第二章 比色分析与分光光度分析

第二章比色分析与分光光度分析KMnO4水溶液呈深紫色，K2CrO4溶液呈黄色，CuSO4溶液呈蓝色……当这些有色物质溶液的浓度发生变化时，溶液颜色的深浅也随之改变，浓度越大，颜色越深----可以通过比较溶液颜色的深浅来测定物质的含量。§2-1吸光光度法这种基于比较溶液颜色的深浅进行定量分析的方法，称为目视比色法。随着近代测试仪器的发展，目前已普遍采用分光光度计进行比色分析，应用分光光度计的分析方法称为分光光度法。通过深入研究，人们发现：

吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。一、吸光光度法定义吸光光度法比色分析法——目测

物质呈现不同的颜色其本质是对光的选择性吸收；颜色深浅随浓度而变化是对光的吸收程度不同。

1.灵敏度高：常用于测定试样中质量分数为（10-2～10-8）的微量或痕量组分。

二、吸光光度法特点2.准确度高：一般分光光度法的相对误差2～5％，能够满足微量组分的测定要求。

3.仪器简单，操作简便、快速4.应用广泛

在化工、医药、冶金、环境保护、地质等诸多领域已成为必不可少的测试手段之一。

几乎所有的无机离子和许多有机化合物都能直接或间接用吸光光度法测定。§2-2吸光光度法的基本原理一、物质对光的选择性吸收二、光吸收基本定律—Lambert-Beer定律三、朗伯-比尔定律的分析应用—溶液浓度的测定方法四、偏离朗伯—比耳定律的原因内容提要1.光的基本性质光是一种电磁波射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可见光一、物质对光的选择性吸收电磁波谱2.关于光的几个术语可见光：人眼能感觉到的那一小段光，波长范围约400～760nm

单色光：单一波长的光组成，单色光其实是一种理想的“单色”，实际上含有少量其它波长的色光复合光：由不同波长的光组合而成的光互补色光：两种适当颜色的单色光按一定强度比例混合可得到白光，这两种单色光称为互补色光。蓝黄紫红绿紫黄绿绿蓝橙红蓝绿图中处于对角线上的两种单色光为互补色光。例如蓝色光和黄色光、绿色光和紫红色光互补等3.光的选择性吸收和溶液的颜色

一种物质呈现何种颜色，与入射光组成和物质本身的结构有关,而溶液呈现不同的颜色是由于溶液中的吸光质点(离子或分子)选择性地吸收某种颜色的光而引起的。

常见的有下列三种情况：③如果对某种色光产生选择性吸收，则溶液呈现透射光的颜色，即溶液呈现的是它吸收光的互补色光的颜色。如硫酸铜溶液选择性地吸收了白色光中的黄色光，所以呈现蓝色。①当白光通过某一均匀溶液时，如果各种波长光几乎全部被吸收，则溶液呈黑色。②如果入射光全部透过（不吸收），则溶液无色透明。溶液的颜色与光吸收的关系完全吸收完全透过吸收黄色光光谱示意表观现象示意复合光物质呈现颜色与吸收光波长的关系见下表。不同颜色的可见光波长及其互补光红650～760绿蓝橙610～650蓝黄580～610紫黄绿560～580红紫绿500～560红蓝绿490～500橙绿蓝480～490黄蓝450～480黄绿紫400～450互补光颜色/nm蓝绿

互补色光和各种颜色光的波长范围，可作为光度测定时选择测量波长的参考4.吸收曲线

任何一种溶液对不同波长光的吸收程度是不一样的。

若以不同波长的光照射某一溶液，并测量每一波长下溶液对光的吸收程度（即吸光度A），以吸光度为纵坐标，相应波长为横坐标，所得A-λ曲线，称为吸收曲线。它更清楚地描述了物质对光的吸收情况。四种不同浓度KMnO4溶液的吸收曲线300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收曲线③同一物质不同浓度的溶液，在一定波长处吸光度随溶液浓度的增加而增大

——定量分析的依据②同一物质的吸收曲线相似，max不变；不同物质吸收曲线的形状和max均不相同，据此可作为物质定性分析的依据

定量分析时，在max处测定A，其灵敏度最高，因此吸收曲线是吸光光度法选择测量波长的重要依据。从图中可以看出：①吸光度最大处的波长称为最大吸收波长，用λmax表示，例如的KMnO4溶液的

λmax

=525nm。注意！二、光吸收基本定律:Lambert-Beer定律当一束平行单色光，通过一均匀的溶液后，光的强度会减弱。I0=Ia+It入射光强度吸收光强度透过光强度1.透光度T

（透射比）Transmittance定义透光度：T取值为0.0~1.0全部吸收~~~~全部透射A=lg(1/T)=-lgT2.吸光度A(Absorbance）A取值为0.0~∞全部透射~~~全部吸收二者关系为：定义吸光度：3.光吸收基本定律——朗伯-比尔定律

朗伯和比尔分别研究了吸光度与液层厚度和吸光度与浓度之间的定量关系，合称朗伯-比尔定律，其数学表达式为：吸光度吸收层厚度(cm)吸光质点浓度A=lg(I0/It)=kbc

物理意义:

当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质时，其吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正比——吸光光度法定量分析的理论基础K的取值与浓度的单位有关K

比例常数入射光波长物质的性质温度4.吸光系数与摩尔吸光系数A=kbc①当c的单位为g·L-1时，比例常数用a表示，称为吸光系数

A＝abρ②当c的单位用mol·L-1时，比例常数用表示,称为摩尔吸光系数

A＝bca

的单位:L·g-1·cm-1的单位:L·mol-1·cm-1A＝bc

或A＝a

bρ

以A为纵坐标，浓度c(ρ)为横坐标，绘制的A-c(ρ)曲线称为工作曲线。三、朗伯-比尔定律的分析应用—溶液浓度的测定方法01.02.03.04.0ρ(mg/mL)A。。。。0.800.600.400.200.00工作曲线法：

测定试样中某组分含量时，先配制一系列该组分的标准溶液，按所需条件显色后，在选定的波长和吸收池厚度下，分别测定它们的吸光度A。

在相同条件下测定样品溶液的吸光度，从工作曲线上查得样品溶液的浓度，进而计算试样中待测组分的含量。01.02.03.04.0ρ(mg/mL)A。。。。*0.800.600.400.200.00Axcx样品的测定四、偏离朗伯—比耳定律的原因

用标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现当溶液浓度较高时标准曲线常发生弯曲，这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素：（1）物理性因素，即仪器的非理想引起的；（2）化学性因素。1.物理性因素

吸收定律成立的前提条件之一是入射光为单色光，但实际上难以获得真正的纯单色光。

在实际工作中，为了避免非单色光带来的影响，一般选用峰值波长进行测定。

分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带，而复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。选用峰值波长，也可以得到较高的灵敏度。2.化学性因素

溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时，使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。当溶液浓度c>10-2mol/L时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：

2CrO42-＋2H＋

=Cr2O72-＋H2O

溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。§2-3显色反应及显色条件的选择

可见光区的吸光光度分析，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。显色剂：将待测组分转变为有色物质的化学试剂显色反应：M+RMR被测组分有色物质显色剂M+RMR一、对显色反应的要求1.选择显色反应时，应考虑的因素灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求△>60nm。2.配位显色反应

当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外—可见吸收光谱。3.氧化还原显色反应

某些元素的氧化态，如Mn（Ⅶ）、Cr（Ⅵ）在紫外或可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行显色后测定。

例如：钢中微量锰的测定，Mn2＋不能直接进行光度测定

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4＋

+10SO42-＋16H+

将Mn2＋氧化成紫红色的MnO4＋后，在525nm处进行测定。4.显色剂

无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。有机显色剂：种类繁多

偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物后，颜色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂Ⅲ、PAR等。

三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等影响因素二、显色条件的选择M+RMROH-M（OH）nH+HnR显色剂用量酸度温度显色时间溶剂溶液中共存离子1.显色剂用量

为使显色反应完全，需加入过量的显色剂，但有时显色剂太多，引起副反应，用量通过实验选择。固定c(M)、pH，改变c（R）：c(R)c(R)c(R)2.显色反应酸度pH酸度对显色反应有影响，要控制合适的酸度，通过实验确定。固定c(M)、c(R)，改变pH25℃50℃t/minA3.显色温度及显色时间

显色反应要在合适的温度下进行；有的显色反应瞬间完成，有的需要放置一定时间。有的放置时间太长不稳定，通过实验选择。固定c(M)、c(R)、pH，改变温度和时间

有时在显色反应中加入有机溶剂，可提高显色反应的灵敏度。4.溶剂5.溶液中共存离子的影响

共存离子有色或显色剂反应生成有色物质干扰测定，需设法消除或提前分离之。三、共存离子干扰的消除1.加入掩蔽剂

选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分的测定。例：测定Ti4＋，可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色)成为Fe(PO４)23-(无色)，消除Fe3+的干扰；又如用铬天菁S光度法测定Al3+时，加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为Fe2+，消除Fe3+的干扰。2.选择适当的显色反应条件3.分离干扰离子四、测量条件的选择

吸光度的测量：将被测溶液盛放在吸收池中，放入分光光度计光路中。如图所示：MR吸收试样中其他成分吸收溶剂和试剂吸收吸收池对光的反射和吸收A=lg(I0/It)

目的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。A（样品）=A（MR）+A（干扰）+A（吸收池）A（参比）=A（干扰）+A（池）=0

为了使吸光度真正反映待测组分的浓度，需扣除非待测组分的影响——使用参比溶液

参比溶液：将不含待测离子的溶液或试剂加入一比色皿中，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T=100%（A=0）处，此种溶液为参比溶液。A（样品）-A（参比）=

A（MR）=kbc

1.选择适当的入射波长

一般应该选择λmax为入射光波长。如果λmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。2.控制适宜的吸光度范围

浓度测量值的相对误差（Δc/c）不仅与仪器的透光度误差ΔT有关，而且与其透光度读数T的值也有关。应控制A：0.2~0.8之间。控制方法：1）控制溶液浓度

A>0.8时，稀释后测量；A<0.2时，扩大取样量或浓缩后测量。2）控制液层厚度

A>0.8时，选择光程小的吸收池；A<0.2时，选择光程大的吸收池。

3.选择合适的参比溶液

为什么需要使用参比溶液？

测得的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。

参比溶液的选择一般遵循以下原则：

⑴若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水)作参比溶液；⑵若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收，而试液本身无吸收，用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液；

⑶若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液；

⑷若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。提高光度测定灵敏度和选择性的途径1.合成新的高灵敏度有机显色剂2.采用分离富集和测定相结合3.采用三元(多元)配合物显色体系

由一个中心金属离子与两种(或两种以上)不同配位体形成的配合物，称为三元(多元)配合物。

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多元配合物显色反应具有很高的灵敏度，一方面是因为多元配合物比其相应的二元配合物分子截面积更大；另一方面是因为第二或第三配位体的引入，可能产生配位体之间、配位体与中心金属离子间的协同作用，使共轭π电子的流动性和电子跃迁几率增大。三元配合物主要类型有：三元离子缔合物、三元混配配合物、三元胶束(增溶)配合物。五、吸光度范围的选择

仪器光源不稳定、实验条件的偶然变动、读数精度变动等都会带来测量误差。光度分析误差化学因素仪器因素浓度测量的相对误差与T(或A)的关系：仪器读数误差对于给定的仪器，读数误差ΔT为一常数1086420204060800.70.40.20.1AT/%Er(36.8)0.434实际工作中，应控制T在15～65％,A在0.2～0.8之间(调c,b,)

因此，在不同的吸光度范围内仪器读数对测定带来不同程度的误差。§2-4目视比色与分光光度计一、光度分析的几种方法

用眼睛观察比较标准液和待测液的颜色测其含量。比色管观察方向1.目视比色法c4c3c2c1c1c2c3c4标准系列未知样品

方法方便、灵敏，准确度差。2.吸光光度法和分光光度计分光光度法的基本部件通过棱镜或光栅得到一束近似的单色光波长可调,故选择性好,准确度高光源单色器样品室检测器显示单波长单光束分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器显示721分光光度计（以后替换成本系722型）

可见分光光度计

紫外-可见分光光度计（1）分光光度计的主要部件光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够 的光强度,稳定。 可见光区：钨灯，碘钨灯(320～2500nm)

紫外区：氢灯，氘灯(180～375nm)单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的 装置

光源单色器样品室检测器显示

2.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；

④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。入射狭缝准直透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光红紫λ1λ2吸收池：(比色皿)用于盛待测及参比溶液。 可见光区：光学玻璃池 紫外区：石英池如何鉴别石英比色皿与玻璃比色皿1、把空比色皿放在仪器里面扫描，你会发现：在200－300nm之间有吸收的是玻璃比色皿，没有吸收的就是石英比色皿，

2、样品室不放置任何样品，波长设置250nm，调零。将比色皿被放置在样品道，吸光值小于0.07Abs的是石英的，反之是玻璃的。553、比色皿上边标有字母Ｓ的是石英比色皿，另外最好在紫外区做对比，有吸收的为玻璃比色皿。4、根据阿基米德原理，测一下两个比色皿的密度。5、紫外和可见用的比色皿是不同的，标Q和S的都是石英的

，石英比色皿，紫外光区200-