2-16），所需能量ΔE大小順序為：

n→π*<π→π*<n→σ*<σ→σ*

①σ→σ*躍遷　它是σ電子從σ成鍵軌道向σ*反鍵軌道的躍遷，這是所有存在σ鍵的有機化合物都可以發生的躍遷類型。實現σ→σ*躍遷所需的能量在所有躍遷類型中最大，因而所吸收的輻射波長最短，處在小于120nm的真空紫外區。因此，一般不討論σ→σ*躍遷所產生的吸收帶。而由于僅能產生σ→σ*躍遷的物質在200nm以上波長區沒有吸收，故它們可以用做紫外-可見分光光度法分析的溶劑，如乙烷、庚烷、環己烷等。

②n→σ*躍遷　它是非鍵的n電子從非鍵軌道向σ*反鍵軌道的躍遷，含有雜原子（如N、O、S、P和鹵素原子）的飽和有機化合物，都含有n電子，因此，都會發生這類躍遷。n→σ*躍遷所要的能量比σ→σ*躍遷小，所以吸收的波長會長一些，可在200nm附近，但大多數化合物仍在小于200nm區域內，隨雜原子的電負性不同而不同，一般電負性越大，n電子被束縛得越緊，躍遷所需的能量越大，吸收的波長越短。n→σ*躍遷所引起的吸收，摩爾吸光系數通常為100～300L/（mol·cm）。

③π→π*躍遷　它是π電子從π成鍵向反鍵π*軌道的躍遷，含有π電子基團的不飽和有機化合物，都會發生π→π*躍遷。π→π*躍遷所需的能量比σ→σ*躍遷小，也一般比n→σ*躍遷小，所以吸收輻射的波長比較長，一般在200nm附近。摩爾吸光系數都比較大，通常在1.0×104L/（mol·cm）以上。

④n→π*躍遷　由n電子從非鍵軌道向π*反鍵軌道的躍遷，含有不飽和雜原子基團的有機物分子，基團中既有π電子，也有n電子，可以發生這類躍遷。n→π*躍遷所需的能量最低，因此吸收輻射的波長最長，一般都在近紫外光區，甚至在可見光區。此外，n→π*還具有以下特點：λmax與組成π鍵的原子有關，由于需要由雜原子組成不飽和雙鍵，所以n電子的躍遷就與雜原子的電負性有關，與n→σ*躍遷相同，雜原子的電負性越強，λmax越小；n→π*躍遷的概率比較小，所以摩爾吸光系數比較小，一般為10～100L/（mol·cm），比起π→π*躍遷小2～3個數量級。摩爾吸光系數的顯著差別，是區別π→π*躍遷和n→π*躍遷的方法之一。

在以上四種躍遷類型所產生的吸收光譜中，π→π*、n→π*躍遷在分析上最有價值，因為它們的吸收波長在近紫外光區及可見光區，便于儀器上的使用及操作，且π→π*躍遷具有很大的摩爾吸光系數，吸收光譜受分子結構的影響較明顯，因此在定性、定量分析中很有用。

（2）常用術語

①生色團　能吸收紫外-可見光的基團叫生色團，主要為具有不飽和鍵和未共用電子對的基團。

②助色團　助色團是一種能使生色團的吸收峰向長波方向位移并增強其吸收強度的官能團，一般是含有未共享電子的雜原子基團，如—NH2、—OH、—NR2、—OR、—SH、—SR、—Cl、—Br等。這些基團中的n電子能與生色團中的π電子相互作用（可能產生p-π共軛），使π→π*躍遷能量降低，躍遷概率變大。

③紅移、藍移　吸收峰位置向長波方向的移動，叫紅移。吸收峰位置向短波方向的移動，叫藍移。波長不變，但是吸收強度增加的現象稱為增色效應；吸收強度降低的現象稱為減色效應。

④吸收帶　R吸收帶：為n→π*躍遷。

特點：躍遷所需能量較小，吸收峰位于200～400nm；吸收強度弱，ε<102L/（mol·cm）。K吸收帶：為共軛雙鍵中π→π*躍遷。

特點：躍遷所需能量較R帶大，吸收峰位于210～280nm；吸收強度強，ε>104L/（mol·cm）。共軛體系的增長，K吸收帶長移，210～700nm，ε增大。K吸收帶是共軛分子的特征吸收帶，可用于判斷共軛結構。

B吸收帶：有苯環必有B帶，230～270nm之間有一系列吸收峰，中強吸收，芳香族化合物的特征吸收峰。

E吸收帶：由苯環結構中三個乙烯的環狀共軛體系的躍遷產生的，π→π*躍遷。E1=185nm，強吸收，ε>104L/（mol·cm）；E2=204nm，較強吸收，ε>103L/（mol·cm）。

（3）有機化合物的特征吸收

①飽和單鍵烴類化合物只有σ鍵電子，而σ鍵電子最不容易被激發，只有吸收很大的能量后，才會產生σ→σ*躍遷。一般在遠紫外區才有吸收帶。遠紫外區又稱真空紫外區，這是由于小于160nm的紫外線被空氣中的氧所吸收，因此必須在無氧或真空條件下進行測定，目前應用不多。

②當飽和單鍵烴類化合物中的氫被氧、鹵素、硫等雜原子取代時，由于這些原子中存在n電子，而n電子比σ鍵電子易激發，從而產生n→σ*躍遷，使電子躍遷的能量減小，吸收峰紅移。

③不飽和脂肪烴中含有π電子，吸收能量后產生π→π*躍遷。具有共軛雙鍵的化合物，相間的π鍵產生共軛效應而生成大π鍵。而大π鍵各能級之間的距離較近，電子容易激發，所以吸收峰的波長就增加，生色作用大為增強。K吸收帶是共軛雙鍵中π→π*躍遷產生的吸收帶，特點是強度大，摩爾吸光系數大于104L/（mol·cm），吸收峰位置為217～280nm，K吸收帶的波長及強度與共軛體系的數目、位置、取代基種類有關。

④芳香族化合物為環狀共軛體系，R吸收是生色團及助色團中n→π*躍遷產生的，強度較弱，E1吸收帶、E2吸收帶是苯環共軛體系產生的，B吸收帶是π→π*躍遷和苯環振動的重疊引起的，又稱精細結構吸收帶，可用來辨認芳香族化合物，有取代基時，B吸收帶簡化。E1吸收帶、E2吸收帶為苯環結構中三個乙烯的環狀共軛體系的躍遷產生的，是芳香族化合物的特征吸收，見圖2-17。如苯環上有助色團如—OH、—Cl等取代，因n-π共軛，使E2吸收帶向長波方向移動，但一般在210nm左右；若苯環上有生色團取代而與苯環共軛，則E2吸收帶與K吸收帶合并并發生紅移，同時出現一個精細結構吸收帶即B吸收帶，常用來辨認芳香族化合物，如苯環上有取代基時，復雜的B吸收帶會簡單化。苯環與生色團連接時，有B和K兩種吸收帶，有時還有R吸收帶，其中R吸收帶的波長最長。二取代苯的兩個取代基在對位時，λmax和εmax都比較大，而處于間位或鄰位時，λmax和εmax都比較小。

（4）紫外吸收光譜的應用

①定性分析　有機化合物紫外吸收光譜，反映結構中生色團和助色團的特性，不完全反映整個分子的特性；根據化合物吸收光譜的形狀、吸收峰的數目、強度、位置進行定性分析；λmax和εmax是化合物的特性參數，可作為定性依據。

②有機化合物的構型、構象的測定　順反異構體的判斷：生色團和助色團處在同一平面上時，才產生最大的共軛效應。由于反式異構體的空間位阻效應小，分子的平面性能較好，共軛效應強。因此反式都大于順式異構體。

例如，肉桂酸的順、反式的吸收如下：

λmax=280nm，εmax=13500L/（mol·cm）；λmax=295nm，εmax=27000L/（mol·cm）

互變異構體的判斷：某些有機化合物在溶液中可能有兩種以上的互變異構體處于動態平衡中，這種異構體的互變過程常伴隨有雙鍵的移動及共軛體系的變化，因此也產生吸收光譜的變化。最常見的是某些含氧化合物的酮式與烯醇式異構體之間的互變。例如乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式兩種互變異構體，它們的吸收特性不同：酮式異構體π→π*躍遷，λmax=204nm，εmax小；烯醇式異構體（雙鍵共軛）π→π*躍遷，λmax=245nm，εmax=18000L/（mol·cm）。

兩種異構體的互變平衡與溶劑有密切關系。在像水這樣的極性溶劑中，由于可能與H2O形成氫鍵而降低能量，以達到穩定狀態，所以酮式異構體占優勢；而像乙烷這樣的非極性溶劑中，由于形成分子內的氫鍵，且形成共軛體系，使能量降低以達到穩定狀態，所以烯醇式異構體比率上升。

③純度檢查　如果某一化合物在紫外區沒有吸收峰，而其中的雜質有較強吸收，就可方便地檢出該化合物中的痕量雜質。例如：要檢定甲醇或乙醇中的雜質苯，可利用苯在254nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長處幾乎沒有吸收。

2.無機化合物的紫外-可見光譜

在電磁輻射的照射下，一些無機物也產生紫外-可見吸收光譜，其主要能級躍遷類型包括電荷轉移躍遷和配位場躍遷。

（1）電荷轉移躍遷

當化合物接受輻射能量時，一個電子由配體的電子軌道躍遷至金屬離子的電子軌道，這種躍遷的實質是配體與金屬離子之間發生分子內的氧化還原反應，Fe2+與鄰二氮雜菲形成的配合物就是由于這類電子躍遷而呈現顏色。

（2）配位場躍遷

第四、第五周期的過渡金屬元素和鑭系、錒系元素的離子吸收光能后，低能級軌道上的d電子或f電子可以分別躍遷至高能級軌道，產生光的吸收，如 [Cu（NH3）4]2+。

思考題

一、判斷題

1.CuSO4溶液呈現藍色是由于它吸收了白光中的黃色光。（　）

2.綠色玻璃是基于吸收了紫色光而透過了綠色光。（　）

3.人眼能感覺到的光稱為可見光，其波長范圍是200～380nm。（　）

4.高錳酸鉀溶液呈現紫色是因為它吸收了綠色光。（　）

5.符合光吸收定律的溶液適當稀釋時，最大吸收波長的位置不移動。（　）

6.有色溶液的最大吸收波長隨溶液濃度的增大而增大。（　）

7.不同濃度的高錳酸鉀溶液，它們的最大吸收波長也不同。（　）

8.根據吸收曲線可以找出被測組分的濃度。（　）

9.當所用的試劑有色而試樣無色時，選用的參比溶液是試劑參比。（　）

二、選擇題

1.1m換算成nm時為（　）。

A.106nm

B.109nm

C.1010nm

D.1012nm

2.人眼能感覺到的光稱為可見光，其波長范圍是（　）。

A.380～780nm

B.380～780μm

C.200～380nm

D.200～780nm

3.當一束白光通過紫色高錳酸鉀溶液時，（　）被溶液吸收。

A.綠色光

B.紫色光

C.黃色光

D.藍色光

4.將黃色光和藍色光按一定強度比例混合可得到白色光，則這兩種色光的關系是（　）。

A.可見光

B.單色光

C.互補色光

D.復合光5.硫酸銅溶液呈藍色是由于它吸收了白光中的（　）。

A.紅色光

B.橙色光

C.黃色光

D.藍色光

6.比色分析中某有色溶液的濃度增加時，最大吸收峰的波長（　）。

A.向長波長方向移動

B.向短波長方向移動

C.不變，但吸光度增大

D.向長波長方向移動，且吸光度增大

7.如果顯色劑或其他試劑在測定波長有吸收，此時的參比溶液應采用（　）。

A.溶劑參比

B.試劑參比

C.試液參比

D.褪色參比

8.控制適當的吸光度范圍的途徑不可以是（　）。

A.調整稱樣量

B.控制溶液的濃度

C.改變測量波長

D.改變定容體積

9.在分光光度法分析中，使用（　）可以消除試劑的影響。

A.蒸餾水

B.待測標準溶液

C.試劑空白溶液

D.任何溶液

10.吸光度為（　）時，相對誤差較小。

A.吸光度越大

B.吸光度越小

C.0.2～0.8

D.任意

三、填空題

1.在以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標的不同濃度KMnO4溶液吸收曲線上可以看出（　）未變，只是（　）改變了。

2.各種物質都有特征的吸收曲線和最大吸收波長，這種特性可作為物質（　）的依據；同種物質的不同濃度的溶液，任一波長處的吸光度隨物質的濃度的增加而增大，這是物質（　）的依據。

3.在分光光度分析中，一般選擇（　）作為測定波長，該波長是通過實驗繪制（　）來得到。