第六章光学分析法

1、2022-6-1112022-6-1126.5 吸光度测量条件的选择吸光度测量条件的选择6.4 显色反应和显色条件的选择显色反应和显色条件的选择6.3 分光光度计分光光度计 6.2 光吸收定律光吸收定律6.1 概述概述6.6 吸光光度光法的应用吸光光度光法的应用2022-6-113化化学学分分析析与与仪仪器器分分析析方方法法比比较较 准确度高准确度高仪器分析仪器分析：微量组分微量组分(1%)，Er 1%5% 依据物理或物理化学性质依据物理或物理化学性质, 需需要特殊要特殊 的仪器，的仪器，灵敏度高灵敏度高2022-6-114光学分析法光谱法：在光在光(或其它能量或其它能量)的作用下，通的作用下

2、，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。的波长和强度来进行分析的方法。物质内部发生量子化的能级跃迁 非光谱法非光谱法：不涉及物质内部能级的跃迁 6.1 概述概述光学分析法：基于物质光学性质而建立起来的分析光学分析法：基于物质光学性质而建立起来的分析方法方法2022-6-115光谱法光谱法按照辐射的本质分分子光谱法原子光谱法按照物质与辐射能相互作用的结果分吸收 发射 散射 等2022-6-116波粒二象性：波粒二象性：波动性、粒子性波动性、粒子性。一定波长的光具有一定的能量，一定波长的光具有一定的能量，波长越长波长越长(频率越

3、频率越低低)，光量子的，光量子的能量越低能量越低。日常所见到的白光，如日常所见到的白光，如日光日光等，由红、橙、黄、绿、等，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光按适当的强度比例混合而成的，在青、蓝、紫等光按适当的强度比例混合而成的，在380760nm 范围的一种范围的一种复合光复合光。光学光谱区2022-6-11710nm200nm200nm 380nm380nm 780nm780 nm 2.5 m2.5 m 50 m50 m 300 m2022-6-118两种颜色的光若按适当比例混合，可以形成白光，两种颜色的光若按适当比例混合，可以形成白光，这两种光称为这两种光称为互补色光。互补色光。光的互补光

4、的互补白光白光青蓝青蓝青青绿绿黄黄橙橙红红紫紫蓝蓝互补色光互补色光2022-6-1196.2 紫外紫外可见分光光度法可见分光光度法2022-6-11106.2.1 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收溶液的颜色是由于均匀分布在溶液中的有色化合物的质点溶液的颜色是由于均匀分布在溶液中的有色化合物的质点选择性的吸收了某种颜色的光所造成的。选择性的吸收了某种颜色的光所造成的。(一) 物质的颜色与光吸收的关系 在可见光区，在可见光区，不同波长的光具有不同的颜色不同波长的光具有不同的颜色。一。一束白光通过棱镜束白光通过棱镜色散成红、橙、黄、绿色散成红、橙、黄、绿等颜等颜色的光色的光具有不同的波长。具

5、有不同的波长。 一束白光通过某一物质或溶液时，由于物质对光一束白光通过某一物质或溶液时，由于物质对光的选择性吸收，某些波长的光被吸收，另一些波长的选择性吸收，某些波长的光被吸收，另一些波长的光则不被吸收而透过溶液。的光则不被吸收而透过溶液。2022-6-1111溶液的颜色由透过光的波长所决定(1) 如果物质把各种波长的光完全都吸收，则呈现如果物质把各种波长的光完全都吸收，则呈现黑色黑色；(2) 如果完全反射，则呈现如果完全反射，则呈现白色白色；(3) 如果透过所有的光，则为无如果透过所有的光，则为无色透明溶液色透明溶液；(4) 如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现如果对各种波长的光吸收程度

6、差不多，则呈现灰色灰色；(5) 如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。 2022-6-1112用用不同波长不同波长(400720nm)的光，照射某一吸光的光，照射某一吸光物质的溶液；物质的溶液；测测吸光度吸光度(A)以以 A作图，得一曲线作图，得一曲线直观地表示出物质对光的吸收特征。直观地表示出物质对光的吸收特征。2022-6-1113测量某溶液对不同波长单色光的吸收程度，以波长测量某溶液对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为横坐标，吸光度A为

7、纵坐标作图，得到的曲线。为纵坐标作图，得到的曲线。吸收光吸收光谱谱2022-6-1114同一种物质对不同波长光的吸光度不同同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大处对应的波长称为最大吸收波长max。(KMnO4 的的 max = 525 nm)不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，max不变。不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和形状和max则不同。则不同。-物质定性分析的依据之一。物质定性分析的依据之一。2022-6-1115不同浓度的同一种物质不同浓度的同一种物质，

8、在某一定波长下吸光度，在某一定波长下吸光度 A 有差异，有差异，A 随浓度的增大而增大随浓度的增大而增大 。在在max 处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。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吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。2022-6-1116一束平行单色光一束平行单色光(强度强度 Io )照射溶液时，光的一部分被照射溶液时，光的一部分被吸收吸收(强度强度 Ia ) ，一部分透过溶液，一部分透过溶液(强度强度 It ) ，一部分，一部分被器皿的表面反射被器皿的表面反射(强度强度 Ir ) 。Io = Ia + It

9、 + Ir则：则：I0IrItIa2022-6-1117吸光光度法测定时，都采用同样质量的比色皿，吸光光度法测定时，都采用同样质量的比色皿，反射光强度反射光强度 Ir 基本不变，其影响可以相互抵消。基本不变，其影响可以相互抵消。分光光度法中：分光光度法中： Io = Ia + It透光度透光度或或透光率透光率(T)：透过光强度：透过光强度 It 与入射光强度与入射光强度 Io 之比之比otIIT或或100%II%otT溶液的透光度愈大溶液的透光度愈大对光的吸收愈小对光的吸收愈小溶液浓度低溶液浓度低；溶液的透光度愈小溶液的透光度愈小对光的吸收愈大对光的吸收愈大溶液浓度高溶液浓度高。 2022-6

10、-1118吸光度A：TA1l gIIl gto若光全部透过溶液，若光全部透过溶液，Io = It， A = 0 若光几乎全被吸收，若光几乎全被吸收，It 0，A = 吸光度吸光度 A 也可以用来衡量溶液中吸光物质对波长也可以用来衡量溶液中吸光物质对波长为为的单色光的吸收程度，的单色光的吸收程度，A 值越大，吸收程度越值越大，吸收程度越大；反之亦然。大；反之亦然。2022-6-1119实验证明：若保持入射光的波长不变，溶液对光吸实验证明：若保持入射光的波长不变，溶液对光吸收的程度与溶液的浓度、液层厚度有关。收的程度与溶液的浓度、液层厚度有关。数学表达式：数学表达式： A = K1 bK1：比例常

11、数，：比例常数，与与 、c、温度、温度有关。有关。b：溶：溶液厚度液厚度一、一、朗伯定律：朗伯定律：当当 、c、温度、温度一定时，溶液的吸一定时，溶液的吸光度与液层的厚度成正比。光度与液层的厚度成正比。2022-6-1120二、比尔定律：二、比尔定律：当当 、b 和和 温度一定时，溶液的吸温度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比。光度与溶液的浓度成正比。数学表达式：数学表达式： A = K2 c三、朗伯三、朗伯比尔定律比尔定律(同时考虑溶液浓度和液层厚同时考虑溶液浓度和液层厚度的影响度的影响)：一束平行单色光通过溶液，当：一束平行单色光通过溶液，当 和温和温度度一定时，其吸光度与溶液的浓度和

12、液层厚度成一定时，其吸光度与溶液的浓度和液层厚度成正比。正比。数学表达式数学表达式： A = K b c2022-6-1121单位：单位：c：gL1，b：cm，K用用a表示，表示，称为称为吸光系吸光系数数，单位为，单位为 Lg.cm1 ，则：，则：1、吸光系数、吸光系数 aA = a b cA 是吸光物质在一定的条件下的特性常数，与本性是吸光物质在一定的条件下的特性常数，与本性有关，与吸光物质的浓度和液层厚度无关。有关，与吸光物质的浓度和液层厚度无关。2022-6-11222、摩尔吸光系数、摩尔吸光系数单位：单位：c：molL1，b：cm，K 用用表示表示，称为，称为摩尔摩尔吸光系数吸光系数，

13、单位为，单位为 Lmol.cm1。则：。则：A =b c(2) 同一吸光物质在不同波长下的同一吸光物质在不同波长下的值是不同的值是不同的。在最大吸收。在最大吸收波长波长max 处的摩尔吸光系数处的摩尔吸光系数(max) 表明了该吸收物质最大限度表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。敏度。 (1) 是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数，不随，不随浓度浓度 c和液层厚度和液层厚度 b 的改变而改变。在温度和波长等条件一的改变而改变。在温度和波长等条件一定时

14、，定时， 仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；2022-6-1123(3)max 越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。质的灵敏度越高。(4)在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为 1molL1、液层厚度为、液层厚度为 1cm 时该溶时该溶液在某一波长下的吸光度。液在某一波长下的吸光度。当当 c = 1molL1，b = 1cm 时时, A =2022-6-1124(3)1123cmg(L101. 9101. 02. 00. 380abcA)1143cmmol(L101.

15、155. 85101. 02. 00. 380bcA(1) T 10A 100.380 0.417 (2) c = 1.0 g.mL1 = 1.0 mg.L1 = 1.0 103 g.L1 例例：有一浓度为：有一浓度为 1.0 g.mL1 Fe2+ 的溶液，的溶液，以以邻二氮菲邻二氮菲显色后显色后，在比色皿厚度为在比色皿厚度为 2cm、波长波长 510nm 处测得吸光度为处测得吸光度为0.380，计，计算：算：(1) 透光度透光度 T；(2) 吸光系数吸光系数 a；(3) 摩尔吸光系数摩尔吸光系数 。解：解：计算依据 A = bc2022-6-1125注意：注意：cbTAtoIIl g1l g

16、在吸光光度法中，在吸光光度法中，A 、T、 c 之间的关系：之间的关系：在一定范围内，在一定范围内，A 与与 c 成正比成正比-光度法定量基础；光度法定量基础； T 与与 c 成指数关系：成指数关系：T = 10A-不作定量分析工作曲线。不作定量分析工作曲线。朗伯比尔定律的适用条件1. 单色光单色光 应选用应选用 max 处或肩峰处测定处或肩峰处测定2. 吸光质点形式不变吸光质点形式不变 离解、络合、缔合会破坏线性关系离解、络合、缔合会破坏线性关系 应控制条件应控制条件(酸度、浓度、介质等酸度、浓度、介质等)3. 稀溶液稀溶液 浓度增大，分子之间作用增强浓度增大，分子之间作用增强2022-6-

17、11262022-6-1127五、吸光度的加合性五、吸光度的加合性2211ibcbcAA总某波长下，溶液中含有对该波长的光产生吸收的多种某波长下，溶液中含有对该波长的光产生吸收的多种物质，那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质物质，那么溶液的总吸光度等于溶液中各个吸光物质的吸光度之和的吸光度之和2022-6-1128 入射光为非单色光时的偏离入射光为非单色光时的偏离：仪器的分光元件(单色器)很难得到真正的单色光，而是波长范围很窄的复合光带，而比耳定律仅在入射光为单色光时才是正确的。 化学因素引起的偏离化学因素引起的偏离： 介质不均匀(胶体、乳浊液、悬浮液)而产生折射、散射和反射，使透过光强减

18、弱(A增大)； 吸光分子发生化学变化而改变浓度。朗伯比尔定律本身的局限性：假设了吸光分子之间无相互作用，事实上，高浓度时分子间相互作用不可忽略2022-6-1129通过棱镜或光栅得到一束近似的单色光。波长可调通过棱镜或光栅得到一束近似的单色光。波长可调, 选择性好，准确度高。选择性好，准确度高。光源光源单色器单色器样品池样品池检测器检测器读出系统读出系统分光光度计的主要部件光源：光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强、发出所需波长范围内的连续光谱，有足够的光强、稳定。稳定。 可见光区：可见光区：钨灯，碘钨灯钨灯，碘钨灯(3202500nm) 紫外区：紫外区：氢灯，氘灯氢灯，氘灯(18

19、0375nm)单色器：单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。棱镜：棱镜：玻璃玻璃 3503200nm，石英，石英 1854000nm 光栅：光栅：波长范围宽波长范围宽, 色散均匀，分辨性能好，使用方便色散均匀，分辨性能好，使用方便2022-6-1130吸收池吸收池：(比色皿比色皿)用于盛待测及参比溶液。用于盛待测及参比溶液。 可见光区：可见光区：光学玻璃池光学玻璃池 紫外区：紫外区：石英池石英池检测器：检测器：利用光电效应，将光能转换成电流讯号。利用光电效应，将光能转换成电流讯号。 光电池，光电管，光电倍增管光电池，光电管，光电倍增管指示器：指

20、示器： 低档仪器：低档仪器：刻度显示刻度显示 中高档仪器：中高档仪器：数字显示，自动扫描记录数字显示，自动扫描记录2022-6-1131棱镜：棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同依据不同波长光通过棱镜时折射率不同2022-6-1132单色器单色器棱镜和光栅棱镜和光栅入射狭缝入射狭缝准直透镜准直透镜棱镜棱镜聚焦透镜聚焦透镜出射狭缝出射狭缝白光白光红红紫紫12800 600 500400光栅：光栅：在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度在镀铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕等间距条痕(600、1200、2400条条/mm )。2022-6-1133M1M2出出射射狭狭缝缝光屏光屏透透镜镜

21、平面透平面透射光栅射光栅光栅衍射示意图光栅衍射示意图原理：原理：利用光通过光栅时，利用光通过光栅时，发生衍射和干涉现象发生衍射和干涉现象而分光。而分光。2022-6-1134光学系统的不同光学系统的不同分光光度计类型不同分光光度计类型不同2022-6-1135利用显色反应把待测组分利用显色反应把待测组分 转变为有色化合物，然后转变为有色化合物，然后再进行测定。再进行测定。显色反应：显色反应：使试样中的被测组分与化学试剂作用生成使试样中的被测组分与化学试剂作用生成有色化合物的反应。有色化合物的反应。显色反应主要有配位反应和氧化还原反应，其中绝大显色反应主要有配位反应和氧化还原反应，其中绝大多数是

22、配位反应。多数是配位反应。2022-6-11361、灵敏度高，选择灵敏度高，选择 较大的显色反应。避免共存组较大的显色反应。避免共存组分干扰。分干扰。2、选择性好，显色剂只与被测组分反应。、选择性好，显色剂只与被测组分反应。3、有色物组成固定，如：、有色物组成固定，如：Fe3+ + 磺基水杨酸磺基水杨酸 三磺基水杨酸铁三磺基水杨酸铁(黄色黄色) (组成固定组成固定)Fe3+ + SCN FeSCN2+、 Fe(SCN)2 + (组成不固定组成不固定)2022-6-11374、有色物稳定性高，其它离子干扰才小。如三磺基、有色物稳定性高，其它离子干扰才小。如三磺基水杨酸铁的水杨酸铁的 Kf = 1

23、042 , F 、H3PO4 对它无干扰。对它无干扰。5、显色过程易于控制，而且有色化合物与显色剂、显色过程易于控制，而且有色化合物与显色剂之间的颜色差别应尽可能大。之间的颜色差别应尽可能大。nm60|maxmaxRM R2022-6-1138(c(M)、pH一定一定) ： 适当过量。适宜的用量通过实验求得适当过量。适宜的用量通过实验求得c(R)c(R)c(R)Mo(SCN)32+ 浅红浅红Mo(SCN)5 橙红橙红Mo(SCN)6 浅红浅红Fe(SCN)n3n2、显色反应酸度(c(M)、 c(R)一定)2022-6-1139pH影响显色剂的平衡浓度影响显色剂的平衡浓度影响显色剂的颜色影响显色

24、剂的颜色 影响金属离子的存在状态影响金属离子的存在状态影响某些配位化合物的组成影响某些配位化合物的组成 pH1 pH 0.01molL1)2非单色光3被测物在溶液中发生化学反应4配合物稳定性差导致解离显色反显色反应要求应要求1选择性好2有色螯合物组成恒定、化学性质稳定3有色螯合物与显色剂之间颜色差别大4显色条件易于控制参比液选择参比液选择吸光度仅与待测物质浓度成线形关系入射光波长选择入射光波长选择max6.7 吸光光度法的应用 可直接用于有色物的测定，也可通过显色反应用于无色物的分析； 可用于常量分析(1%)，也可用于微量分析(0.011%); 可用于无机物(阴、阳离子)分析，也可用于有机物分

25、析； 可用于定量分析，也可用于定性分析(特征吸收光谱、功能基团特征吸收峰)； 可用于其它领域的研究(如化学平衡)； 目前，环境等领域的很多标准分析方法仍然采用光度法。2022-6-1153(一一) 单组分的定量方法单组分的定量方法1标准比较法 2标准曲线法2022-6-1154bcA：定量依据标样标样标样标样AAccAAcc2022-6-1155条件：标准溶液与待测溶液的浓度相接近。条件：标准溶液与待测溶液的浓度相接近。样样样；：标标样样样样样标标标标标标:色池同一吸光物质、同一比待测样：标样bbcbAAccbAAc2标准曲线法标准曲线法2022-6-1156条件前提：固定仪器和测定ccKAA

26、样样同上条件固定条件查得测定样品曲线分别测定配制标准系列过程：ccAAA 0 1 2 3 4 mg/mlA。 。 。 。*0.80.60.40.20 芦丁含量测定芦丁含量测定2022-6-115725mL. 0mg25mL5mL0mg/ mL3200. 0样品标样分别移取YYXYYXbcbcAbcbcA2X2YX21X1YX1处分别测得标液在由21,YX2X211，YYX2022-6-1158(c) x，y 组分不能直接测定组分不能直接测定(a) 在在 1 处测组分处测组分x，在在 2 处测组处测组分分y(b) 在在 1 处测组分处测组分x; 在在 2 处测总处测总吸收，扣除吸收，扣除 x 吸

27、收，可求吸收，可求y 3. 3. 光度滴定光度滴定59NaOH滴定滴定 对硝基酚对硝基酚 pKa=7.15 间硝基酚间硝基酚 pKa=8.39 pKa=1.2460纤维光度计典型的光度滴定曲线典型的光度滴定曲线61依据滴定过程中溶液吸光度变化来确定终点的滴定分析方法。依据滴定过程中溶液吸光度变化来确定终点的滴定分析方法。Vsp滴定剂吸收滴定剂吸收Vsp被滴物吸收被滴物吸收Vsp滴定剂与待滴定剂与待测物均吸收测物均吸收Vsp产物吸收产物吸收优点 可以测定弱酸弱碱（cKa 10-8），弱配位滴定（cKf 106），以及电极电势差值较小(0.4V）的反应。 可以滴定没有合适指示剂的情况2022-6-

28、1162络合物组成的测定络合物组成的测定63摩尔比法摩尔比法: : 固定固定cM , ,改变改变c cR R 1:13:1c(R)/c(M)A1.0 2.0 3,0 64一元弱酸离解常数的测定一元弱酸离解常数的测定 HL HLHLHLL=HL+LKccAKK +L+aaa(HL)H (HL)=+H +H KaH+L/HL高酸度下，几乎全部以高酸度下，几乎全部以HL存在，可测得存在，可测得AHLHLc(HL)；低酸度下，几乎全部以低酸度下，几乎全部以L存在，可测得存在，可测得AL Lc(HL).代入整理：代入整理：AAKA A +HLaL-=H -HLLL HLAAKAAa-p= pH+lg-或配制一系列配制一系列c相同相同,pH不同的溶液不同的溶液,测测A.