任务二 绘制吸收光谱曲线
任务引入
为什么KMnO4溶液置于日光下呈现紫色，而CuSO4溶液则呈现蓝色？
将两种特定颜色的光按一定的强度比例混合，可成为白光，这两种特定颜色的光就称为互补色光，如图2-10所示，每条直线两端的两种光都是互补色光。当一束白光通过某溶液时，该溶液选择性地吸收白光中的某一波长范围（某种颜色）的光，则该溶液呈现透过光的颜色，如图2-11。故溶液的颜色是基于物质对光的选择性吸收，若要精确地说明物质具有选择性吸收不同波长范围光的性质，可用该物质的吸收光谱曲线来描述。
图2-10 互补色光
图2-11 溶液颜色的产生
任务目标
1.会绘制吸收光谱曲线。
2.会选择适宜的测定波长、参比溶液、吸收池。
3.说出显色条件、测量条件的选择方法。
工作页
（一）任务分析
1.明晰任务流程
2.任务难点分析
绘制吸收曲线。
3.条件需求与准备
（1）仪器
①紫外-可见分光光度计。
②容量瓶：100mL。
（2）试剂
①铁标准储备溶液（100.0μg/mL）：称取0.7022g六水合硫酸亚铁铵溶于少量纯水，加3mL盐酸（ρ20=1.19g/mL），定容为1000mL。
②铁标准使用溶液（10.0μg/mL）（用时配制）。
③盐酸羟胺溶液：100g/L（用时配制）。
④邻二氮杂菲溶液（1.0g/L）：称取0.1g邻二氮杂菲溶解于加有2滴盐酸（ρ20=1.19g/mL）的纯水中，并稀释至100mL。此溶液1mL可测定100μg以下的低铁（避光保存）。
⑤乙酸铵缓冲溶液（pH4.2）：称取250g乙酸铵溶于150mL纯水中，再加入700mL冰乙酸，混匀。
⑥盐酸溶液（1+1）。
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显色剂
在进行比色分析时，采用一种合适的试剂将试样溶液中的被测组分转变为有色物质，从而得到一种有色溶液，这类试剂称为显色剂；把无色的被测物质转化为有色化合物的过程称为显色过程，这个过程中发生的化学反应称为显色反应。
邻二氮杂菲是测定微量铁较好的试剂。在pH为2～9的溶液中，邻二氮杂菲与Fe2+生成稳定的橙红色配合物，显色反应如下：
Fe3+与邻二氮杂菲作用生成蓝色配合物，稳定性较差，因此在实际应用中常加入还原剂使Fe3+还原为Fe2+，再与邻二氮杂菲作用。常用盐酸羟胺NH2OH·HCl（或抗坏血酸）作还原剂。
4Fe3++2NH2OH→4Fe2++4H++N2O+H2O
测定时酸度高，反应进行较慢；酸度太低，则铁离子易水解。
（二）任务实施
活动1 配制测试溶液
取2个50mL干净的容量瓶，用吸量管吸取铁标准溶液（10.00μg/mL）5.00mL，放入其中一个容量瓶中，然后在两个容量瓶中各加入1mL10％盐酸羟胺溶液，摇匀。放置2min后，各加入2mL邻二氮杂菲溶液，混匀后再加10.0mL乙酸铵缓冲溶液，各加纯水至50mL，混匀，放置10～15min。
注意事项
试剂的加入顺序，不可颠倒。
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1.显色条件的选择
（1）显色剂用量
显色剂用量一般要适当，在具体工作中，显色剂的用量是通过实验来确定的。通过绘制A-cR曲线，如图2-12所示，选择A-cR曲线平坦的部分作为适宜的显色剂用量。
图2-12 A-cR曲线
如图2-12所示：选取图中a～b段显色剂用量作为适宜的显色剂用量。
（2）溶液的酸度
当酸度不同时，同种金属离子与同种显色剂反应，可以生成不同配位数不同颜色的配合物；溶液酸度过高会降低配合物的稳定性；溶液酸度的变化，显色剂的颜色可能发生变化；溶液酸度过低可能引起被测金属离子水解。因此，在实验中要控制好显色反应的酸度。通过绘制A-pH曲线，如图2-13所示。选择A-pH曲线平坦的部分a～b段作为适宜的pH。
图2-13 A-pH曲线
（3）显色温度
不同的显色反应对温度的要求不同，因此对不同的反应应选择其适宜的显色温度。适宜的显色温度是通过实验来确定的。
（4）显色时间
显色反应完成所需要的时间称为“显色时间”，显色后有色物质色泽保持稳定的时间成为“稳定时间”。显然我们应在稳定时间以内进行溶液吸光度的测定。适宜的显色时间也是通过实验来确定的。
2.显色剂（见表2-5和表2-6）
表2-5 常见的无机显色剂
表2-6 常见的有机显色剂
3.显色反应的基本要求
反应应具有较高的灵敏度和选择性，反应生成的有色化合物的组成恒定且较稳定，它和显色剂的颜色差别较大，显色条件易于控制。
选择适当的显色反应和控制好适宜的反应条件，是比色分析的关键。
活动2 绘制吸收光谱曲线
用2cm吸收池，以试剂空白为参比，在460～550nm间，每隔10nm测一次吸光度（在峰值附近，每隔2nm测一次吸光度），记录测得数据填至表2-7中。
以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标，绘制A和λ关系的吸收曲线。从吸收曲线上选择测定波长，一般选用最大吸收波长λmax。
注意事项
1.改变测定波长时必须重新用参比液校正吸光度为零。
2.正确处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。
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1.吸收曲线
物质的吸收光谱曲线是通过实验获得的，具体方法是：将不同波长的光依次通过某一固定浓度和厚度的有色溶液，分别测出它们对不同波长光的吸收程度（通常用吸光度A表示），以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标作图，画出曲线，此曲线即称为该物质的吸收光谱曲线（或光吸收曲线），它描述了物质对不同波长光的吸收程度。图2-14所示的是三种不同浓度的邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线，图2-15是三种不同浓度的高锰酸钾溶液的吸收曲线。由图2-14和图2-15可以看出：
图2-14 邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线
1—0.400mg/L（Fe2+）；2—0.800mg/L（Fe2+）；3—1.20mg/L（Fe2+）
图2-15 高锰酸钾溶液的吸收曲线
1—1.56×10-4mol/L（KMnO4）；2—3.12×10-4mol/L（KMnO4）；3—4.68×10-4mol/L（KMnO4）
①同一种物质对不同波长光的吸收程度不同。吸收程度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax。
②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。
③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。
④在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。
2.测量条件的选择
①定量分析时通常选用λmax为测量波长，此时灵敏度最高。吸收曲线是选择测定波长的依据，选择的原则是：吸收最大，干扰最小。
②吸光度合适的范围是0.2～0.8，在此范围时由仪器测量引起的误差比较小。通过调节溶液的浓度或选择适当厚度的吸收池，使吸光度在此适宜的范围内。
③参比溶液是用来调节仪器工作零点和消除某些干扰的。参比溶液的选择一般遵循以下原则。
溶剂参比：若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用纯溶剂作参比溶液，可以消除溶剂、吸收池等因素的影响。
试剂参比：若显色剂或其他所加试剂在测定波长处略有吸收，而试液本身无吸收，用不加试样的溶液作参比溶液，可以消除试剂中的组分产生的影响。
试样参比：若待测试样中其他共存组分在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应，且显色剂在测定波长处无吸收，则可用不加显色剂的被测溶液作参比溶液，可以消除有色离子的影响。
褪色参比：若显色剂、试液中其他组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂作为参比溶液，可以消除显色剂的颜色及样品中微量共存离子的干扰。
（三）任务数据记录（见表2-7）
表2-7 绘制吸收光谱曲线原始记录
（四）任务评估（见表2-8）
表2-8 任务评价表 日期
拓展知识 化合物的紫外-可见吸收光谱
各种化合物由于组成和结构上的不同，都有各自特征的紫外-可见吸收光谱，因此可以从吸收光谱的形状、波峰的位置、波峰的数目等进行定性分析，为研究物质的内部结构提供重要的信息。
1.有机化合物的紫外-可见光谱
有机化合物的紫外-可见吸收光谱是由于分子的原子的外层价电子跃迁所产生的，电子跃迁与分子的组成、结构以及溶剂等因素有关。
（1）电子跃迁类型
物质分子内部三种运动形式：电子相对于原子核的运动；原子核在其平衡位置附近的相对振动；分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级，三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量，分子的内能包括电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er，即E=Ee+Ev+Er（ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr）。其中电子能级的跃迁所需能量最大，约1～20eV，根据E=hν=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，也称之为电子跃迁光谱。电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁，即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。
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π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ΔE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。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态（反键轨道）跃迁。主要有四种跃迁（见图2-16），所需能量ΔE大小顺序为：
n→π*<π→π*<n→σ*<σ→σ*
图2-16 电子能级跃迁示意图
①σ→σ*跃迁 它是σ电子从σ成键轨道向σ*反键轨道的跃迁，这是所有存在σ键的有机化合物都可以发生的跃迁类型。实现σ→σ*跃迁所需的能量在所有跃迁类型中最大，因而所吸收的辐射波长最短，处在小于120nm的真空紫外区。因此，一般不讨论σ→σ*跃迁所产生的吸收带。而由于仅能产生σ→σ*跃迁的物质在200nm以上波长区没有吸收，故它们可以用做紫外-可见分光光度法分析的溶剂，如乙烷、庚烷、环己烷等。
②n→σ*跃迁 它是非键的n电子从非键轨道向σ*反键轨道的跃迁，含有杂原子（如N、O、S、P和卤素原子）的饱和有机化合物，都含有n电子，因此，都会发生这类跃迁。n→σ*跃迁所要的能量比σ→σ*跃迁小，所以吸收的波长会长一些，可在200nm附近，但大多数化合物仍在小于200nm区域内，随杂原子的电负性不同而不同，一般电负性越大，n电子被束缚得越紧，跃迁所需的能量越大，吸收的波长越短。n→σ*跃迁所引起的吸收，摩尔吸光系数通常为100～300L/（mol·cm）。
③π→π*跃迁 它是π电子从π成键向反键π*轨道的跃迁，含有π电子基团的不饱和有机化合物，都会发生π→π*跃迁。π→π*跃迁所需的能量比σ→σ*跃迁小，也一般比n→σ*跃迁小，所以吸收辐射的波长比较长，一般在200nm附近。摩尔吸光系数都比较大，通常在1.0×104L/（mol·cm）以上。
④n→π*跃迁 由n电子从非键轨道向π*反键轨道的跃迁，含有不饱和杂原子基团的有机物分子，基团中既有π电子，也有n电子，可以发生这类跃迁。n→π*跃迁所需的能量最低，因此吸收辐射的波长最长，一般都在近紫外光区，甚至在可见光区。此外，n→π*还具有以下特点：λmax与组成π键的原子有关，由于需要由杂原子组成不饱和双键，所以n电子的跃迁就与杂原子的电负性有关，与n→σ*跃迁相同，杂原子的电负性越强，λmax越小；n→π*跃迁的概率比较小，所以摩尔吸光系数比较小，一般为10～100L/（mol·cm），比起π→π*跃迁小2～3个数量级。摩尔吸光系数的显著差别，是区别π→π*跃迁和n→π*跃迁的方法之一。
在以上四种跃迁类型所产生的吸收光谱中，π→π*、n→π*跃迁在分析上最有价值，因为它们的吸收波长在近紫外光区及可见光区，便于仪器上的使用及操作，且π→π*跃迁具有很大的摩尔吸光系数，吸收光谱受分子结构的影响较明显，因此在定性、定量分析中很有用。
（2）常用术语
①生色团 能吸收紫外-可见光的基团叫生色团，主要为具有不饱和键和未共用电子对的基团。
②助色团 助色团是一种能使生色团的吸收峰向长波方向位移并增强其吸收强度的官能团，一般是含有未共享电子的杂原子基团，如—NH2、—OH、—NR2、—OR、—SH、—SR、—Cl、—Br等。这些基团中的n电子能与生色团中的π电子相互作用（可能产生p-π共轭），使π→π*跃迁能量降低，跃迁概率变大。
③红移、蓝移 吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移。吸收峰位置向短波方向的移动，叫蓝移。波长不变，但是吸收强度增加的现象称为增色效应；吸收强度降低的现象称为减色效应。
④吸收带 R吸收带：为n→π*跃迁。
特点：跃迁所需能量较小，吸收峰位于200～400nm；吸收强度弱，ε<102L/（mol·cm）。K吸收带：为共轭双键中π→π*跃迁。
特点：跃迁所需能量较R带大，吸收峰位于210～280nm；吸收强度强，ε>104L/（mol·cm）。共轭体系的增长，K吸收带长移，210～700nm，ε增大。K吸收带是共轭分子的特征吸收带，可用于判断共轭结构。
B吸收带：有苯环必有B带，230～270nm之间有一系列吸收峰，中强吸收，芳香族化合物的特征吸收峰。
E吸收带：由苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁产生的，π→π*跃迁。E1=185nm，强吸收，ε>104L/（mol·cm）；E2=204nm，较强吸收，ε>103L/（mol·cm）。
（3）有机化合物的特征吸收
①饱和单键烃类化合物只有σ键电子，而σ键电子最不容易被激发，只有吸收很大的能量后，才会产生σ→σ*跃迁。一般在远紫外区才有吸收带。远紫外区又称真空紫外区，这是由于小于160nm的紫外线被空气中的氧所吸收，因此必须在无氧或真空条件下进行测定，目前应用不多。
②当饱和单键烃类化合物中的氢被氧、卤素、硫等杂原子取代时，由于这些原子中存在n电子，而n电子比σ键电子易激发，从而产生n→σ*跃迁，使电子跃迁的能量减小，吸收峰红移。
③不饱和脂肪烃中含有π电子，吸收能量后产生π→π*跃迁。具有共轭双键的化合物，相间的π键产生共轭效应而生成大π键。而大π键各能级之间的距离较近，电子容易激发，所以吸收峰的波长就增加，生色作用大为增强。K吸收带是共轭双键中π→π*跃迁产生的吸收带，特点是强度大，摩尔吸光系数大于104L/（mol·cm），吸收峰位置为217～280nm，K吸收带的波长及强度与共轭体系的数目、位置、取代基种类有关。
④芳香族化合物为环状共轭体系，R吸收是生色团及助色团中n→π*跃迁产生的，强度较弱，E1吸收带、E2吸收带是苯环共轭体系产生的，B吸收带是π→π*跃迁和苯环振动的重叠引起的，又称精细结构吸收带，可用来辨认芳香族化合物，有取代基时，B吸收带简化。E1吸收带、E2吸收带为苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁产生的，是芳香族化合物的特征吸收，见图2-17。如苯环上有助色团如—OH、—Cl等取代，因n-π共轭，使E2吸收带向长波方向移动，但一般在210nm左右；若苯环上有生色团取代而与苯环共轭，则E2吸收带与K吸收带合并并发生红移，同时出现一个精细结构吸收带即B吸收带，常用来辨认芳香族化合物，如苯环上有取代基时，复杂的B吸收带会简单化。苯环与生色团连接时，有B和K两种吸收带，有时还有R吸收带，其中R吸收带的波长最长。二取代苯的两个取代基在对位时，λmax和εmax都比较大，而处于间位或邻位时，λmax和εmax都比较小。
图2-17 苯在乙醇溶液中的紫外吸收光谱
（4）紫外吸收光谱的应用
①定性分析 有机化合物紫外吸收光谱，反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映整个分子的特性；根据化合物吸收光谱的形状、吸收峰的数目、强度、位置进行定性分析；λmax和εmax是化合物的特性参数，可作为定性依据。
②有机化合物的构型、构象的测定 顺反异构体的判断：生色团和助色团处在同一平面上时，才产生最大的共轭效应。由于反式异构体的空间位阻效应小，分子的平面性能较好，共轭效应强。因此反式都大于顺式异构体。
例如，肉桂酸的顺、反式的吸收如下：
λmax=280nm，εmax=13500L/（mol·cm）；λmax=295nm，εmax=27000L/（mol·cm）
互变异构体的判断：某些有机化合物在溶液中可能有两种以上的互变异构体处于动态平衡中，这种异构体的互变过程常伴随有双键的移动及共轭体系的变化，因此也产生吸收光谱的变化。最常见的是某些含氧化合物的酮式与烯醇式异构体之间的互变。例如乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式两种互变异构体，它们的吸收特性不同：酮式异构体π→π*跃迁，λmax=204nm，εmax小；烯醇式异构体（双键共轭）π→π*跃迁，λmax=245nm，εmax=18000L/（mol·cm）。
两种异构体的互变平衡与溶剂有密切关系。在像水这样的极性溶剂中，由于可能与H2O形成氢键而降低能量，以达到稳定状态，所以酮式异构体占优势；而像乙烷这样的非极性溶剂中，由于形成分子内的氢键，且形成共轭体系，使能量降低以达到稳定状态，所以烯醇式异构体比率上升。
③纯度检查 如果某一化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。例如：要检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收。
2.无机化合物的紫外-可见光谱
在电磁辐射的照射下，一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其主要能级跃迁类型包括电荷转移跃迁和配位场跃迁。
（1）电荷转移跃迁
当化合物接受辐射能量时，一个电子由配体的电子轨道跃迁至金属离子的电子轨道，这种跃迁的实质是配体与金属离子之间发生分子内的氧化还原反应，Fe2+与邻二氮杂菲形成的配合物就是由于这类电子跃迁而呈现颜色。
（2）配位场跃迁
第四、第五周期的过渡金属元素和镧系、锕系元素的离子吸收光能后，低能级轨道上的d电子或f电子可以分别跃迁至高能级轨道，产生光的吸收，如 [Cu（NH3）4]2+。
思考题
一、判断题
1.CuSO4溶液呈现蓝色是由于它吸收了白光中的黄色光。（ ）
2.绿色玻璃是基于吸收了紫色光而透过了绿色光。（ ）
3.人眼能感觉到的光称为可见光，其波长范围是200～380nm。（ ）
4.高锰酸钾溶液呈现紫色是因为它吸收了绿色光。（ ）
5.符合光吸收定律的溶液适当稀释时，最大吸收波长的位置不移动。（ ）
6.有色溶液的最大吸收波长随溶液浓度的增大而增大。（ ）
7.不同浓度的高锰酸钾溶液，它们的最大吸收波长也不同。（ ）
8.根据吸收曲线可以找出被测组分的浓度。（ ）
9.当所用的试剂有色而试样无色时，选用的参比溶液是试剂参比。（ ）
二、选择题
1.1m换算成nm时为（ ）。
A.106nm
B.109nm
C.1010nm
D.1012nm
2.人眼能感觉到的光称为可见光，其波长范围是（ ）。
A.380～780nm
B.380～780μm
C.200～380nm
D.200～780nm
3.当一束白光通过紫色高锰酸钾溶液时，（ ）被溶液吸收。
A.绿色光
B.紫色光
C.黄色光
D.蓝色光
4.将黄色光和蓝色光按一定强度比例混合可得到白色光，则这两种色光的关系是（ ）。
A.可见光
B.单色光
C.互补色光
D.复合光5.硫酸铜溶液呈蓝色是由于它吸收了白光中的（ ）。
A.红色光
B.橙色光
C.黄色光
D.蓝色光
6.比色分析中某有色溶液的浓度增加时，最大吸收峰的波长（ ）。
A.向长波长方向移动
B.向短波长方向移动
C.不变，但吸光度增大
D.向长波长方向移动，且吸光度增大
7.如果显色剂或其他试剂在测定波长有吸收，此时的参比溶液应采用（ ）。
A.溶剂参比
B.试剂参比
C.试液参比
D.褪色参比
8.控制适当的吸光度范围的途径不可以是（ ）。
A.调整称样量
B.控制溶液的浓度
C.改变测量波长
D.改变定容体积
9.在分光光度法分析中，使用（ ）可以消除试剂的影响。
A.蒸馏水
B.待测标准溶液
C.试剂空白溶液
D.任何溶液
10.吸光度为（ ）时，相对误差较小。
A.吸光度越大
B.吸光度越小
C.0.2～0.8
D.任意
三、填空题
1.在以波长为横坐标，吸光度为纵坐标的不同浓度KMnO4溶液吸收曲线上可以看出（ ）未变，只是（ ）改变了。
2.各种物质都有特征的吸收曲线和最大吸收波长，这种特性可作为物质（ ）的依据；同种物质的不同浓度的溶液，任一波长处的吸光度随物质的浓度的增加而增大，这是物质（ ）的依据。
3.在分光光度分析中，一般选择（ ）作为测定波长，该波长是通过实验绘制（ ）来得到。