高中化学竞赛【分光光度法】课件

分光光度法

一概述

(一)比色分析与分光光度法

1比色分析基于比较有色物质溶液颜色的深浅来确定物质含量的分析方

法.

2分光光度法根据物质溶液对一定波长光的吸收程度来确定物质含量的分

析方法.

可见分光光度法波长范围400-760nm

紫外分光光度法波长范围200-400nm

(二)特点

(1)具有较高的灵敏度，适用于微量组分的测定。

(2)通常所测试液的浓度下限达10-5~10-6mol-LL

(3)吸光光度法测定的相对误差约为2%~5%。

(4)测定迅速，仪器操作简单，价格便宜，应用广泛

(5)几乎所有的无机物质和许多有机物质的微量成分都能用此法进行测定。

(6)还常用于化学平衡等的研究。

二分光光度法的基本原理

(一)电磁辐射的基本性质

1波动性C=Xv

2微粒性E=hc/X

一定波长的光对应一定的能量，即每个光子具有一定的能量.

(二)物质对光的选择吸收

1物质对光的选择性吸收

M+热

M+hM*

M+荧光或磷光

AE=Ei-Ei=hv

量子化；选择性吸收；

分子结构的复杂性使其对不

同波长光的吸收程度不同；

2分子光谱为带状光谱.

电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包

含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。分子光谱为带

状光谱.

=_______________1

v"二oB

一=

纯电子

J2跃迁

*

6一i1

4“纯转动纯振动

2

0跃迁跃迁V'=0

双原子分子的三种能级跃迁示意图

3吸收曲线

分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同，用不同波长的单色光照

射，测吸光度一吸收曲线与最大吸收波长2max

（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最

大吸收波长Xmax

（2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似4max不变。而对于不同物

质，它们的吸收曲线形状和amax则不同。

（3）吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。

C4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在4max处吸

光度A的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。

（5）在几max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是

定量分析中选择入射光波长的重要依据。

4可见光与溶液的颜色

（1）单色光与复合光

单色光具有一定波长的光.

复合光具有一定波长范围的光.

（2）互补色光适当颜色的两种单色光按一定比例混合可以得到白光，这两种颜

色的光称为互补色光

表物质颜色与吸收光颜色的互补关系

吸收光

物质颜色

颜色波长/nm

黄绿紫400~450

黄蓝450~480

橙绿蓝480~490

红蓝绿490〜500

紫红绿500〜560

紫黄绿560~580

蓝黄580~600

绿蓝橙600~650

蓝绿红650~780

（三）光吸收定律（朗伯-比尔定律）

1有关名词术语

入射光Io;吸收光la;透过光It

比色皿的厚度（光程，液层厚度）bcm.

透过率（透光率）T=U

Io

吸光度A=-lgT

2朗伯定律在一定条件下（入射光波长,C不变）,A与b成正比.

3比尔定律在一定条件下（入射光波长,b不变）,A与C成正比.

4朗伯-比尔定律A=kbC

K为比例常数，视浓度的单位而变化.

当浓度C的单位为mol/L时,k称为摩尔吸光系数用E表示，其单位为L/mol•cm

当浓度C的单位为g/L时,k称为吸光系数，用a表示，其单位为L/g-cm

a=—M为摩尔质量

M

5摩尔吸收系数£的讨论

（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；

（2）不随浓度C和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，E

仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；

（3）同一吸收物质在不同波长下的£值是不同的。在最大吸收波长入max处的

摩尔吸收系数£max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敏度。

4）可作为定性鉴定的参数；

（5）物质的吸光能力的度量

emax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

5

越高。£>10：超高灵敏；

£=（6〜10）X104：高灵敏；

£=104〜IO3：中等灵敏；

E<103：不灵敏。

（6）£在数值上等于浓度为1mol.L-1,液层厚度为1cm时该溶液在某一波长

下的吸光度。

6吸光度具有加和性几种物质的溶液在同一波长下都有吸光度，则总的吸光度

等于各种溶液吸光度的和

A=A1+A2+A3+…

（四）偏离比尔定律的原因

1.现象

标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其

当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯一比耳定律的偏离。

2.引起偏离的因素（两大类）

（1）物理性因素，

即仪器的非理想引起的非单色光引起的负偏离,单色光的纯度越差,

负偏离越严重

（2）化学性因素。

・朗伯一比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；仅在稀溶

液（cVlO,molL-1）时才基本符合。

当溶液浓度c>10々mol1-1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：朗伯一比耳定律只适用于稀溶液。

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。

例如有色化合物的离解

HA=H++A-

有吸收无吸收无吸收

C（l-a）CaCa

A=sb[HA]=EbC（l-a）

稀释n倍An=£b—（1-an）

n

由于aWan所以AWnXAn

即A与C不成正比,偏离比尔定律.如何解决呢?.

[HA]=C田'工,加入缓冲溶液控制PH一定，则分布系数不变，则[HA]与C成正

比，所以A与C成正比.

三分光光度计

四显色反应与条件的选择

1.显色反应将被测定组分转变成有色化合物的反应.例如

Fe3++SCN-=FeSCN2+（盐酸条件下）

血红色

2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>60nmo

3显色反应的种类

(1).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

生很强的紫外一可见吸收光谱

(2)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：钢中微量镒的测定，

2+22+

2Mn+5S2O8-+8H2O=2MnO<+10SO4-+16H

将Mi?+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：硫富酸盐、铝酸镂等。

有机显色剂：种类繁多

偶氮类显色剂：性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大，应用最广

泛。偶氮肿III、PAR等。

三苯甲烷类：铭天青S、二甲酚橙等

5显色反应条件的选择

⑴显色剂用量

吸光度A与显色剂用量cR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变

化平坦处。

(2)反应体系的酸度

在相同实验条件下，分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲

线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。

影响金属离子的存在状态;影响显色剂的浓度;影响显色剂的颜色;影响配合

物的络合比

(3).显色时间与温度

实验确定

(4).溶剂

⑸干扰的消除

光度分析中，共存离子如本身有颜色，或与显色剂作用生成有色化合物，都将干

扰测定。

加入配位掩蔽剂或氧化还原掩蔽剂

使干扰离子生成无色配合物或无色离子

选择适当的显色条件以避免干扰

用磺基水杨酸测定Fe3+离子时,G?+与试剂形成黄色络合物，干扰测

定，但如控制pH在2.5左右，Ci?+则不与试剂反应。

分离干扰离子

(6)副反应的影响

副反应存在对显色反应的影响

M+nR=MRn

ILIH+

[MRn]_[MRn]_K.

hMRn--------------------------------------------------------

IgK'MRn=lgKMRn-lgaM-n\gaR

幽U=K'MRnX[R'-NIO?可以认为显色反应完全.

[Ml

例1pH=2.0磺基水杨酸与Fe"生成1：1型络合物,设反应完成后,

剩余[Ssal']=1.0X10'mol/L.求显色反应的完全程度.

12

己知磺基水杨酸的Kal>>1;Ka2=3.0X10X=3.0XIO

磺基水杨酸与Fe，+络合物的lgK=14.4

121016

解aSsal(H)=i+—m+——m=io-

Ka3Ka2Ka3

IgK'MRn=lgKMRn-lgaM-nigaR=14.4-0-10.16=4.24

[Fe-Ss叫=104.24x1.0X10-2=102242102可以认为显色反应完全.

[Fei

]俨4

显色反应的完全程度-4^—X100%=99.4%

10224+1

五光度测量误差与测定条件的选择

（一）光度测量误差

A=£bC=-lgT

£bC=--^—InT

2.3

微分上式，得8bdC=-0.434—

T

两式相除，得—=0.434dT

CTlgf

也可以表示成处=0.434AT

CTlgf

由此可以看出：浓度测量误差Ac/c不仅与仪器的透射比的读数误差AT有关，而且与其透

射比T的范围也有关。

是否存在最佳读数范围？何值时误差最小？

设：AT=0.01

T=0.01行。,前扁X100=-21.7%

T=0.20—=-3.1%

C

AC

T=0.95—=-20.5%

C

作Ac/c~T关系曲线，得

T在15%〜65%之间时,A=0.20〜0.80时，浓度测量相对误差较小，

浓度相对误差最小时的透射比Tmin为：

Tmin=36.8%,Amin=0.434浓度测量相对误差最小

例2某钢样含银0.12%用丁二酮月亏光度法测定（£=1.3X104L/mol•cm）,试样溶解后，

转入100mL容量瓶中，显色,并加入水稀至刻度.取部分试液于波长470nm处,用

1cm比色皿进行测量.如果希望此时的测量误差最小,应称取试样多少克？

解测量误差最小时,A=0.434,由吸收定律得

0-434

C=—=—=3.34X10「5mol/L

£b1.3xl04xl

3.34x10smol-r'xl00mLx5869g•"血’

0.12=-----------------------------------------------------------------x100

W

解得W=0.16g

（二）测量条件的选择

1选择适当的入射波长

一般应该选择Xmax为入射光波长。

如果4max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。

如图选500nm波长测定，灵敏度虽有所下降，却消除了干扰，提高了测定的准确度和

选择性。

2控制适宜A的读数范围

控制A=0.20〜0.80时，浓度测量相对误差较小，

通过改变吸收池厚度或待测液浓度，使吸光度读数处在适宜范围。普通分光光度法不适

于高含量或极低含量物质的测定。

3选择参比溶液所遵循的一般原则：

⑴若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用纯

溶剂（水）作参比溶液；

⑵若显色剂或其他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；

（4）若显色剂、试液中其他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。

六分光光度法的应用

（一）单组分的测定

1已知£法

例3称取Fe试样使0.200g/25mL容量瓶,取其5.00mL显色，定容至25mL容量

瓶后在b=lcm,测得A=0.440定容后，已知摩尔吸光系数£=1.1X104L/mol•cm.

求Fe%

解由吸收定律得

C=—=—0.440=4.0X]0-5mo]/L

£bl.lxlO4xl

4.0xl(y5义25.0义55:86

Fe%=1000X100=0.14%

5.0

0.200x

25.0

2标准比较法根据比尔定律，得2A垃=C三

A样。样

例4称取铁标准使0.500g/100mL容量瓶,取其10.0mL定容至100mL容量瓶后,

取5.00mL显色，定容至50mL容量瓶后在b=lcm,测得A=0.230,称取含铁试样

使1.500g/250mL容量瓶,取其5.00mL显色，定容至50mL容量瓶后在b=lcm,测

得A=0.200,求Fe%

解由吸收定律得

0.500gx10.0mL

C—=5.0X10-6g/mL

lOOOmLx100.050.0

由标准比较法

Cw-31=4.35X10-6g/mL

45x1O-6x50O

Fe%=X100=0.725%

1.500-

3标准曲线法（工作曲线法）在一定条件下,A对C作图所得到的一条通过原点的

一条直线，叫做标准曲线.

配置一系列浓度不同的待测组分的标准溶液，在相同条件下测定A,然后A对C

作图得到做标准曲线.

再按相同方法配置样品溶液,利用与测定标准溶液相同条件下，测定A,最后从

标准曲线上查得样品溶液中待测组分的浓度.

（二）多组分的测定

各组分的吸收曲线相互重叠,在各组分最大吸收波长处测定A,根据吸光度

具有加和性的原理,列出方程组,解联立方程组,可以求得各组分的浓度.

图9-16吸光光谱不重叠图9-17吸收光谱重叠

=Xy

AXIEXIXCx+ExiXCy

=x

Ai2Ex2xCx+白y2xCy

例5Ti和V与H2O2生成有色络合物.今以50.0mL1.06X102mol/L的钛

标准溶液显色后定容至100mL容量瓶中；25.0mL6.28X1(Tmol/L的钢标准溶

液显色后定容至100mL容量瓶中.另取20.0mL含钛和钢的未知液以相同方法显色.

这三份溶液用b=lcm吸收池,在415nm和455nm测定A如下

溶液A(415nm)A(455nm)

Ti0.4350.246

V0.2510.377

混合液0.6450.555

求未知液中Ti和V的浓度各为多少?

解先求出四个£

£4i5Ti=-----------:---------------=8.20X102L/mol•cm

50.0xl.06xW3,

---------------------xl

100.0

€415V=------------:--------------=1.59X102L/mol•cm

25.0x6.28xlO-3,

---------------------xl

100.0

E455Ti=------------:---------------=4.64X102L/mol•cm

50.0xl.06xW3,

---------------------xl

100.0

S455v=------------:--------------=2.40X102L/mol•cm

25.0x6.28xlO-3,

---------------------xl

100.0

列出方程组

22

A4I6=8.20X10XCTi+l.59X10XCv=0.645

22

A&55=4.64X10XCn+2.40X10XCv=0.555

-3

解联立方程组，得。尸5.42X10-4mol/L;Cv=1.26X10mol/L

100.0X5.42x10-4

考虑稀释因素，得Gk=2.71X0mol/L

20.0

CV=100.0X1.26X10-3=L26XI（）_3MOL/L

20.0

(三)示差分光光度法-高含量组分的测定

1原理

设标准溶液的浓度为C标；样品溶液的浓度为C样

在相同条件下，测得Ag=£bC标

A样=£bC样

两式相减，得AA=A样一A标=£b(C样-C标)

即样品溶液与标准溶液吸光度之差与其浓度的差成正比.

2示差分光光度法与普通分光光度法的主要区别

普通光度法：cs:7s=10%,ex:7x=5%,

示差法：cs:7s=100%,ex:7r=50%,

透射比读数标尺扩大了十倍。读数落入适宜读数范围内，提高了测

量的准确度。

例6丁二酮后光度法测定某钢样银(含银＞10%)选取Ni%=6.12%标准溶液作参比溶液，另

取另一标准样品Ni%=11.49%.若将标准和样品溶液在相同条件下测得A标=0.47;A样

=0.52,求样品中Ni%=?

解AA标气b(H.49-6.12)=0.47

△A样=eb(x-6.12)=0.52

两式相除，得x=12.06

所以样品中Ni%=12.06%

(四)酸碱电离常数的测定

用于测定对光有吸收的弱酸(碱)的离解常数。

HL=H++匚

有吸收无吸收有吸收

(1)配制一系列总浓度(c)相等,而pH不同的HL溶液

(2)测定各溶液的pH值。

⑶在酸式(HL)或碱式(L-)最大吸收波长处，测吸光度。

根据吸光度具有加和性的原理,得

A=£HLb[HL]+£Lb[L]

根据分布系数的概念

A=£HLbCHL——+sLbOHL——

[H+]+Ka[H+]+Ka

(4)假设高酸度时，[H]>>Ka,弱酸全部以酸式形式存在，贝U：

A=EHLbCHL

⑸在低酸度时，[H]<VKa,弱酸全部以碱式形式存在，则：

L

4=sbCHL

令b=lcm,整理上式得

4田+]Ka

ASHL-----------------------+4

[H+]+Ka[H+]+Ka

A_A

Ka=―、H+]

A-AL

pKa=pH+log......-

ALHITL-A

或pH=pKa-log......-

AHL-A

这就是光度法测定一元弱酸离解常数的基本公式。

可以利用代数法求解

A_A

或作图法，以pH对log------作图,截距为pKa

AHL-A

A+A

另外，当……时，即则此Ka

例7测定甲基橙的Ka.甲基橙的C=2.0Xl(rmo1/L,b=1cm,520nm

pH0.881.172.993.413.954.895.50

A0.8900.8900.6920.5520.3850.2600.260

解AFO.890;AL=0.260

A_A0.692-0.260

pKapH+log-------=2.99+log=333

AHL-A0.890-0.692

工,A-AQ)_.0.552-0.260

pKa=pH+log-------L=3.41+log------------=3Q.35

AHL-A0.890-0.552

IA-A°QQ]0.385-0.260*

pKa=pH+log......L-=3.95+log------------=3Q.34

AHL-A0.890-0.385

取平均值pKa=3.34

或作图

例8测定漠甲酚绿的Ka.在615nm出只有Irf有吸收,b=lcm,在次波长下,

测得数据如下520nm

pH4.184.484.624.795.10

A0.1150.1870.2340.2870.360

当pH大于6.0时,指示剂全部转变为In；测得AIn=0.481

解AFO.890;AL=0.260

A=Elnb[lrr]

ln

Ajn=EbCHIn

AAA—A

[HIn]=CHin-[ln]=

6bcb力

[H+][In记_[H+]A

[HIn]A—AA]。-A

6b

logAin-A

pKa=pH+

A

代入数据

।0.481-0.187/

pH=4.48pKa=4.48+log------------=4.6r8o

0.187

pH=4.62pKa=4.62+log------------=4.64

0.234

।0.481-0.287/

pH=4.79pKa=4.79十log------------=4.62

0.287

取平均值pKa=4.65

A_A

如果按pKa=pH+logL公式求解,不对，因为pH=4.18时A=0.H5

AHL-A

不是AHI„

(五)配合物组成及稳定常数的测定

1摩尔比法

M+〃L=MLn

(1)配置金属离子浓度@固定，而配位体浓度Q逐渐改变的不同溶液的

吸光度。作图

⑵当cj时，配位不完全

当cjCM>〃时，配位完全

例9邻二氮菲测Fe”,[Fe31]=[phen]=7.12X10-4mol/L

3+2++

加入盐酸羟胺使4Fe+2NH20H•HC1=4Fe+N20+6H+H20+2CU

Fe2+(mL)phen(mL)A

12.002.000.240

22.003.000.360

32.004.000.480

42.005.000.593

52.006.000.700

62.008.000.720

72.0010.000.720

82.0012.000.720

稀释至25.00mL

M+77phen=M(phen)n

CaCaC(l-a)

K_C(1-«)_1-a

h卷--------------------------------------------------

"Ca-n"(CayCn-nnan+,

关键是求a

设全部络合(不离解)Ao=£bCMLn

设络合完全(部分离解)A=eb[MLn]

a-CMLn-[ML]_Ao-A

CMLIIAO

根据数据作图可得Ao=0.720.A=0.700;n=3

衣z