比尔定律

吸光度和荧光

当光照射到物质上时，它会被吸收、透射或反射。通常，一种物质与一系列波长的光相互作用，每种波长与分子或原子的相互作用都不同。一种物质可以吸收特定范围的波长，反射另一个波长范围，并透射其他波长的光。

当分子吸收光时，能量以四种不同的方式使用:（1） 平移，导致分子改变其分子速度;（2） 振动，导致分子之间的距离迅速变化;（3） 旋转，它使原子围绕分子中的键旋转;（4） 电子激发，它导致电子跃迁到更高的能级。

能量水平

1913 年，尼尔斯·玻尔 （Niels Bohr） 提出了一种氢原子模型，其中电子以固定的圆形轨道（称为静止态）围绕原子核运动。与每个轨道或静止状态相关的能量仅存在于固定的离散能量下。只有当电子移动到另一个轨道时，能量才会被吸收或发射。电子从来都不是介于两者之间的状态。只有当吸收或发射的能量等于两种能量状态之间的差值时，才会发生这种变化。

在玻尔模型中，量子数 n 表示电子的能量。当电子占据尽可能低的能量态时，据说它占据基态，即 n = 1。当电子吸收能量等于第一态和第二态之差的光子时，电子被激发并从基态转变为激发态，其中 n = 2。如果光子的能量等于第一态和第三态之间的差值，则电子跃迁到第三态，即 n = 3，依此类推。

电子可以自发地返回到基态或任何其他较低的激发态。当这种情况发生时，从激发中获得的多余能量以发射光子的形式释放。光子的能量等于两种能量状态之间的差值，对应于不同波长的光。

吸收和发射光谱

虽然大多数物质在一个波长下吸收或发射最大量的光，但它们也倾向于吸收或发射一系列波长的光。这个波长范围称为光谱。吸收光的能量使用吸收光谱进行量化和可视化，而发射光的能量使用发射光谱进行量化和可视化。

吸收和发射光谱是使用分光光度计测量的，分光光度计是一种通过样品传输光，然后测量通过样品的光的波长和强度的设备。分光光度计内部是衍射光栅或棱镜，它将入射光分离成其分量波长。然后，不同的波长通过样品传输，并将强度记录在线性电荷耦合器件 （CCD） 检测器上。CCD 是蚀刻在硅表面上的集成电路，可形成称为像素的感光元件。CCD 收集和分类衍射光，并以吸收波长将其读回。

在测量样品的吸光度时，溶质通常溶解在溶剂中，并置于称为比色皿的容器中。然后，将样品放入分光光度计内，测量透射光的强度以及光的波长，以获得吸光度光谱。正如预期的那样，透射光的强度低于分光光度计内部没有样品时的强度。

这是因为透射光被样品、比色皿和溶剂吸收。在测量样品之前，分光光度计必须用"空白"校准。空白是仅包含用于溶解溶质的溶剂的比色皿。对分光光度计进行校准，以便从样品测得的吸光度中减去比色皿和溶剂产生的总吸光度。这使我们能够记录仅归因于目标物种的吸光度。

吸光度通常在一个波长（最大吸光度波长）下测量。但是，也可以在一定波长范围内测量吸收以获得吸收光谱。为此，将样品暴露在一系列波长的入射光下，并记录每个波长的吸收情况。如果样品发光，则发射光谱的测量方式类似，只是入射波长固定在最大吸光度波长处。然后，仪器测量一系列波长的发射光强度。

比尔-兰伯定律

样品在最大吸光度波长下的吸光度提供有关样品的信息，即其浓度。比尔-朗伯定律是将透射率与样品浓度联系起来的方程。透射率或透射光的强度是穿过样品的原始光的分数 I 除以入射光的强度 I₀。

比尔-朗伯定律指出，溶液中物质的吸光度 A 与透射率的负对数有关。

比尔-朗伯定律的另一种版本指出，当波长 λ 和光程 l 保持不变时，溶液中物质的光学吸光度 A 与该物质的浓度 c 成线性比例。

摩尔衰减系数 ε 是衡量物质在给定波长下吸收光的强度的指标。摩尔衰减系数越大，吸光度越大。光程 l 是光穿过样品的距离，即比色皿的宽度。标准比色皿的光程为 1 cm。

吸光度和浓度之间的这种线性关系是一种强大的工具，用于根据吸光度确定未知样品的浓度。为此，使用已知浓度的溶质的梯度生成标准曲线。针对每个浓度测量峰值吸光度波长 λ_max 处的吸光度。

通过绘制浓度与吸光度的关系图，可以观察到对应于 Beer-Lambert 方程的线性关系。这条线的斜率等于光程和摩尔衰减系数的乘积。使用这个计算的线性函数，如果未知样品的吸光度已知，则可以轻松确定浓度。

如果被分析的样品是平衡反应，则比尔定律可用于确定产物或反应物的平衡浓度（如果吸光度测量为特定于该产物或反应物的 λ_max）。一旦知道浓度，就可以确定剩余反应物和产物的平衡浓度，然后求解平衡常数 K_eq。

引用

1. Kotz， J.C.， Treichel Jr， P.M.， Townsend， J.R. （2012）.化学和化学反应性。加利福尼亚州贝尔蒙特:Brooks/Cole，圣智学习。
2. Silderberg， M.S. （2009）.化学:物质和变化的分子性质。马萨诸塞州波士顿:波士顿麦格劳希尔。
3. 哈里斯，哥伦比亚特区（2015 年）。定量化学分析。纽约州纽约市:W.H. Freeman and Company。

许多化学反应沿两个方向进行，即正向和反向。随着时间的推移，正向和反向反应将以相同的速率发生，反应物和产物的浓度将不再变化。这被称为化学平衡。

在化学平衡时，每种组分的浓度通过平衡常数 K 相互关联，平衡常数 K 是产物浓度与反应物浓度的比值，每个浓度都提高到其化学计量系数的幂。

但是如何确定平衡浓度呢？一种方法是测量产品在通过样品之前和之后吸收的光波长的强度。强度差异称为吸光度，它对应于样品中吸收化合物的量。

您可能还记得电子主要占据基态。当它们吸收一定量的能量时，它们会被激发到更高的能量水平。该能量对应于特定波长的光。您可以找到此波长并使用分光光度计测量吸光度，分光光度计将光束引导穿过样品并测量一个或多个波长的强度变化。

吸光度等于衰减光强度与入射光强度之比的负对数。通过绘制具有不同已知产物浓度的多种溶液的吸光度值，我们观察到吸光度和浓度之间的线性关系。这是比尔定律的一个例子。

比尔定律由此方程在数学上表示，其中 A 是吸光度，ε 是摩尔衰减系数，一个因每种化合物而异的常数，l 是光通过样品的路径长度，c 是化合物的浓度。

通过确定给定化合物在特定波长和光程上的线性函数，您可以使用溶液在平衡状态下的吸光度数据来确定产物的平衡浓度。从那里，您可以计算反应物的平衡浓度并求解平衡常数。在本实验中，您将制备异硫氰酸铁 （III） 溶液，并使用分光光度计测定其在不同浓度下的吸光度。