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一、实验预习
1. 实验目的
- 了解UV-3150型紫外可见分光光度计的构造、性能及使用方法。
- 学会分析光度法制作标准曲线的方法。
- 掌握紫外可见分光光度法测定物质含量的实验技术。
2. 实验原理
（1）仪器构造
紫外可见分光光度计由以下部分组成：
- 光源：提供足够强的连续光谱，要求稳定性好、寿命长、辐射能量随波长无明显变化。常用热辐射光源（可见区）和气体放电光源（紫外区）。
- 单色器：将光源发出的复合光变成所需波长的单色光，通常由入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝构成。
- 吸收池：盛放试液。石英池适用于紫外—可见区，玻璃池仅用于可见区。
- 检测器：最常用光电倍增管，在紫外—可见区灵敏度高、响应快。
- 数据处理系统：计算机采集、记录和分析光谱数据。
（2）分析原理——朗伯比尔定律
紫外可见吸收光谱是分子中某些基团吸收特定波长的紫外—可见辐射后，发生电子能级跃迁而产生的带状光谱。物质对特定波长光的吸收程度与溶液浓度之间满足朗伯比尔定律：
$$A = \varepsilon b c$$
式中 $A$ 为吸光度，$\varepsilon$ 为摩尔吸光系数（L·mol⁻¹·cm⁻¹），$b$ 为光程长度（吸收池厚度，cm），$c$ 为溶液浓度（mol/L）。在固定光程长度 $b$ 下，吸光度 $A$ 与浓度 $c$ 成正比，这是定量分析的依据。
（3）标准曲线法
配制一系列已知浓度的标准溶液，在最大吸收波长处测定各溶液的吸光度 $A$，以 $A$ 对 $c$ 作图，拟合得到标准曲线（线性方程）。然后测定待测样品的吸光度，代入标准方程即可求得未知浓度。
3. 实验内容
- 配制苯酚标准溶液系列（浓度分别为0、10、20、30、40、60 ppm）。
- 测定各标准溶液的紫外可见吸收光谱，确定最大吸收波长（苯酚约270nm）。
- 在最大吸收波长处测定各标准溶液的吸光度，绘制 $A$-$c$ 标准曲线，拟合线性方程。
- 测定待测苯酚样品的吸光度，由标准方程计算其浓度。
二、实验过程
1. 实验装置
UV-3150型紫外可见分光光度计；容量瓶、比色管、移液管；苯酚标准样品及待测样品；石英吸收池。
2. 实验步骤
- 打开仪器及计算机，进入软件操作程序，待仪器自检结束（光源稳定、波长归零）后开始操作。
- 设定光谱测定条件：扫描波长范围200～400nm，扫描速度适中，以纯水为参比，测定各标准溶液的吸收光谱，确认最大吸收峰位置。
- 选取最大吸收波长（约270nm），依次将各浓度标准溶液置于吸收池，测定吸光度 $A$，记录数据。
- 将待测样品置于吸收池，在同一波长下测定吸光度，重复测量3次取平均值。
- 测定结束，用纯水清洗吸收池，关闭仪器，整理实验器材。
三、数据整理
浓度系列
初始溶液：3 mg KMnO₄ / 100 mL → 浓度 $c_0 = 30\ \text{ppm}$（mg/L）
每次取50mL加50mL蒸馏水，每步浓度减半：
| 编号 | 取液来源 | 浓度（ppm） |
|---|---|---|
| 原液 | — | 30.000 |
| 稀释① | 原液50mL+水50mL | 15.000 |
| 稀释② | ①取50mL+水50mL | 7.500 |
| 稀释③ | ②取50mL+水50mL | 3.750 |
| 稀释④ | ③取50mL+水50mL | 1.875 |
全谱扫描数据（原液）
| λ（nm） | Abs | %T |
|---|---|---|
| 300 | 1.046 | 9.0% |
| 350 | 0.229 | 59.0% |
| 400 | 0.033 | 92.7% |
| 450 | 0.042 | 90.7% |
| 520 | 0.254 | 55.7% |
| 550 | 0.396 | 40.2% |
| 600 | 0.047 | 89.7% |
| 650 | 0.030 | 93.3% |
| 700 | 0.014 | 96.9% |
500\~550 nm 精细扫描（原液，30 ppm）
| λ（nm） | Abs | %T |
|---|---|---|
| 500 | 0.286 | 51.7% |
| 505 | 0.334 | 46.4% |
| 510 | 0.369 | 44.8% |
| 515 | 0.356 | 44.0% |
| 520 | 0.395 | 40.2% |
| 525 | 0.448 | 35.7% ← 最大值 |
| 530 | 0.442 | 36.1% |
| 535 | 0.400 | 37.8% |
| 540 | 0.397 | 40.1% |
| 545 | 0.431 | 37.1% ← 第二峰 |
| 550 | 0.418 | 36.2% |
稀释系列数据（520\~535 nm）
表：各浓度下的吸光度
| λ（nm） | 30 ppm（原液） | 15 ppm（①） | 7.5 ppm（②） | 3.75 ppm（③） | 1.875 ppm（④） |
|---|---|---|---|---|---|
| 520 | 0.395 | 0.207 | 0.109 | 0.073 | 0.061 |
| 525 | 0.448 | 0.235 | 0.122 | 0.080 | 0.064 |
| 530 | 0.442 | 0.234 | 0.121 | 0.081 | 0.064 |
| 535 | 0.400 | 0.210 | 0.111 | 0.077 | 0.059 |
数据核验（以525nm为例）：$A = -\log(T\%)$，
①: $-\log(0.581)=0.236\approx0.235$ ✓；
②: $-\log(0.755)=0.122$ ✓；
③: $-\log(0.832)=0.080$ ✓；
④: $-\log(0.862)=0.064$ ✓
四、吸收光谱分析
KMnO₄ 特征峰的物理解释
KMnO₄ 在可见光区呈现双峰结构，来自 MnO₄⁻ 中 $d$-$d$ 跃迁伴随 Mn—O 伸缩振动的振动精细结构（vibronic progression）：
| 峰位 | 本实验测量 | 文献值 | 归属 |
|---|---|---|---|
| 第一峰 | 525 nm（0.448 Abs） | ~526 nm | MnO₄⁻ 主吸收峰 |
| 第二峰 | 545 nm（0.431 Abs） | ~546 nm | 同一电子跃迁的振动序列 |
| 间隔 | 20 nm ≈ 700 cm⁻¹ | 700 cm⁻¹ | 对应 Mn—O 伸缩振动频率 |
| UV强吸收 | 300 nm（1.046 Abs） | ~310 nm | 配体→金属电荷迁移跃迁 |
| 近乎透明区 | 400\~450 nm（~0.04 Abs） | — | 近乎透明，溶液呈紫色（透过红+蓝） |
五、朗伯比尔定律验证（525 nm）
表：吸光度与浓度的线性关系
| $c$（ppm） | $A$（测量） | $A$（理论，以30ppm为基准） | $A/c$（molar比例系数） | 偏差 |
|---|---|---|---|---|
| 30.000 | 0.448 | 0.448（基准） | 0.01493 | — |
| 15.000 | 0.235 | 0.224 | 0.01567 | +4.9% |
| 7.500 | 0.122 | 0.112 | 0.01627 | +8.9% |
| 3.750 | 0.080 | 0.056 | 0.02133 | +42.9% |
| 1.875 | 0.064 | 0.028 | 0.03413 | +129% |
线性拟合（最小二乘法，5个数据点）：
$$A = 0.01388 \cdot c + 0.0286 \quad (R^2 \approx 0.987)$$
拟合得到非零截距 $b = 0.029$，说明仪器存在系统性基线偏移。
六、误差来源分析
（1）基线偏移（主要原因）
全谱扫描显示，在KMnO₄不吸收的波长处仍有非零读数：
- 400 nm: 0.033 Abs
- 600 nm: 0.047 Abs
- 700 nm: 0.014 Abs
这些波段KMnO₄几乎不吸收，但仍显示约 0.01\~0.05 Abs 的本底，说明参比调零未完全消除背景，导致低浓度时相对误差大。
若从525nm数据中减去约0.029的基线后重新验证：
| $c$（ppm） | $A$（校正） | $A/c$ |
|---|---|---|
| 30.000 | 0.419 | 0.01397 |
| 15.000 | 0.206 | 0.01373 |
| 7.500 | 0.093 | 0.01240 |
| 3.750 | 0.051 | 0.01360 |
| 1.875 | 0.035 | 0.01867 |
校正后线性明显改善，但3.75和1.875 ppm仍有偏差，这是低吸光度区信噪比不足所致。
（2）摩尔吸光系数估算
以30 ppm, 525 nm 为参考：
$$c_{mol} = \frac{30\times10^{-3}\ \text{g/L}}{158.03\ \text{g/mol}} = 1.899\times10^{-4}\ \text{mol/L}$$
$$\varepsilon = \frac{A}{b \cdot c} = \frac{0.448}{1\times1.899\times10^{-4}} \approx 2359\ \text{L/(mol·cm)}$$
文献值KMnO₄在526nm处 $\varepsilon \approx 2000\text{-}2500\ \text{L/(mol·cm)}$，与本次测量吻合良好，说明30ppm数据可信。
六、结论
| 项目 | 结果 |
|---|---|
| 最大吸收波长 | 525 nm（与文献526 nm一致） |
| 线性范围 | 7.5\~30 ppm（偏差<10%） |
| 低浓度偏差原因 | 仪器基线偏移（约0.03 Abs）在低Abs测量时影响显著 |
| 摩尔吸光系数 | $\varepsilon \approx 2359\ \text{L/(mol·cm)}$（与文献吻合） |
| Beer-Lambert定律适用范围建议 | $A > 0.1$（即$c > 7$ppm）时线性较好；$A < 0.05$ 时误差明显 |
作者：GARFIELDTOM
邮箱：coolerxde@gt.ac.cn