第二章紫外-可见分光光度法

1、第二章第二章 紫外紫外- -可见分光光度法可见分光光度法 紫外紫外- -可见分光光度法属于分子吸收光谱法，可见分光光度法属于分子吸收光谱法，主要产生于价电子在电子能级间的跃迁，广泛用主要产生于价电子在电子能级间的跃迁，广泛用于无机和有机物的定性和定量测定。于无机和有机物的定性和定量测定。 该方法灵敏度高，选择性好，仪器设备价格适该方法灵敏度高，选择性好，仪器设备价格适中。在分析化学领域中是一种较受欢迎的方法。中。在分析化学领域中是一种较受欢迎的方法。 在介绍分子吸收光谱法之前，先了解一下在介绍分子吸收光谱法之前，先了解一下电磁电磁辐射的性质。辐射的性质。2-1 2-1 电磁辐射的性质电磁辐射的

2、性质 电磁辐射包括无线电波、微波、红外、紫外电磁辐射包括无线电波、微波、红外、紫外及及X X射线和射线和 射线等形式。其在真空中的传播速度射线等形式。其在真空中的传播速度等于光速：等于光速： c=c= =3=3 101010 10 cm/scm/s由光学知识可知，电磁辐射具有波微两重性。由光学知识可知，电磁辐射具有波微两重性。 一一. . 波动性波动性 光的波动性可用以下的波光的波动性可用以下的波动性动性参数来描述。参数来描述。1.1.周期周期T T 相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所 需要的时间间隔称为周期。单位为需要的时间间隔称为周期。单位为s s

3、。2.2.频率频率 单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波 谷的数目。即单位时间内电磁场振动的次数，称谷的数目。即单位时间内电磁场振动的次数，称为频率，其值等于为频率，其值等于T T的倒数，单位为的倒数，单位为HzHz。 3.3.波长波长 相邻两个波峰或波谷间的直线距离。不同电磁相邻两个波峰或波谷间的直线距离。不同电磁波谱区可采用不同的单位。用波谱区可采用不同的单位。用cmcm、 m m和和nmnm表示。表示。4.4.波数波数 波长波长 的倒数，即每的倒数，即每cmcm长度内含有波长的数目，长度内含有波长的数目，单位单位cmcm-1-1。5.5.传播速

4、度传播速度c c c= c= 单位：单位：cm/scm/s二二. .微粒性微粒性 光的微粒性特征为：光由光子组成，而光子光的微粒性特征为：光由光子组成，而光子具有能量，其能量与波长之间的关系为：具有能量，其能量与波长之间的关系为： E=h E=h =hc/=hc/ h h普朗克常数普朗克常数 6.626 6.6261010-34-34JsJs由上式可知，不同波长的光具有不同的能量，由上式可知，不同波长的光具有不同的能量，波长愈长，光的能量愈低；反之，则愈高。波长愈长，光的能量愈低；反之，则愈高。2-2 2-2 分子光谱概述分子光谱概述 如果某分子吸收了光辐射的能量，其外层如果某分子吸收了光辐射

5、的能量，其外层电子可从较低能级跃迁至较高能级，但由于分电子可从较低能级跃迁至较高能级，但由于分子内部运动的能级变化较复杂，所以分子吸收子内部运动的能级变化较复杂，所以分子吸收光谱相对也较复杂。光谱相对也较复杂。 在分子内部除了在分子内部除了电电子运动子运动外，还存在核间外，还存在核间的相对运动，即的相对运动，即核的振核的振动动和和分子绕着重心的转分子绕着重心的转动动。如图所示：。如图所示： A A、B B表示不同能量的电表示不同能量的电子能级；在每个电子能级子能级；在每个电子能级中因振动能量不同而分为中因振动能量不同而分为若干个振动能级；在同一若干个振动能级；在同一电子能级和同一振动能级电子能

6、级和同一振动能级中，因转动能量不同而分中，因转动能量不同而分为若干个转动能级。为若干个转动能级。 若用若用 E E电电、 E E振振、 E E转转分别表示三个能级，分别表示三个能级，则三者的关系为：则三者的关系为： E E电电 E E振振 E E转转。 E E电电约为约为1 120ev20ev， E E振振在在0.050.051 1evev之间，之间， E E转转一一般小于般小于0.050.05evev，由此可算出相应的波长分别为：，由此可算出相应的波长分别为： E E电电60601250nm1250nm， E E振振、 E E转转5050 m m1.25cm1.25cm。 在电子能级发生变化

7、时，往往不可避免地在电子能级发生变化时，往往不可避免地伴随着分子的振动和转动能级的变化。因此分伴随着分子的振动和转动能级的变化。因此分子光谱通常比原子光谱复杂。子光谱通常比原子光谱复杂。 所以前者的吸收光谱基本位于紫外或可见所以前者的吸收光谱基本位于紫外或可见光区内；后者的吸收光谱则属于红外和远红外光区内；后者的吸收光谱则属于红外和远红外区。而分子的总能量区。而分子的总能量 E E = =E E电电+E+E振振+E+E转转。 由分子光谱可知由分子光谱可知: : 如果用红外光去激发分子，则不足以引起电如果用红外光去激发分子，则不足以引起电子能级的跃迁，而只能引起分子的振动和转动子能级的跃迁，而只

8、能引起分子的振动和转动能级的跃迁；能级的跃迁；各种物质的分子对红外光的吸收各种物质的分子对红外光的吸收与其分子结构密切相关，因此红外吸收光谱可与其分子结构密切相关，因此红外吸收光谱可应用于分子结构的研究。应用于分子结构的研究。 物质对不同波长的光具有不同的吸收能力，物质对不同波长的光具有不同的吸收能力，物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子物质也只能选择性地吸收那些能量相当于该分子内部三种能量总合内部三种能量总合( (E E电电+E+E振振+E+E转转) )的辐射光。的辐射光。由于每种物质分子内部结构的不同，它们的能级由于每种物质分子内部结构的不同，它们的能级千差万别，如此就决定了它们对不

9、同波长光线的千差万别，如此就决定了它们对不同波长光线的选择性吸收。选择性吸收。2-3 Lamber-Beer2-3 Lamber-Beer定律定律一一. .吸光度和透光度吸光度和透光度 当一束平行光通过均匀的液体当一束平行光通过均匀的液体时，光的一部分被吸收，一部分时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被器皿反射。透过溶液，一部分被器皿反射。设入射光强度为设入射光强度为I I0 0，吸收光强度为，吸收光强度为I Ia a，透射光强，透射光强度为度为I It t，反射光强度为，反射光强度为I Ir r，则，则I I0 0=I=Ia a+I+It t+I+Ir r。 在分析时，一般在仪器中放

10、两个相同材料和在分析时，一般在仪器中放两个相同材料和厚度的器皿分别盛装厚度的器皿分别盛装待测液待测液和和参比液参比液，使强度，使强度为为I I0 0的的单色光单色光分别通过两分别通过两器皿，然后再测量透器皿，然后再测量透射光强度，如此可抵消反射光的影响。射光强度，如此可抵消反射光的影响。 什么叫什么叫透光度透光度？即透射光的强度？即透射光的强度(I(It t) )与入射光与入射光的强度的强度(I(I0 0) )之比称为之比称为透光度透光度或透射比。用或透射比。用T T表示：表示： T= T= I It t/I/I0 0不难理解，溶液的透光度不难理解，溶液的透光度 ，它对光的吸收，它对光的吸收

11、； 反之，则吸收反之，则吸收 。一般一般用用吸光度吸光度A A来表示物质对光的吸收程度。其来表示物质对光的吸收程度。其定义为：定义为： A=lg(1/T)=lg(A=lg(1/T)=lg(I I0 0/I/It t) ) 实际应用中，实际应用中，T T以百分率表示。以百分率表示。二二. . Lamber-BeerLamber-Beer定律定律 该定律是光吸收基本定律，也是分光光度该定律是光吸收基本定律，也是分光光度分析法的依据和基础。分析法的依据和基础。 Lamber-Beer Lamber-Beer定律指出，定律指出，当入射光波长一定当入射光波长一定时，溶液的吸光度时，溶液的吸光度A A是待

12、测物质浓度是待测物质浓度c c和液层厚和液层厚度度b b的函数。的函数。LamberLamber和和BeerBeer分别于分别于17601760年和年和18521852年研究了年研究了吸吸光度与液层厚度光度与液层厚度、溶液浓度之间的定量关系。、溶液浓度之间的定量关系。 Lamber Lamber定律指出，当定律指出，当用一定波长的单色光用一定波长的单色光照照射某一固定浓度的溶液时，其吸光度与光透过的射某一固定浓度的溶液时，其吸光度与光透过的液层厚度成正比。数学表达式为：液层厚度成正比。数学表达式为：A=kA=k b b 式中式中k k 为比例常数，为比例常数，b b为液层厚度。为液层厚度。 B

13、eer Beer定律指出，当定律指出，当用一定波长的单色光用一定波长的单色光照射照射厚度一定的均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓厚度一定的均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓度成正比。数学表达式为：度成正比。数学表达式为：A=kA=k c c 式中式中k k 为比为比例常数，例常数，c c为溶液浓度。为溶液浓度。 当溶液浓度当溶液浓度(c)(c)和液层厚度和液层厚度(b)(b)均可变时，它均可变时，它们都会影响吸光度们都会影响吸光度(A)(A)的数值。合并的数值。合并L L和和B B两式，两式，即得到即得到L-BL-B定律：定律： A=kbcA=kbc L-B L-B定律的推导：据量子化理论，光是由光子

14、定律的推导：据量子化理论，光是由光子组成，其能量组成，其能量 E=hE=h 。 吸收过程就是光子被吸光质点吸收过程就是光子被吸光质点( (分子或离子分子或离子) )所俘获，结果使吸光质点能量增加而处于激发态；所俘获，结果使吸光质点能量增加而处于激发态；它们俘获光子的几率与其面积有关。它们俘获光子的几率与其面积有关。 如图所示，假设有一束强度为如图所示，假设有一束强度为I I0 0的单色平行的单色平行光，垂直通过一横面积为光，垂直通过一横面积为s s的均匀介质。的均匀介质。当光强度为当光强度为I Ix x的单色光通过的单色光通过吸收层吸收层(db)(db)后，光强度减弱后，光强度减弱了了dIdI

15、x x，则厚度为，则厚度为dbdb的吸收的吸收层对光的吸收率为层对光的吸收率为-dI-dIx x/I/Ix x，另一方面，由于另一方面，由于dbdb为无限小，所以截面积上所有为无限小，所以截面积上所有吸光质点所占的面积之和吸光质点所占的面积之和(ds)(ds)与横截面积与横截面积(s)(s)之之比比(ds/s)(ds/s)可视为该截面积上光子被吸收的几率，可视为该截面积上光子被吸收的几率，即：即：-dI-dIx x/I/Ix x=ds/s=ds/s 如果如果进一步进一步在吸收介质里含有在吸收介质里含有m m种吸光质点，种吸光质点，且它们之间没有相互作用，设且它们之间没有相互作用，设a ai i

16、为第为第i i种吸光质种吸光质点对特定光子的吸收面积，点对特定光子的吸收面积，dndni i为为dsds中第中第i i种吸光种吸光质点的数目，则：质点的数目，则： 代入上式，得到代入上式，得到: 当光束通过厚度为当光束通过厚度为b b的吸收层时，对上式两的吸收层时，对上式两边积分，得到：边积分，得到：1=miiidsadn11=mXiiXidIdsa dnIss11lnm0iitiIa nIs 根据前述的吸光度根据前述的吸光度A=lgIA=lgI0 0/I/It t定义，可得到定义，可得到: 将式子中截面积将式子中截面积s s用均匀介质的体积用均匀介质的体积V V和光程和光程b b来表示，即：

17、来表示，即：s=V/bs=V/b 代入上式，代入上式， N NA A为为AvogadroAvogadro常数；常数；n ni i/(N/(NA AV)V)即为第即为第i i种质点种质点在均匀介质中的浓度在均匀介质中的浓度(c(ci i) )；将；将0.4343N0.4343NA Aa ai i合并为合并为常数常数k k，则：则：10.4343=miiiAans1=miiiAk b c 11= 0.43430.4343mmiiiiAiAiNbnAanabNVV 该公式表明：该公式表明：总吸光度等于吸收介质内各吸总吸光度等于吸收介质内各吸光物质的吸光度之和。即吸光度具有加和性。光物质的吸光度之和。

18、即吸光度具有加和性。这是进行多组分光度分析的理论基础。这是进行多组分光度分析的理论基础。如果吸如果吸收介质内只有一种吸光物质时，公式可简化为收介质内只有一种吸光物质时，公式可简化为: A=kbcA=kbc1.1.质量吸收系数质量吸收系数从从L-BL-B定律的表达式中可知，定律的表达式中可知，k k值随值随c c、b b所取的所取的单位不同而不同。当单位不同而不同。当c c以以gLgL-1-1为单位，为单位，b b以以cmcm为单位时，为单位时，k k可用可用a a来表示，称为质量来表示，称为质量吸光系数吸光系数，三三. .比例常数的表示形式比例常数的表示形式2.2.摩尔吸收系数摩尔吸收系数 如

19、果如果c c以以moLmoL L L-1-1为单位，为单位，b b以以cmcm为单位，此时为单位，此时k k称为称为摩尔吸收系数摩尔吸收系数，用符号，用符号 表示。单位：表示。单位：L LmoLmoL-1-1cmcm-1-1。 的物理意义是：浓度为的物理意义是：浓度为1moL1moLL L-1-1，厚度为厚度为1cm1cm的溶液，在一定波长下测得的吸光度的溶液，在一定波长下测得的吸光度大小。此时大小。此时, A=, A= bcbc。其单位为其单位为L L g g-1-1 cmcm-1-1。此时，。此时， A=abcA=abc。四四. .光谱曲线的表示方法光谱曲线的表示方法 将不同波长的光依次通

20、过被分析的溶液，分将不同波长的光依次通过被分析的溶液，分别测定不同波长下的吸光度或透光度。别测定不同波长下的吸光度或透光度。以波长为以波长为横坐标，吸光度或透光度为纵坐标作图横坐标，吸光度或透光度为纵坐标作图，得到的，得到的谱图称为该物质的谱图称为该物质的吸收曲线吸收曲线或或透光曲线透光曲线。 在紫外在紫外- -可见光谱法中，纵坐标的参数除了可见光谱法中，纵坐标的参数除了用用T%T%、A A表示外，还可用表示外，还可用 、lglg 。 曲线中具有曲线中具有最大吸收值的波长，称为最大吸收波长，一般最大吸收值的波长，称为最大吸收波长，一般用用 maxmax表示，表示，P.12.P.12.图图2-3

21、2-3。 吸收曲线描述了物质对不同波长光的吸收能吸收曲线描述了物质对不同波长光的吸收能力大小，反映了物质分子能级的变化。所以吸力大小，反映了物质分子能级的变化。所以吸收曲线形状和收曲线形状和 maxmax的位置以及吸收强度等与分子的位置以及吸收强度等与分子的结构密切相关。因此，的结构密切相关。因此，利用吸收曲线可以对利用吸收曲线可以对物质进行定性分析；而在某一波长下测得的吸物质进行定性分析；而在某一波长下测得的吸光度与物质浓度的工作曲线光度与物质浓度的工作曲线(A(AC C曲线曲线) )可对物质可对物质进行定量分析。进行定量分析。 为了提高测定的灵敏度，波长往往选择在为了提高测定的灵敏度，波长

22、往往选择在 maxmax处进行。处进行。五五. .光吸收定律发生偏离的原因光吸收定律发生偏离的原因1.1.吸光度吸光度A A的测量的测量 在光度分析中，测量在光度分析中，测量A A的工的工作是先配置一系列浓度不同的作是先配置一系列浓度不同的标准溶液；用标准溶液；用容量瓶容量瓶或或比色管比色管来来配置，如图。配置，如图。根据根据L-BL-B定律定律 A=A= bcbc，b b即为即为比比色皿色皿的厚度，如果实验中使用的厚度，如果实验中使用相同材料和厚度的比色皿，相同材料和厚度的比色皿，b b可视为常数。可视为常数。以测得的以测得的A A为纵坐标，对应的溶液浓度为纵坐标，对应的溶液浓度c c为横坐

23、标，为横坐标，将测得的数据作图，所得的曲线称将测得的数据作图，所得的曲线称工作曲线工作曲线。( (或称或称标准曲线标准曲线，理论上应为一条直线。，理论上应为一条直线。) )但在实际工作中，经常发现该但在实际工作中，经常发现该曲线会不成直线，且不过原点曲线会不成直线，且不过原点；特别当吸光物质的浓度比较；特别当吸光物质的浓度比较高时，曲线有明显地偏离直线高时，曲线有明显地偏离直线现象。现象。 关于曲线不过原点的原因关于曲线不过原点的原因 在测定过程中，溶液中除了吸光物质吸收在测定过程中，溶液中除了吸光物质吸收入射光以外，含有的其它试剂或离子也可能吸收入射光以外，含有的其它试剂或离子也可能吸收入射

24、光；另外，在测定过程中，部分光被器皿表入射光；另外，在测定过程中，部分光被器皿表面反射而会造成损失。面反射而会造成损失。 克服的方法通常将试液和空白液分别置于相克服的方法通常将试液和空白液分别置于相同材料和厚度的比色皿中，此空白液即称为同材料和厚度的比色皿中，此空白液即称为参比参比溶液溶液。调节仪器，使。调节仪器，使参比溶液的参比溶液的A=0A=0，然后再测，然后再测定其它溶液的定其它溶液的A A值。值。 一般通常使用一般通常使用纯溶剂纯溶剂作参比液作参比液( (即即C C0 0溶液溶液) )。 使用了参比液后，实际上是以通过参比液的光强使用了参比液后，实际上是以通过参比液的光强度作为测定的入

25、射光强度，如此测得的吸光度能度作为测定的入射光强度，如此测得的吸光度能比较真实地反映待测物的浓度。比较真实地反映待测物的浓度。(1)(1)由非单色光引起的偏离由非单色光引起的偏离2.2.偏离比耳定律的原偏离比耳定律的原因因 L-B L-B定律适用于单色光。但由于仪器中单色器定律适用于单色光。但由于仪器中单色器的色散能力及出口狭缝的宽度等，各种分光光度的色散能力及出口狭缝的宽度等，各种分光光度计得到的入射光实际上都是某一波段的复合光。计得到的入射光实际上都是某一波段的复合光。由于物质对不同波长光的吸收由于物质对不同波长光的吸收程度不同，结果导致曲线负偏程度不同，结果导致曲线负偏离。离。 设一束入

26、射光为含有两个设一束入射光为含有两个波长波长 maxmax、 的复合光的复合光, ,两个波两个波长对应的入射光强度分别为长对应的入射光强度分别为I I0 0和和I I0 0 ，透过光强度为，透过光强度为I It t和和I It t , ,总入射光强度总入射光强度I I0 0总总=I=I0 0+I+I0 0 ；总；总透过光强度透过光强度I It t总总=I=It t+I+It t ； A A实实=lg(I=lg(I0 0+I+I0 0 )/(I)/(It t+I+It t ) ) =lg(I =lg(It t1010 bcbc+ +I It t 1010 bcbc)/(I)/(It t+I+It

27、 t ) ) =lg10 =lg10 bcbcIIt t+I+It t 1010( ( - - ) )bcbc/(I/(It t+I+It t ) ) = = bc+bc+lgIlgIt t+I+It t 1010( ( - - ) )bcbc/(I/(It t+I+It t )=A)=A理理+ + A A 由于由于，所以，所以 A A为负值；为负值；A A实实 A A理理，产生负，产生负偏。偏。 与与 的差值及浓度的差值及浓度C C愈大，则负值愈大，则负值 A A愈大愈大, ,对对光吸收定律的偏离程度就愈严重。光吸收定律的偏离程度就愈严重。实际测得的吸光度为：实际测得的吸光度为：降低由于单色

28、光不纯造成负偏的方法：降低由于单色光不纯造成负偏的方法： 选择吸收曲线的选择吸收曲线的 maxmax作入射光波长。因为吸收作入射光波长。因为吸收曲线峰值顶部曲线较平坦，入射光谱带内各波长曲线峰值顶部曲线较平坦，入射光谱带内各波长的的 值相近。值相近。选择选择 maxmax，偏离光吸收定律较小。，偏离光吸收定律较小。 只有当干扰物质存在并对待测物质的只有当干扰物质存在并对待测物质的 maxmax产生产生吸收时，才选择没干扰的其它波长作入射光波吸收时，才选择没干扰的其它波长作入射光波长。长。 选择高分辨率仪器，使入射光波长范围尽可选择高分辨率仪器，使入射光波长范围尽可能窄。能窄。(2)(2)杂散光

29、的影响杂散光的影响 在光度分析中，杂散光指不包括在入射光带内在光度分析中，杂散光指不包括在入射光带内即不通过吸收池而直接进入检测器的非单色光。即不通过吸收池而直接进入检测器的非单色光。 其来源有几方面：其来源有几方面：a.a.仪器内光学部件及机械仪器内光学部件及机械零件反射和散射的光；零件反射和散射的光；b.b.外界及光源漏进检测外界及光源漏进检测器的光；器的光；c.c.光学系统有缺陷而引起的不均匀散光学系统有缺陷而引起的不均匀散射等；杂散光一般引起负偏离。射等；杂散光一般引起负偏离。(3)(3)溶液本身的原因溶液本身的原因 溶液折射率变化的影溶液折射率变化的影响响 若溶液浓度的变化能显著改变

30、溶液的折射率，若溶液浓度的变化能显著改变溶液的折射率，则可观察到偏离比尔定律的现象，此时必须对则可观察到偏离比尔定律的现象，此时必须对光吸收定律进行折射率光吸收定律进行折射率(n)(n)校正：校正： A=A= bcbcn/(nn/(n2 2+2)+2)2 2 散射的影响散射的影响一般在浓度小于一般在浓度小于0.01moL/L0.01moL/L时，时，n n基本上为常数，基本上为常数，其影响可忽略不计，其影响可忽略不计，说明说明BeerBeer定律适用于稀溶定律适用于稀溶液。液。 溶液若为胶体溶液溶液若为胶体溶液、乳浊液或悬浊液时，在、乳浊液或悬浊液时，在入射光通过溶液时，除一部分被吸光粒子吸收

31、入射光通过溶液时，除一部分被吸光粒子吸收外，还有部分因散射而损失，使透光度减小，外，还有部分因散射而损失，使透光度减小，A A实实 。所以往往发生正偏离。所以往往发生正偏离。 化学因素引起的偏离化学因素引起的偏离 吸光物质常因离解、缔合而形成新化合物或吸光物质常因离解、缔合而形成新化合物或互变异构等化学变化而改变其浓度，导致了偏互变异构等化学变化而改变其浓度，导致了偏离。例如离。例如 K K2 2CrCr2 2O O7 7在水溶液中存在下列平衡：在水溶液中存在下列平衡：222272422稀稀释释或或增增大大p pH H值值浓浓缩缩或或减减小小p pH H值值+ +Cr OH OCrOH此平衡随

32、溶液酸度及稀释程度不同而左右移动，此平衡随溶液酸度及稀释程度不同而左右移动，因而因而CrCr2 2O O7 72- 2- 和和CrOCrO4 42-2-的浓度比不同。因此在某一的浓度比不同。因此在某一波长下，测得的吸光度与铬的总浓度之间的线波长下，测得的吸光度与铬的总浓度之间的线性关系被破坏。性关系被破坏。2-3 2-3 比色分析法及仪器比色分析法及仪器一一. .目视比色法目视比色法 用眼睛去观察、比较溶液颜色深浅以确定物用眼睛去观察、比较溶液颜色深浅以确定物质含量的方法称为目视比色法。质含量的方法称为目视比色法。 该方法将被测溶液在相同条件下和一系列该方法将被测溶液在相同条件下和一系列不同浓

33、度的标准溶液进行比较，颜色深浅相同不同浓度的标准溶液进行比较，颜色深浅相同者，则它们的浓度认为相同。推导如下：者，则它们的浓度认为相同。推导如下： 对标准液和试液则分别有：对标准液和试液则分别有： 当溶液颜色相同时，说明当溶液颜色相同时，说明 I I标标=I=I试试 两溶液为同一种物质两溶液为同一种物质, , 则：则： 标标= = 试试 设液层厚度相等设液层厚度相等, , b b标标= = b b试试， c c标标= = c c试试010bctII010标标标标 标标= =bcII010试试试试 试试= =bcII操作方法：取一套大小相同的比色管，加入系列操作方法：取一套大小相同的比色管，加入

34、系列标准溶液和相应的显色剂及缓冲溶液，然后稀释标准溶液和相应的显色剂及缓冲溶液，然后稀释至同一刻度，形成颜色由浅至深的标准色阶。至同一刻度，形成颜色由浅至深的标准色阶。 另取一大小相同的比色管，加入被测液后按另取一大小相同的比色管，加入被测液后按配制标准色阶的方法处理，在管底下方放置一配制标准色阶的方法处理，在管底下方放置一块白板沿比色管中心垂直观察比较颜色。块白板沿比色管中心垂直观察比较颜色。该方法的优点该方法的优点：(1)(1)操作简便，仪器简单，特别适用操作简便，仪器简单，特别适用 于工厂里大批样品的分析；于工厂里大批样品的分析；(2)(2)因所用的平底比色管较长因所用的平底比色管较长,

35、 ,可测定颜色淡的可测定颜色淡的 稀溶液中的微量物质；稀溶液中的微量物质；(3)(3)该方法准确度不高，相对误差约为该方法准确度不高，相对误差约为 5 520%20%。二二. .分光光度法分光光度法1.1.概述概述 分光光度法原理上不同于目视法，分光光度法原理上不同于目视法，它是比它是比较有色溶液较有色溶液( (吸光物质吸光物质) )对某一波长的吸收情况对某一波长的吸收情况，而目视法是比较透过光的强度，而目视法是比较透过光的强度。 分光光度法是在光电法的基础上发展而来。分光光度法是在光电法的基础上发展而来。 分光光度法与光电法的基本原理相同，所分光光度法与光电法的基本原理相同，所不同的仅在于两

36、者获得单色光的方法不同。前不同的仅在于两者获得单色光的方法不同。前者采用者采用棱镜棱镜或或光栅光栅等分光元件，后者采用传统等分光元件，后者采用传统滤光片滤光片，利用，利用棱镜棱镜或或光栅光栅获得的获得的“单色光单色光”纯纯度要度要比比滤光片高许多。滤光片高许多。 分光光度法中所用的仪器称为分光光度法中所用的仪器称为分光光度计分光光度计，它的测量范围不再局限于可见光区域内，可扩它的测量范围不再局限于可见光区域内，可扩展到紫外和红外光区域。展到紫外和红外光区域。 对测定而言，单色光愈纯愈好。其纯度一对测定而言，单色光愈纯愈好。其纯度一般用般用半宽度半宽度表示，即指透光曲线上，峰高一半表示，即指透光

37、曲线上，峰高一半时所对应的峰宽度。半宽度时所对应的峰宽度。半宽度 ，说明透过的单色，说明透过的单色光就愈纯。光就愈纯。 分光光度法的特点：分光光度法的特点：(1)(1)因得到的入射光纯度较因得到的入射光纯度较光电光电 比色法比色法高得多，所以进行测高得多，所以进行测 量时，偏离比耳定律的情况量时，偏离比耳定律的情况 大为改善，从而也扩大了测大为改善，从而也扩大了测 定的线性范围。定的线性范围。(2)(2)由于测定波长可任意选定，故在一定条件下由于测定波长可任意选定，故在一定条件下, , 利用吸光度的加和性，可同时测定溶液中两利用吸光度的加和性，可同时测定溶液中两 种或两种以上的组分。种或两种以

38、上的组分。(3)(3)由于入射光波长范围扩大，测定不仅局限于由于入射光波长范围扩大，测定不仅局限于 可见光区域，还可用于紫外光区域，即可测可见光区域，还可用于紫外光区域，即可测 定那些吸收紫外光的无色物质。定那些吸收紫外光的无色物质。2.2.分光光度计分光光度计 用于分光光度法分析的仪器称为分光光度用于分光光度法分析的仪器称为分光光度计。根据其波长范围可分为计。根据其波长范围可分为可见分光光度计可见分光光度计，紫外紫外- -可见分光光度计可见分光光度计，红外分光光度计红外分光光度计。 紫外及可见分光光度计主要应用于含量的紫外及可见分光光度计主要应用于含量的测定；红外分光光度计主要应用于结构的分

39、析。测定；红外分光光度计主要应用于结构的分析。其原理的框示图如下：其原理的框示图如下：(1)(1)光源光源 可见区光源常用钨灯或碘钨灯，属于热光源；可见区光源常用钨灯或碘钨灯，属于热光源；其发射波长约为其发射波长约为3203202500nm2500nm，除用作可见光源，除用作可见光源外，还可用作红外光源。外，还可用作红外光源。 紫外光源多为气体放电光源。如氢紫外光源多为气体放电光源。如氢、氘氘、氙放电灯及汞灯等。其中以氢氙放电灯及汞灯等。其中以氢灯和灯和氘灯应用最氘灯应用最广泛。其发射波长为广泛。其发射波长为160160500nm500nm。氘灯发射强度。氘灯发射强度比同样的氢比同样的氢灯大灯

40、大3 35 5倍。倍。 一般仪器上都设置有稳压电源，因为电源一般仪器上都设置有稳压电源，因为电源电压的变化会引起光源发光强度的波动，从而电压的变化会引起光源发光强度的波动，从而影响测定结果。影响测定结果。(2)(2)单色器单色器 将光源发出的连续光谱色散为单色光的装将光源发出的连续光谱色散为单色光的装置称为置称为单色器单色器。 单色器是利用光的色散原理制成，所谓的色单色器是利用光的色散原理制成，所谓的色散即是把复合光变成各种单色光的过程。单色器散即是把复合光变成各种单色光的过程。单色器由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜组成。由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜组成。 棱镜由玻璃或石英制成。棱镜由

41、玻璃或石英制成。因为玻璃吸收紫外因为玻璃吸收紫外光，所以玻璃制的棱镜只能用于可见分光光度计。光，所以玻璃制的棱镜只能用于可见分光光度计。紫外分光光度计必须使用石英材料的棱镜。紫外分光光度计必须使用石英材料的棱镜。 狭缝和透镜系统的作用是调节光的强度，狭缝和透镜系统的作用是调节光的强度，控制光的方向并获得所需波长的单色光。控制光的方向并获得所需波长的单色光。 光栅是另一种色散元件。当复合光照射到光栅是另一种色散元件。当复合光照射到光栅上时，根据光的衍射和干涉原理，色散为光栅上时，根据光的衍射和干涉原理，色散为不同波长的单色光。近年来，由于光栅刻制技不同波长的单色光。近年来，由于光栅刻制技术的发展

42、，使用光栅作为色散元件的分光光度术的发展，使用光栅作为色散元件的分光光度计日益增多。计日益增多。(3)(3)吸收池吸收池 吸收池是盛装试液并决定液层的厚度，常吸收池是盛装试液并决定液层的厚度，常用的吸收池用的吸收池( (比色皿比色皿) )材料有石英和玻璃两种。材料有石英和玻璃两种。石英吸收池可用于紫外石英吸收池可用于紫外- -可见及近红外光区，玻可见及近红外光区，玻璃的只能用于可见及近红外光区。璃的只能用于可见及近红外光区。 常见的比色皿为长方形，光程有常见的比色皿为长方形，光程有0.50.53cm3cm。同样厚度的比色皿之间透光度相差应小于同样厚度的比色皿之间透光度相差应小于0.5%0.5%

43、。(4)(4)检测器检测器 所谓光度检测器就是将紫外所谓光度检测器就是将紫外- -可见光的信号可见光的信号转变为电信号的装置。常用的检测器有光电池转变为电信号的装置。常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增光电管和光电倍增管。它们都是基于光电管。它们都是基于光电效应的原理而制成。效应的原理而制成。a.a.硒光电池的工作原理：硒光电池的工作原理：当光线照射到光电池上时，当光线照射到光电池上时，半透明膜金属及半导体硒半透明膜金属及半导体硒都会吸收光子。都会吸收光子。 金属膜吸收光子后释放光电子，由于硒的金属膜吸收光子后释放光电子，由于硒的半导体性质，使得透明金属层的光电子密度较半导体性质，使得透明金

44、属层的光电子密度较大，相对来说，光电池的底板成为正极。大，相对来说，光电池的底板成为正极。 当照射光强度不大，且光电池外电路电阻当照射光强度不大，且光电池外电路电阻小于小于100100时，光电流时，光电流i=KIi=KI。使用光电池需注意几点：使用光电池需注意几点： 受强光照射或长时间连续使用，会产生疲劳受强光照射或长时间连续使用，会产生疲劳现象，即光电流逐渐下降，现象，即光电流逐渐下降，i i与与I I不成正比。不成正比。 内阻小，与一般直流放大器不相匹配；温度内阻小，与一般直流放大器不相匹配；温度 系数较大，使用时要注意隔热，防止光线直射。系数较大，使用时要注意隔热，防止光线直射。 易受潮

45、，受潮后光电流大小会不正常，甚至易受潮，受潮后光电流大小会不正常，甚至引起光电池完全失效。引起光电池完全失效。受光照后，硒光电池可产生约受光照后，硒光电池可产生约100100200200 A A电流。电流。该电流不需放大可直接用灵敏电流计测量。该电流不需放大可直接用灵敏电流计测量。b.b.光电管的工作原理：光电管的工作原理： 光电管在紫外光电管在紫外- -可见分光光度计上应用较广。可见分光光度计上应用较广。构造：以一弯成半圆柱型的构造：以一弯成半圆柱型的金属片为阴极，其内表面涂金属片为阴极，其内表面涂有一层光敏物质，多采用碱有一层光敏物质，多采用碱金属或其氧化物，受光照射金属或其氧化物，受光照

46、射时，可放出光电子。时，可放出光电子。阳极通常为镍环或镍片，两极密封于玻璃或石阳极通常为镍环或镍片，两极密封于玻璃或石英内，抽真空。两极间施加约英内，抽真空。两极间施加约90v90v的直流电压。的直流电压。当光线照射到阴极内表面时，光子轰击出阴极当光线照射到阴极内表面时，光子轰击出阴极表面的电子表面的电子( (即光电子即光电子) )，此电子在电场作用下，此电子在电场作用下流向阳极，形成电流，流向阳极，形成电流，经测量该电流的大小与经测量该电流的大小与照射到阴极上的光强度成正比照射到阴极上的光强度成正比。 与光电池不同，光电管产生的光电流很小，与光电池不同，光电管产生的光电流很小，需经放大后才能

47、被测定。根据阴极光敏材料不需经放大后才能被测定。根据阴极光敏材料不同，光谱的灵敏区可分为同，光谱的灵敏区可分为蓝敏蓝敏和和红敏红敏两种。前两种。前者在阴极表面沉积锑和铯者在阴极表面沉积锑和铯( (Sb-CsSb-Cs) )，可用于波长，可用于波长210210625nm625nm测定，后者在阴极表面沉积了银和氧化铯测定，后者在阴极表面沉积了银和氧化铯( (Ag-CsAg-Cs2 2O-CsO-Cs) )，可用于波长，可用于波长6256251000nm1000nm测定。测定。 与光电池比较，它的光敏范围宽，不易疲与光电池比较，它的光敏范围宽，不易疲劳，但灵敏度只有光电池的劳，但灵敏度只有光电池的1

48、/41/4左右。左右。(5)(5)显示系统显示系统 其作用是将检测器输出的电信号以吸收光谱其作用是将检测器输出的电信号以吸收光谱的形状的形状(A(A或或T)T)显示。常用的显示测量仪器有电位显示。常用的显示测量仪器有电位计计、检流计、自动记录仪及数字显示装置。、检流计、自动记录仪及数字显示装置。 无机物分析中，很少利用金属离子本身的颜无机物分析中，很少利用金属离子本身的颜色进行光谱分析。因为其吸光度数值都比较小。色进行光谱分析。因为其吸光度数值都比较小。2-4 2-4 显色反应及显色剂显色反应及显色剂 一般选用适当的试剂，一般选用适当的试剂，与待测离子反应生与待测离子反应生成对某波长有较大吸收

49、的物质后再进行测定成对某波长有较大吸收的物质后再进行测定，这种反应称这种反应称显色反应显色反应。所用的试剂称。所用的试剂称显色剂显色剂。应用最多的显色反应为配合反应；此外还有应用最多的显色反应为配合反应；此外还有O-RO-R反应，取代反应等。反应，取代反应等。 往往同一种物质有数种显色反应，其原理往往同一种物质有数种显色反应，其原理和灵敏度各不相同。可根据具体情况进行选择。和灵敏度各不相同。可根据具体情况进行选择。一一. .分光光度法对显色反应的要求分光光度法对显色反应的要求2.2.生成物应组成恒定，稳定性好，显色条件易生成物应组成恒定，稳定性好，显色条件易于于 控制，保证测量结果有良好的重现

50、性。控制，保证测量结果有良好的重现性。3.3.对照性好，显色剂与有色配合物两者的对照性好，显色剂与有色配合物两者的 maxmax差差 别要在别要在60nm60nm以上。以上。 选好显色剂后，研究显色反应的条件十分重要，选好显色剂后，研究显色反应的条件十分重要，下面介绍影响反应的主要因素。下面介绍影响反应的主要因素。二二. .影响显色反应的因素影响显色反应的因素1.1.显色剂用量显色剂用量1.1.生成物必须在紫外生成物必须在紫外- -可见光区有较强的吸光能可见光区有较强的吸光能 力，即吸收系数力，即吸收系数( (一般指一般指 ) )较大。较大。 为了保证显色反应进行完全，一般需要加入为了保证显色

51、反应进行完全，一般需要加入过量的显色剂；但对于有些显色反应，过量的显色剂；但对于有些显色反应，R R加入过加入过多，会引起某些副反应，对测定不利。多，会引起某些副反应，对测定不利。 显色剂的加入量通常根据实验结果来确定。显显色剂的加入量通常根据实验结果来确定。显色剂用量对显色反应的影响一般有三种情况：色剂用量对显色反应的影响一般有三种情况： 显色反应通常可表示为：显色反应通常可表示为：M-M-被测组分，被测组分，R-R-显色剂，显色剂，MR-MR-生成的有色生成的有色配配合物合物MRMR 第一种曲线是比较常见的。随着显色剂浓度第一种曲线是比较常见的。随着显色剂浓度c cR R ，A A 。当浓

52、度达到某一数值时，。当浓度达到某一数值时，A A值趋于平值趋于平坦；选择显色剂的量可在坦；选择显色剂的量可在a a、b b之间。之间。第二种曲线的平坦部分较窄，即第二种曲线的平坦部分较窄，即c cR R ，A A反而反而 。 如：如： Mo(SCN)Mo(SCN)3 32+2+ Mo(SCN)Mo(SCN)5 5 Mo(SCN)Mo(SCN)6 6- - 浅红浅红 橙红橙红 浅红浅红 用于测定的化合物应生成用于测定的化合物应生成Mo(SCN)Mo(SCN)5 5，其，其，A A 。SCNSCN- -的量加入过多，会生成的量加入过多，会生成Mo(SCN)Mo(SCN)6 6 而使而使A A 。必

53、须控制必须控制c cR R的量。的量。 第三种曲线与前两种不同，随着第三种曲线与前两种不同，随着c cR R ，A A ；没；没有较明显的平坦可选择。有较明显的平坦可选择。c cR R的量需用某个标的量需用某个标准液作对比，通过实验确定。准液作对比，通过实验确定。酸度在显色反应中的影响是多方面的。酸度在显色反应中的影响是多方面的。2.2.溶液的酸度溶液的酸度(1)(1)多数显色剂都是有机弱酸或弱碱，溶液的多数显色剂都是有机弱酸或弱碱，溶液的pHpH 会影响显色剂的平衡浓度和颜色。一般对其会影响显色剂的平衡浓度和颜色。一般对其 显色反应：显色反应： M + HR M + HR MR + H MR

54、 + H+ + 增加酸度增加酸度(pH(pH ) )对显色反应不利；另外，有些对显色反应不利；另外，有些 显色剂在不同的酸度下有不同的颜色。显色剂在不同的酸度下有不同的颜色。(2)(2)影响待测金属离子的存在状态。当溶液影响待测金属离子的存在状态。当溶液pHpH , , 大部分金属离子容易水解生成氢氧化物，使大部分金属离子容易水解生成氢氧化物，使 溶液颜色褪去，破坏了有色配合物的生成。溶液颜色褪去，破坏了有色配合物的生成。(3)(3)影响生成的影响生成的配配合物的组成。对于某些金属离合物的组成。对于某些金属离 子与配位体生成逐级配合的显色反应，酸度子与配位体生成逐级配合的显色反应，酸度 不同，

55、不同，配配合物的配位数往往不同。如：磺基合物的配位数往往不同。如：磺基 水杨酸与水杨酸与FeFe3+3+的显色反应，在不同酸度下，的显色反应，在不同酸度下，可可 生成生成1:11:1、1:21:2和和1:31:3三种颜色不同的配合物。三种颜色不同的配合物。 pHpH值范围值范围 配合物组成配合物组成 颜色颜色 4 Fe(C4 Fe(C7 7H H4 4O O3 3) )+ + 紫红色紫红色(1:1)(1:1) 4 47 Fe(C7 Fe(C7 7H H4 4O O3 3) )2-2- 棕橙色棕橙色(1:2)(1:2) 8 810 Fe(C10 Fe(C7 7H H4 4O O3 3) )3-3

56、- 黄色黄色(1:3)(1:3) 对于这种情况，应严格控制溶液的酸度。对于这种情况，应严格控制溶液的酸度。 放置时间及温度不仅影响配合物的稳定性，也放置时间及温度不仅影响配合物的稳定性，也 影响显色反应，一般通过条件试验来确定。影响显色反应，一般通过条件试验来确定。3.3.显色反应的时间、温度显色反应的时间、温度4.4.溶液和溶剂中共存干扰离子的影响溶液和溶剂中共存干扰离子的影响 在某些显色反应中，如果加入某种有机溶在某些显色反应中，如果加入某种有机溶剂，常常会发现降低有色剂，常常会发现降低有色配配合物的离解度，提合物的离解度，提高显色反应灵敏度。高显色反应灵敏度。 而共存离子的影响往往是负面

57、的。如有的而共存离子的影响往往是负面的。如有的本身有颜色或与显色剂生成有色本身有颜色或与显色剂生成有色配配合物，会使合物，会使A A ，造成正干扰；如果干扰离子与被测组分或，造成正干扰；如果干扰离子与被测组分或显色剂生成无色显色剂生成无色配配合物，则会降低被测组分或合物，则会降低被测组分或显色剂的浓度，影响显色剂与被测组分的反应，显色剂的浓度，影响显色剂与被测组分的反应，造成造成A A ，引起，引起负负干扰。干扰。消除干扰离子的方法通常有如下几种：消除干扰离子的方法通常有如下几种：(1)(1)控制溶液酸度；控制溶液酸度； (2)(2)加入掩蔽剂；加入掩蔽剂；(3)(3)利用利用O-RO-R反应

58、，改变干扰离子的价态；反应，改变干扰离子的价态；(4)(4)利用参比溶液消除显色剂和某些干扰离子；利用参比溶液消除显色剂和某些干扰离子；(5)(5)选取适当波长；选取适当波长； (6)(6)采用某种分离方法。采用某种分离方法。三三. .显色剂显色剂1.1.无机显色剂无机显色剂 无机显色剂在光度分析中应用不多，主要原无机显色剂在光度分析中应用不多，主要原因是因为生成的因是因为生成的配配合物不够稳定，灵敏度和选择合物不够稳定，灵敏度和选择性较差。性较差。目前应用较多的有：目前应用较多的有：硫氰酸盐硫氰酸盐：可与铁：可与铁、钴、钼、钨、铌及铼等元素、钴、钼、钨、铌及铼等元素 形成形成络合物。络合物。

59、钼酸铵钼酸铵：在酸性溶液中，可与磷、硅、砷及锗：在酸性溶液中，可与磷、硅、砷及锗 等元素的含氧酸阴离子生成二元杂多酸等元素的含氧酸阴离子生成二元杂多酸 配配合物。如：合物。如：POPO4 43-3-及及SiOSiO3 32-2-与与钼酸铵钼酸铵 生成黄色的生成黄色的H H3 3POPO4 412M12MO OO O3 3及及H H2 2SiOSiO3 312M12MO OO O3 3 二元杂多酸。二元杂多酸。过氧化氢过氧化氢：在酸性溶液中，能与钛、钒、铌、铬、：在酸性溶液中，能与钛、钒、铌、铬、钼及钨等元素形成钼及钨等元素形成配配合物。合物。2.2.有机显色剂有机显色剂 大多数有机显色剂能与金

60、属离子生成稳定的大多数有机显色剂能与金属离子生成稳定的配合物配合物( (螯合形式螯合形式) )，显色反应的选择性和灵敏度，显色反应的选择性和灵敏度都较高，应用范围也较无机显色剂广得多。都较高，应用范围也较无机显色剂广得多。 有机有机显色显色剂种类繁多，常用的有偶氮类，剂种类繁多，常用的有偶氮类，三苯甲烷类，醌亚胺类，含肟三苯甲烷类，醌亚胺类，含肟(RC=NOH)(RC=NOH)及含硝及含硝基类，安替比林类及邻菲啰林类。生成的配合基类，安替比林类及邻菲啰林类。生成的配合物有些可溶于水中，而有些则溶于有机溶剂中。物有些可溶于水中，而有些则溶于有机溶剂中。溶于有机溶剂的可考虑采用萃取方法来进行光溶于