分析化学第8章

1、第七章 吸光光度法 概述吸光光度法的基本原理显色反应及显色条件的选择测量条件的选择教学指导目视比色与分光光度计吸光光度法的应用第七章 吸光光度法 教学目标教学目标v学习光吸收的基本定律v掌握显色反应及显色条件的选择v掌握测量条件的选择v掌握吸光光度法的应用重点与难点重点与难点v光吸收的基本定律v显色反应及显色条件v吸光光度法的应用第七章 吸光光度法 概述概述化学分析方法，它们适用于测定试样中含量大于1%的常量组分，但是，对于含量小于1%的微量组分不宜采用化学分析法。例如，欲测定含铁量仅为0.001%试样中的铁，若采用氧化还原滴定，即使氧化剂标准溶液浓度很稀(1.610-3 molL-1)，也仅

2、需0.02 mL即达终点，显然无法测定。比色分析法比色分析法利用比较溶液颜色深浅来测定物质浓度的方法称为比色比色分析法分析法。许多物质都具有颜色，例如高锰酸钾在水溶液中呈深紫色，Cu(NH3) 42+配离子在水溶液中呈蓝色。对于本身没有颜色的组分也可利用显色剂使其形成有色的物质，然后用比色分析法测定。第七章 吸光光度法 分光光度法分光光度法若使用分光光度计进行分析测定则称为分光光度法分光光度法。吸光光度法吸光光度法 比色分析和分光光度分析统称为吸光光度法吸光光度法。吸光光度法所检测组分的浓度下限可达10-510-6 molL-1，因而它具有较高的灵敏度，相对误差为2%5%，适合于微量组分的分析

3、。几乎所有的无机物质和大多数有机物质都能用此方法测定。它还常用于测定配合物的配合比、配合物及酸碱物质的平衡常数等。此外，吸光光度法使用的仪器比较简单，操作简便，测定迅速。第七章 吸光光度法 吸光光度法的基本原理吸光光度法的基本原理一、一、 物质的颜色及对光的选择性吸收物质的颜色及对光的选择性吸收单色光单色光同一波长的光称为单色光。复合光复合光白光为复合光，它在波长400750 nm范围内依波长从长到短的变化，而呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色，这是人的视觉可以感觉到的光，故称之为可见光。第七章 吸光光度法 当一束白光通过某一有色溶液时，一部分波长的光被溶液吸收，另一部分波长的光则透过溶

4、液。例如： 物质呈现的颜色是物质对不同波长的光选择性吸收的结果。物质颜色和吸收光颜色的关系物质颜色和吸收光颜色的关系第七章 吸光光度法 物质吸收光的选择性物质吸收光的选择性当一束光照射到某物质的溶液时，该物质的质点(分子、原子或离子)与光子发生碰撞，光子的能量就可能转移到该质点上，使这些质点由最低能态(基态)跃迁到较高能态(激发态)： 式中：h为普朗克常量；为光子的频率；h为光子能量。当照射光的光子能量h与被照射物质的分子、原子或离子由基态到激发态之间的能量之差相当时，这个波长的光才可能被吸收，所以物质对光的吸收具有选择性。第七章 吸光光度法 吸收曲线吸收曲线如将不同波长的光照射某一固定浓度和

5、液层厚度的溶液，并测量每一波长下溶液对光的吸收程度(用吸光度A表示)，以吸光度为纵坐标，相应波长为横坐标，绘制作图，则得到一曲线，这种描述某组分吸光度A与波长的关系曲线，称为吸收曲线。 不同浓度KMnO4溶液的吸收曲线如图所示。二、二、 光吸收的基本定律光吸收的基本定律- -朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律 朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律 第七章 吸光光度法 朗伯定律朗伯定律如果溶液的浓度一定，则光的吸收程度与液层厚度成正比，此关系称为朗伯定律。表达式如下：式中：I0-入射光强度；I-透射光强度；A-吸光度；K1-比例常数；b-吸收池(亦称比色皿)液层厚度。第七章 吸光光度法 比尔定律比尔定律如

6、果吸收池液层厚度一定,吸光强度与物质浓度成正比,这种关系称为比尔定律，如下式：式中：c有色物质溶液的浓度；K2 比例常数。朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律如果同时考虑溶液的浓度及液层的厚度对光吸收的影响，则称为物质对光吸收的基本定律，即朗伯-比尔定律，数学表达式为：第七章 吸光光度法 物理意义： 当一束单色光平行照射并通过均匀的、非散射的吸光物质的溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c和液层厚度b的乘积成正比。吸光系数吸光系数a称为吸光系数，其数值及单位随b、c所取单位的不同而不同。当b的单位用cm，c的单位用gL-1时，吸光系数的单位为Lg-1cm-1；摩尔吸光系数摩尔吸光系数如果溶液浓度c的单位

7、用molL-1，b的单位用cm，则吸光系数就称为摩尔吸光系数，用符号表示，单位为Lmol-1cm-1。第七章 吸光光度法 摩尔吸光系数是物质吸光能力大小的量度。值大说明显色反应的灵敏度高，值小则显色反应的灵敏度低，大多数在104105数量级，根据值的大小可选择适宜的显色反应体系。 显然不能直接采用c为1 molL-1这样高的浓度来测定，一般均在很稀浓度下实验，所得数据按下式计算：AbcMa 第七章 吸光光度法 透射比透射比T T在吸光光度法中，有时也用透射比T来表示物质吸收光的能力大小，透射比T是透射光强度I与入射光强度I0之比，即TII0。T与A之间的关系为：第七章 吸光光度法 三、三、 偏

8、离朗伯偏离朗伯- -比尔定律的原因比尔定律的原因工作曲线工作曲线 采用吸光光度法定量分析某组分时，通常先配制一系列标准溶液，按所需条件显色后，选择测定波长和比色皿厚度，分别测定它们的吸光度A。以A为纵坐标，浓度c为横坐标，绘制浓度与吸光度的关系曲线，称为工作曲线(或称标准曲线)。第七章 吸光光度法 工作曲线法工作曲线法当溶液中待测组分服从朗伯-比尔定律时，此曲线为通过原点的一条直线，如图所示。在相同条件下测得试液的吸光度，从工作曲线上查得试液的浓度，进而计算试样中待测组分的含量，这就是工作曲线法(也称标准曲线法)。偏离朗伯偏离朗伯- -比尔定律比尔定律在实际工作中，溶液浓度大时，所得工作曲线将

9、呈往上或往下的弯曲形状，这种现象称为偏离朗伯-比尔定律。采用工作曲线法进行测定时，只能使用工作曲线的直线部分，若使用弯曲部分将引起较大的误差。偏离朗伯-比尔定律的主要原因是：第七章 吸光光度法 1、非单色光朗伯-比尔定律只适用于单色光，实际上仪器提供的入射光是波长范围较窄的复合光，即单色光的纯度不够，由于吸光物质对不同波长的光吸收程度不同，就会发生对朗伯-比尔定律的偏离。通常选择吸光物质的最大吸收波长max为入射光的波长，以保证测定有较高的灵敏度。2、化学因素溶液中的吸光物质常因解离、缔合或产生副反应而改变其浓度，导致偏离。因此应严格控制显色剂的用量，减少或避免这类偏离。3、其它因素待测试液是

10、胶体溶液、乳浊液或有悬浮物质，使吸光介质不均匀，当入射光通过溶液时，除有一部分光被溶液吸收外，还有部分光因散射而损失，也将导致偏离朗伯-比尔定律。第七章 吸光光度法 显色反应及显色条件的选择显色反应及显色条件的选择在可见光区的吸光光度分析中，首先要利用显色反应将待测组分转变为有色物质，然后进行测定。一、一、 对显色反应的要求对显色反应的要求 二、 显色条件的选择用吸光光度法测定物质的含量，要求严格控制显色反应条件，才能得到可靠的数据和准确的分析结果。 1 1、酸度、酸度酸度对显色反应的影响是多方面的。由于大多数有机显色剂是弱酸(或碱)，具有酸碱的性质，在水溶液中，除了显色反应外，还有副反应存在

11、，其平衡关系表示如下： 第七章 吸光光度法 酸度改变，将引起平衡的移动，使配位基团(R-)浓度变化，从而影响有色物质的浓度，甚至改变溶液的颜色；也可能引起待测组分M水解，使待测组分或共存组分的存在状态发生改变，甚至形成沉淀，这些情况对显色反应是不利的。因此，适宜的酸度是吸光光度法成败的关键。第七章 吸光光度法 酸度曲线酸度曲线 显色反应的适宜酸度，通常通过实验来确定。 具体方法是，将待测组分的浓度及显色剂的浓度固定，仅仅改变溶液的pH，分别测定溶液的吸光度A。以pH为横坐标，吸光度A为纵坐标，得到pH-A关系曲线，称为酸度曲线。例如，在测定铟时,用3，5-二溴水杨基荧光酮-铟-溴化三甲基十六烷

12、基 铵三元配合物显色体系，选用六亚甲基四胺-HCl缓冲溶液控制pH，使酸度稳定在合适范围，绘得如图所示的酸度曲线。在曲线上选择较为平坦的区间，从图所示应选择4.86.0的pH为测定范围，一般选择中间部分pH5.5为宜。第七章 吸光光度法 2. 2.显色剂用量显色剂用量 为了使显色反应进行完全，需加入过量显色剂。但显色剂不是愈多愈好，有时显色剂加入太多，反而引起副反应，对测定也不利。在实际应用中，是仿照上述酸度选择的方法，绘制吸光度与显色剂用量的关系曲线，如图所示。图中出现a至b平坦部分，可在ab区间选择合适的显色剂用量。此图为大多数情况。另外，还有些特殊情况，例如随着显色剂用量的增加，吸光度与

13、显色剂用量的关系曲线在达到平坦区域后，出现下降趋势，甚至不出现平坦区域，这些情况都应更加严格控制显色剂用量，否则测定结果不准确。第七章 吸光光度法 3 3、温度、温度显色反应通常在室温下进行，但有些反应必须加热才能反应完全。例如，钢铁分析中用硅钼蓝法测定硅含量，需在沸水浴中加热30 s先形成硅钼黄，然后经还原形成硅钼蓝；而且在室温下则要10 min才能显色完全。具体实验中，可绘制吸光度与温度的关系曲线来选择适宜的温度。4 4、显色时间、显色时间显色反应有的可瞬间迅速完成，但有的则要放置一段时间才能反应完全。也要通过实验得到吸光度与时间的关系曲线进行选择。 第七章 吸光光度法 5 5、溶剂、溶剂

14、有时在显色体系中加入有机溶剂，可降低有色物质的解离度，从而提高显色反应的灵敏度。例如，三氯偶氮氯膦与Bi3+在H2SO4介质(或HClO4介质)中显色时,为9.0104 Lmol-1cm-1,加入乙醇则可使提高到1.1105 Lmol-1cm-1，灵敏度提高22%。 6 6、溶液中共存离子的影响、溶液中共存离子的影响被测试液中往往存在多种离子，若共存离子本身有色，或共存离子能与显色剂反应生成有色物质，均会影响测定的准确度。消除共存离子干扰的常用方法如下： (1) 控制溶液的酸度例如，用二苯硫腙法测定Hg2+时，Cu2+、Zn2+、Pb2+、Bi3+、Co2+、Ni2+等可能与显色剂反应第七章

15、吸光光度法 而显色，但在强酸条件下，这些干扰离子与二苯硫腙不能形成稳定的有色配合物，因此可通过调节酸度消除干扰。 (2) 加入掩蔽剂例如，用偶氮氯膦类显色剂测定Bi3+时，Fe3+有干扰，可加入NH4F使之形成FeF63-无色配合物 ，消除干扰。 (3) 利用氧化还原反应，改变干扰离子的价态例如，用铬天青S测定铝时，Fe3+有干扰，加入抗坏血酸将Fe3+还原为Fe2+后，可消除干扰。 (4) 利用参比溶液消除显色剂和某些共存离子的干扰 (5) 采用适当的分离方法消除干扰。第七章 吸光光度法 三、三、 显色剂显色剂 无机显色剂：无机显色剂与金属离子生成的配合物大多不够稳定，灵敏度不高，选择性也不

16、太好，目前在吸光光度分析中应用不多。尚有实用价值的有：硫氰酸盐用于测定铁、钼、钨、铌等元素；钼酸铵用于测定硅、磷、钒，与之形成杂多酸。如磷肥中磷的测定，利用(NH4)2MoO4与PO43-形成(NH4)2HPMo12O40H2O杂多酸。还有利用H2O2与Ti在12 molL-1H2SO4介质中，形成的TiOH2O22+黄色化合物，应用于测定矿石中的钛。第七章 吸光光度法 有机显色剂:大多数有机显色剂能与金属离子生成稳定的螯合物。显色反应的选择性和灵敏度都较无机显色剂高，因此被广泛地应用于吸光光度分析中。几种常用的有机显色剂几种常用的有机显色剂第七章 吸光光度法 四、三元配合物四、三元配合物三元

17、配合物三元配合物三元配合物三元配合物是指由三种组分形成的单核或双核配合物，通常由一种中心金属离子和两种配位体形成。三元配合物比二元配合物的选择性好，灵敏度高，有的稳定性也有所提高。三元配合物的主要类型及其主要分析特性。1 1、三元混合配位配合物、三元混合配位配合物由一种中心金属离子和两种配位体组成。能否形成此类三元配合物，决定于中心金属离子的电子层结构、配位体的性质和体积大小等因素。若某种配位体能与多种金属离子发生配合反应生成二元配合物，当在体系中再加入另一种配位体时，受上述因素的制约，能同时与两种配位体配合的金属第七章 吸光光度法 离子的数目就大大减少了，因而提高了反应的选择性。例如，铌和钽

18、性质极其相似，被称为共生元素，它们都可与连苯三酚生成二元配合物，但在草酸介质中，只有钽能与连苯三酚形成黄色的钽-连苯三酚-草酸三元配合物，铌则不能形成类似的三元配合物，提高了测钽的选择性，解决了铌存在下测定钽的难题。2 2、离子缔合物、离子缔合物金属离子首先与配位体形成配阳离子或配阴离子，其配位数已饱和，配离子进一步与带相反电荷的离子以静电引力相结合，形成离子缔合物，又称离子对化合物。第七章 吸光光度法 例如:在pH310，Ag与1，10-二氮菲(phen)形成阳离子，再加入溴连苯三酚红阴离子BPR4-，形成离子缔合物Ag-(phen)22BPR2-，呈深蓝色，利用此反应测定微量Ag，灵敏度比

19、二苯硫腙法高一倍，选择性也好。离子缔合物的阳离子有碱性染料、1，10-二氮菲等；用于离子缔合物的阴离子有SCN-，F-，I-，Cl-，Br-，无机杂多酸等。用于分析的离子缔合物一般都有较深的颜色，含有疏水性较强的苯环、萘环等有机基团，表现出灵敏度高、可萃取性能好的分析特性。例如锡-硫氰酸根-结晶紫三元离子对配合物体系的摩尔吸光系数达1.5105 Lmol-1cm-1，能用于合金钢中微量锡的测定。第七章 吸光光度法 3 3、三元胶束配合物、三元胶束配合物在某些金属离子和显色剂形成的二元配合物中，加入含有长碳链的有机表面活性剂可形成三元胶束配合物。 低浓度的表面活性剂在水溶液中以离子或分子状态溶解

20、，当其浓度超过某临界值时，表面活性剂的长碳链部分由于疏水性而互相聚集，而带有电荷或具有极性的另一端由于亲水性而朝向外端，形成多个分子的聚集体-胶束。由于胶束的存在，增加了配合物在水中的溶解度(称为胶束增溶现象)，还可能使配合物的最大吸收波长向长波方向移动(称为红移)。因此，三元胶束配合物表现出水溶性好、灵敏度高的分析特性。有时由于胶束的存在，还能改善实验条件，拓宽反应的pH范围，提高配合物的稳定性等，第七章 吸光光度法 从而提高了分析方法的重现性和准确度。例如Al3+-水杨基荧光酮在HOAc-NH4OAc缓冲体系，pH5.86.5溶液中形成二元配合物，9.9103 Lmol-1cm-1。若在此

21、二元配合物中加入溴化十六烷基吡啶(简称CPB)后则形成三元配合物，此时1.4105 Lmol-1cm-1，灵敏度增加14倍。第七章 吸光光度法 测量条件的选择测量条件的选择测量条件主要包括入射光波长的选择、参比溶液和吸光度范围的选择等。 一、一、 入射光波长的选择入射光波长的选择入射光波长的选择应根据吸收曲线，通常以选择溶液具有最大吸收时的波长为宜。这是因为在此波长处值最大，测定有较高的灵敏度。同时，此波长处的小范围内，A随的变化不大，使测定有较高的准确度。如图两组分吸收曲线互不重叠。第七章 吸光光度法 如果测定某组分时，在最大吸收波长处，干扰物质也有吸收或强烈吸收，a为丁二酮肟镍的吸收曲线，

22、其最大吸收波长为470 nm，而从酒石酸铁的吸收曲线b可知在470 nm处也有吸收，因而对镍的测定产生干扰。但在520 nm处虽丁二酮肟镍的灵敏度稍低，而酒石酸铁干扰更小，所以应选择520 nm为入射光波长，以提高方法的准确度和选择性。丁二酮肟镍(a)和酒石酸铁（b）的吸收曲线第七章 吸光光度法 二、二、 参比溶液的选择参比溶液的选择参比溶液参比溶液将不含有待测离子的溶液或试剂放入一比色皿中，试液放入另一比色皿中，再调节仪器，使不含待测离子溶液处于T100%，此种溶液称为参比溶液。使用参比溶液是为了消除由于比色皿、溶剂及试剂对入射光的反射和吸收等带来的误差。选择参比溶液的总原则是：使试液的吸光

23、度真正反映待测组分的浓度，一般从以下几方面考虑：1. 当试液、显色剂及所用的其它试剂在测量波长处均无吸收，仅待测组分与显色剂的反应产物有吸收时，可用去离子水或纯溶剂作参比溶液。第七章 吸光光度法 2. 如果显色剂或加入的其它试剂在测量波长处略有吸收，应采用试剂空白(不加试样而其余试剂照加的溶液)作参比溶液。3. 如显色剂在测量波长处无吸收，但待测试液中共存离子有吸收，如Co2+、MnO4-等，此时可用不加入显色剂的试液为参比溶液，以消除有色离子的干扰。三、吸光度范围的选择三、吸光度范围的选择仪器测量不准确也会造成误差。在不同吸光度范围内读数对测定带来不同程度的误差。以朗伯-比尔定律为依据，经推

24、导可得：第七章 吸光光度法 式中 在有限次测量时，可用 代替，它表示浓度的相对误差；同理dT用T代替，它表示透射比读数的绝对误差。则上式可改写为：设T0.005，代入上式，算出不同透射比读数时浓度的相对误差，结果见下表：第七章 吸光光度法 上表数据作图如下:相对误差与透射比的关系图 当T0.368时A0.434，测量的相对误差为最小。当T为15%65%时，即A在0.20.8时测量的相对误差2%，能满足分析测定的要求，故吸光度在0.20.8为测量的适宜范围。第七章 吸光光度法 目视比色与分光光度计目视比色与分光光度计一、一、 目视比色法目视比色法目视比色法目视比色法用眼睛观察、比较待测物质溶液颜

25、色的色度以测定其含量的方法，称为目视比色法。常用的目视比色法是标准系列法。这种方法要使用一套由同种玻璃材料制成的形状、大小相同的平底玻璃管(亦称比色管)，依次分别在比色管中加入一系列不同量的标准溶液和待测试液，然后在相同的实验条件下进行显色反应，再加溶剂或水稀释至刻度，充分摇匀后，放置。从管口上方垂直向下观察颜色深浅，将待测试液与标准系列色阶比较，颜色深浅相同者，其待测物质含量亦相同。第七章 吸光光度法 第七章 吸光光度法 例如，环境分析中，测定水质中亚硝酸盐时，通常采用亚硝酸盐和对氨基苯磺酸起重氮化作用，然后与盐酸-萘胺偶合，生成紫红色染料，进行比色。此法适用于河水等污染不严重水质的测定。目

26、视标准系列法的优点目视标准系列法的优点仪器简单，操作简便，比色管的液层较厚，而人眼具有辨别很稀的有色溶液颜色的能力，故测定的灵敏度高，适宜于稀溶液中微量组分的测定。它的缺点它的缺点准确度较差，相对误差约为5%20%。如果试液中还有其它的有色物质，将有干扰，甚至无法测定。第七章 吸光光度法 二、二、 分光光度计分光光度计可见光区的吸光光度法，主要使用72型、721型、722型、751型分光光度计等仪器。这些仪器基本上均由光源、单色器或分光系统、比色皿及检测读数系统四大部分组成。1.721.72型分光光度计型分光光度计72型分光光度计主要部件有单色器、检流计和磁饱和稳压器三个部分，采用玻璃棱镜分光

27、获得单色光，其光学系统如动画所示。第七章 吸光光度法 2.7212.721型分光光度计型分光光度计721型分光光度计是在72型仪器的基础上改制成的。将单色器、磁饱和稳压器和检流计三个部件组合成一体，装置紧凑，性能更好，波长范围更宽，波段在360800 nm，应用更为方便。下图为721型分光光度计仪器结构示意图。 该仪器的光路系统与72型分光光度计基本相同，只是以光电管和放大器作为光电转换元件取代硒光电池。另外以微安表取代检流计。第七章 吸光光度法 3.7513.751型分光光度计型分光光度计751型分光光度计使用的波长范围，可从紫外光到近红外波段，其波长范围为2001100 nm。由氘灯和钨灯

28、提供光源。近年来，分光光度计除有上述特点外，还配有专用微处理计算机，可自动扫描，打印图谱，使分光光度法得到更迅速发展。第七章 吸光光度法 吸光光度法的应用吸光光度法的应用吸光光度法主要应用于微量和痕量组分的测定，有时也用于某些高含量物质的分析。近年来用于多组分物质的分析、配合物的组成和稳定常数的测定等。现简要介绍如下。一、一、 示差分光光度法示差分光光度法示差分光光度法的基本关系式示差分光光度法的基本关系式当待测组分含量较高，溶液的浓度较大时，其吸光度值往往超出适宜的读数范围，引起较大的测量误差，甚至无法直接测定。此时可采用示差分光光度法示差分光光度法。采用示差分光光度法测定常量组分时，用一个

29、比待测试液浓度稍低的标准溶液作为参比溶液，设参比标准溶液浓度为cs，待测试液浓度为cx，且cxcs，根据朗伯-比尔定律得到：第七章 吸光光度法 吸光度差值(称为相对吸光度)与浓度差值c成正比关系，这是。因为是用已知浓度的标准溶液为参比溶液，在仪器上调试T100%(即令As0)，故测得的吸光度就是相对吸光度。以浓度为cs的标准溶液作参比溶液，测定一系列浓度已知的标准溶液的相对吸光度A，作c-A工作曲线，由待测试液的A在上述工作曲线上查出相应的c，则cxcs+c。由于采用浓度cs的标准溶液作参比，测得的相对吸光度的数值将处于0.20.8的适宜读数范围内，因而示差分光光度法测定高含量的组分时，其测定的相对误差仍然较小，即提高了测定的准确度。此法可测定Mo，W，Ta，Ti，Al,SiO32-等高含量组分。第七章 吸光光度法 二、二、 溶液中多组分分析溶液中多组分分析 当试液中共存组分较多，吸收曲线可能相互间产生重叠而发生干扰时，可通过实验测量和计算下列解析式，不必分离，即可求得各组分的含量。现假定试液中有两个组分，