一. Lambert-Beer 定律——光吸收基本定律
“ Lambert-Beer 定律 ” 是說明物質對單色光吸收的強弱與吸光物質的濃度(c)和 液層厚度 (b)間的關系的定律,是光吸收的基本定律,是紫外-可見光度法定量的基礎。
Lambert定律 —— 吸收與液層厚度 (b)間的關系
Beer 定律 —— 吸收與物質的濃度(c)間的關系
“ Lambert-Beer 定律 ”可簡述如下:
當一束平行的單色光通過含有均勻的吸光物質的吸收池(或氣體、固體)時,光的一部分被溶液吸收,一部分透過溶液,一部分被吸收池表面反射;
設:入射光強度為 I0,吸收光強度為Ia,透過光強度為It,反射光強度為Ir,則它們之間的關系應為:
I0 = Ia + It + Ir (4)
若 吸收池的質量和厚度都相同,則 Ir 基本不變,在具體測定操作時 Ir 的影響可互相抵消(與吸光物質的 c及 b 無關)
上式可簡化為: I0 = Ia + It (5)
實驗證明:當一束強度為 I0 的單色光通過濃度為 c、液層厚度為 b 的溶液時,一部分光被溶液中的吸光物質吸收后透過光的強度為 It ,則 它們之間的關系為:
稱為透光率,用 T % 表示。
稱為 吸光度,用 A 表示
則 A = -lgT = K · b ·c (7)
此即 Lambert-Beer 定律 數學表達式。
L-B 定律 可表述為:當一束平行的單色光通過溶液時,溶液的吸光度 (A) 與溶液的濃度 (C) 和厚度 (b) 的乘積成正比。它是分光光度法定量分析的依據。
二. 吸光度的加和性
設 某一波長( l )的輻射通過幾個相同厚度的不同溶液c1,c2⋯⋯ cn,其透射光強度分別為 I1, I2 ⋯⋯ In,根據吸光度定義:這一吸光體系的總吸光度為
而 各溶液的吸光度分別為:
(8)
吸光度的和為: (9)
即 幾個(同厚度)溶液的吸光度等于各分層吸光度之和。
如果溶液中同時含有 n 中吸光物質,只要各組分之間無相互作用(不因共存而改變本身的吸光特性),則:
A = K1C1 b1 + K2C2 b2 + ⋯⋯ KnCn bn = A1 + A2+ ⋯⋯ + An (10)
應用:①進行光度分析時,試劑或溶劑有吸收,則可由所測的總吸光度 A 中扣除,即 以試劑或溶劑為空白的依據;
②測定多組分混合物;
③校正干擾。
三. 吸光系數
Lambert-Beer 定律中的比例系數“K ”的物理意義是:吸光物質在單位濃度、單位厚度時的吸光度。
一定條件(T、 l 及溶劑)下, K 是物質的特征常數,是定性的依據。
K 在標準曲線上為斜率,是定量的依據。常有兩種表示方法:
1. 摩爾吸光系數(e):當 c用 mol/L 、b 用 cm 為單位時,用摩爾吸光系數 e 表示,單位為 L/mol·cm
A = e · b · c (11)
e 與 b及 c 無關。 e 一般不超過 105 數量級,通常: e > 104 為強吸收; e < 102 為弱吸收; 102 > e > 104 為中強吸收。
吸收系數不可能直接用 1 mol/L 濃度的吸光物質測量,一般是由較稀溶液的吸光系數換算得到。
2. 吸光系數
當 c 用 g /L ,b 用 cm 為單位時,K 用吸光系數 a 表示,單位為 L/g·cm
A = a · b · c (12)
e 與 a 之間的關系為: e = M · a (13)
e ——通常多用于研究分子結構
a ——多用于測定含量。
四. 引起偏離 Lambert-Beer 定律的因素
根據 L-B 定律,A與c的關系應是一條通過原點的直線,稱為“標準曲線”。但事實上往往容易發生偏離直線的現象而引起誤差,尤其是在高濃度時。導致偏離L-B定律的因素主要有:
1. 吸收定律本身的局限性
事實上, L-B 定律是一個有限的定律,只有在稀溶液中才能成立。由于在高濃度時(通常 C > 0.01mol/L),吸收質點之間的平均距離縮小到一定程度,鄰近質點彼此的電荷分布都會相互受到影響,此影響能改變它們對特定輻射的吸收能力,相互影響程度取決于C,因此,此現象可導致 A與 C 線性關系發生偏差。
此外, ( n 為折射率)
只有當 c £ 0.01mol/L(低濃度)時,n 基本不變,才能用e 代替e真 。
2. 化學因素
溶液中的溶質可因 c 的改變而有離解、締合、配位以及與溶劑間的作用等原因而發生偏離 L-B 定律的現象。
例:在水溶液中,Cr(Ⅵ)的兩種離子存在如下平衡
Cr2O42- + H2O ⇌ 2CrO42- + 2H+
Cr2O42- 、CrO42- 有不同的 A 值,溶液的 A 值是二種離子的 A 之和。但由于隨著濃度的改變(稀釋)或改變溶液的 pH 值, [Cr2O42- ] /[CrO42-] 會發生變化,使C總與 A總 的關系偏離直線。
消除方法:控制條件。
3. 儀器因素(非單色光的影響)
L-B 定律的重要前提是“單色光”,即 只有一種波長的光;實際上,真正的單色光卻難以得到。由于吸光物質對不同 l 的光的吸收能力不同( e 不同),就導致對的偏離。“單色光”僅是一種理想情況,即使用棱鏡或光柵等所得到的“單色光”實際上是有一定波長范圍的光譜帶,“單色光”的純度與狹逢寬度有關,狹縫越窄,他所包含的波長范圍也越窄。
4. 其它光學因素
(1)散射和反射:渾濁溶液由于散射光和反射光而偏離 L-B
(2)非平行光