第二十章--比色法和分光光度法課件

1、20.1 概概 述述 20.1.1 光度分析法的特點光度分析法的特點 20.1.2 物質(zhì)對光的選擇性吸收物質(zhì)對光的選擇性吸收 20.1.1 光度分析法的特點光度分析法的特點 有色物質(zhì)顏色的深淺和濃度有關(guān)，利用比較溶液顏色深淺來測定含量的分析方法稱為比色分析法。 目視比色稱為比色法比色法；利用分光光度計測試，稱為分光光度法分光光度法。 光度分析法特點： (1) 具有較高的靈敏度。 一般物質(zhì)可測到10-310-6 molL-1 (2) 有一定的準(zhǔn)確度。 相對誤差為2%5% (3) 操作簡便、快速，選擇性好，儀器設(shè)備簡單。 (4) 應(yīng)用廣泛。 20.1.2 物質(zhì)對光的選擇性吸收物質(zhì)對光的選擇性吸收

2、在可見光區(qū)(400760nm)不同波長的光具有不同的顏色。 溶液呈現(xiàn)一定的顏色是對光選擇性吸收的結(jié)果。當(dāng)一束白光通過一有色溶液時，某些波長的光被溶液吸收，另一些波長的光則透過，溶液的顏色由透過光決定。 透射光與吸收光又可組成白光，這兩種光稱為互補色互補色光。光。 如CuSO4溶液呈藍(lán)色就是吸收了白光中黃光。白光紅橙黃綠青青藍(lán)紫紅藍(lán) 如果將不同波長的光通過一固定濃度和厚度的有色溶液，測量每一波長下有色溶液對光的吸收程度（吸光度A），然后以波長為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，得一曲線，稱吸收曲線。吸收曲線。 圖中、三條曲線，代表同一被測物質(zhì)含量由高到低的吸收曲線。鄰二氮雜菲亞鐵溶液的吸收曲線 （1）

3、同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長max （2）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，max不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和max則不同。 （3）在max處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。20.2 光吸收的基本吸收定律光吸收的基本吸收定律 20.2.1 朗伯朗伯-比爾定律比爾定律 20.2.2 吸光度的加和性吸光度的加和性 20.2.3 對對朗伯朗伯-比爾定律的偏離比爾定律的偏離20.2.1 朗伯朗伯-比爾定律比爾定律 當(dāng)一束平行的單色光通過均勻、透明的有色溶液時，如溶液的濃度越大、

4、液層厚度越大，則光強度的減弱越顯著 。bcIIAt0lgI0：入射光強度；It：透射光強度 “A” ” 稱為吸光度稱為吸光度，量綱為1 。 溶液對光的吸收程度越大，則透射光強度越小 ，A越大。 吸光度測量中，也用透光度T表示0IITtbcTTAlg1lg透過光強度越大， T值越大。 b：液層的厚度 cm； c：溶液的濃度 gL-1 K：吸光系數(shù)：吸光系數(shù) L g-1 cm-1 如“c”的單位：molL-1，此時的吸光系數(shù)稱為摩摩爾吸光系數(shù)爾吸光系數(shù) kkbcA k：摩爾吸光系數(shù) L mol-1 cm-1 式中M為摩爾質(zhì)量 MK k 是是吸吸光光物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)物質(zhì)在一定波長

5、和溶劑條件下的特征常數(shù)。 在溫度和波長等條件一定時， k 僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測物濃度無關(guān)。 k 是吸光物質(zhì)吸光能力的量度， k 值越大， 光度法測定該物質(zhì)的靈敏度越高。 由實驗結(jié)果計算時，常以被測物質(zhì)的總濃度代替吸光物質(zhì)的濃度，這樣計算的 k 值實際上是表觀摩爾吸光系數(shù)。 分光光度分析的靈敏度還可以用桑德爾靈敏度S表示。S是指當(dāng)儀器的檢測極限為A=0.001時，單位截面積光程內(nèi)所能檢測出來的吸光物質(zhì)的最低含量，其單位為g cm-2。 S = M/ k 例例20-1：已知含F(xiàn)e2+濃度為1.0mgL-1的溶液，用鄰二氮菲光度法測定鐵(Fe2+與鄰二氮菲反應(yīng)，生成橙紅色配合物)。使用

6、厚度為2 cm的吸收池，在波長510nm處測得 吸光度A= 0.390。計算該配合物的 摩爾吸光系數(shù)。 解：解：已知鐵的相對原子質(zhì)量為 55.85。1145101 . 1108 . 12390. 0cmmolLbcA153108 . 185.55100 . 1Lmolc 例：例：用雙硫腙光度法測定Pb2+。 Pb2+的濃度為0.08mg/50mL，用2 cm比色皿在520 nm下測得 T = 53%，求 k。 解：解：已知鉛的相對原子質(zhì)量為 207.216107 . 7502 .20708. 0Lmolc28. 0%53lglgTA1146108 . 1107 . 7228. 0cmmolLb

7、cAk20.2.2 吸光度的加和性吸光度的加和性 在含有多組分的體系中，若各組分對同一波長的光都有吸光作用，且各組分的吸光物質(zhì)彼此不發(fā)生作用，則測得的吸光度等于各組分的吸光度之和。 A = A1+A2+A320.2.3 對朗伯對朗伯-比爾定律的偏離比爾定律的偏離 1.比爾定律的局限性比爾定律的局限性 2.2.非單色入射光引起的偏離非單色入射光引起的偏離 3.3.由于溶液本身發(fā)生化學(xué)變化的原因由于溶液本身發(fā)生化學(xué)變化的原因 引起的偏離引起的偏離 1.比爾定律的局限性比爾定律的局限性 通常在用分光光度法進(jìn)行分析時，多采用標(biāo)準(zhǔn)工作曲線法。即固定液層厚度、入射光的波長，測定一系列不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光

8、度，此時A與c應(yīng)成直線關(guān)系。 在實際工作上，特別是在濃度較高時，常出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)曲線不為直線，即偏離了朗伯比爾定律。 比爾定律是一個有限制性的定律，它假設(shè)入射光為單色光，吸收粒子間沒有干擾。因此僅在稀溶液中才適用。在高濃度時，由于吸光物質(zhì)微粒間相互影響，從而改變了它對光的吸收能力，使吸光度與濃度的線性關(guān)系發(fā)生偏離。2. 非單色光引起的偏離非單色光引起的偏離 比爾定律假設(shè)入射光為單色光，但是目前儀器所能提供的入射光不是嚴(yán)格的單色光，是由波長范圍較窄的光帶組成的復(fù)合光。 A = k b c，k 在一定波長下是一常數(shù)，如入射光不為單色光，則k不為常數(shù)，A 與c 不成直線關(guān)系。 在最大吸收波長附近通常有一個

9、吸收強度相差較小的區(qū)域，如入射光在此范圍內(nèi)，因k 變化較小，引起的偏離也較小，A與c基本上呈直線關(guān)系。 Amax3.由于溶液本身發(fā)生化學(xué)變化由于溶液本身發(fā)生化學(xué)變化 的原因引起的偏離的原因引起的偏離 由于被測物質(zhì)在溶液中發(fā)生締合、離解或溶劑化、互變異構(gòu)、配合物的逐級形成等化學(xué)因素，造成對比耳定律的偏離。 Cr2O72- + H2O 2CrO42- + 2H+橙色黃色 應(yīng)控制條件，使溶液中僅存在Cr2O72-或CrO42- ，這樣，c與A 之間才成直線20.3 比色法和分光光度法及其儀器比色法和分光光度法及其儀器 20.3.1 目視比色法目視比色法 20.3.2 分光光度計的基本部件分光光度計的

10、基本部件 20.3.3 常用的幾種分光光度計常用的幾種分光光度計20.3.1 目視比色法目視比色法 目視比色法是一種用眼睛辨別溶液顏色的深淺，以確定帶測組分含量的方法。 常用標(biāo)準(zhǔn)系列法，在一套等體積的比色管中，加入不同體積的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別加入等量顯色劑及其它試劑，待測液在同樣條件下顯色。稀釋至刻度，搖勻。比較待測液和標(biāo)準(zhǔn)色階溶液的顏色深淺，確定待測液的濃度。 目視比色法儀器簡單，操作簡便，但準(zhǔn)確度較差。20.3.2 分光光度計的基本部件分光光度計的基本部件 1. 光源光源 作用：發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜。要求具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。 可見光區(qū)常用鎢燈、或碘鎢燈，波

11、長范圍：3202500 nm光源單色器吸收池檢測系統(tǒng)讀數(shù)指示器2. 單色器單色器 作用：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光。單色器由棱鏡和光柵等色散元件及狹縫和透鏡組成。 入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器； 準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束； 色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵； 聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫； 出射狹縫。 3. 吸收池吸收池 作用：用于盛放試樣溶液。也叫比色皿。 吸收池主要有石英和玻璃兩種。在紫外區(qū)須采用石英吸收池，可見區(qū)一般用玻璃吸收池。 吸收池大多是長方形的，一般儀器都配有一套厚度為0.5、1、2、3cm的吸收池。吸收池放置

12、的位置應(yīng)使透光面垂直于光束方向。 4. 檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng) 作用：將光強度轉(zhuǎn)化為電流進(jìn)行測量。光電轉(zhuǎn)換器對測定波長范圍內(nèi)的光有快速靈敏的響應(yīng)，產(chǎn)生的電流應(yīng)與光電轉(zhuǎn)換器上的光強度成正比。 常用的光電轉(zhuǎn)換器有硒光電池、光電管。 5.讀數(shù)指示器讀數(shù)指示器 作用：把光電流或放大的信號以適當(dāng)?shù)姆绞斤@示或記錄下來。20.3.3 常用的幾種分光光度計常用的幾種分光光度計 72型、722型、751型等。20.4 顯色反應(yīng)及顯色條件的選擇顯色反應(yīng)及顯色條件的選擇 20.4.1 對顯色反應(yīng)的要求對顯色反應(yīng)的要求 20.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇顯色反應(yīng)條件的選擇20.4.1 對顯色反應(yīng)的要求對顯色反應(yīng)的要求 將待測

13、組分轉(zhuǎn)化為有色化合物的反應(yīng)叫顯色反應(yīng)。顯色反應(yīng)有配位反應(yīng)和氧化還原反應(yīng) 。 1.靈敏度高靈敏度高 因為光度法一般用于測定微量組分含量，故通常選擇靈敏度高的顯色反應(yīng)。生成的有色化合物摩爾吸光系數(shù)大，靈敏度高，通常通常 k 值達(dá)值達(dá)104105，認(rèn)為，認(rèn)為靈敏度較高。靈敏度較高。 2.選擇性好選擇性好 即顯色劑只與一種或少數(shù)幾種物質(zhì)反應(yīng)而顯色。 3.有色化合物組成固定，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定有色化合物組成固定，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 4.顯色劑在測定波長處無明顯吸收顯色劑在測定波長處無明顯吸收 20.4.2 顯色反應(yīng)條件的選擇顯色反應(yīng)條件的選擇 1顯色劑的用量顯色劑的用量 通常顯色反應(yīng)可用下式表示： M(被測離子)

14、+ HR(顯色劑) MR + H+ 從平衡角度看，顯色劑過量越多，越有利于有色配合物的形成。但顯色劑過量太多，有時會引起副反應(yīng)，故有一適宜用量，通常由實驗確定。 固定其它條件，改變顯色劑的濃度，測A，作A c R曲線，選擇原則：選擇曲線上平坦部分 吸光度與顯色劑用量關(guān)系曲線cRcRcRAAA(a)適合進(jìn)行光度分析(對顯色劑濃度控制不嚴(yán)格)(b)只能選擇較窄的顯色劑濃度范圍(c)必須嚴(yán)格控制顯色劑濃度。 2. 酸度酸度 酸度對顯色反應(yīng)的影響是多方面的： H+濃度大，不利于有色配合物的形成；酸度還影響有些顯色劑的顏色；某些被測組分與顯色劑能形成不同組成的配合物；金屬離子在酸度下降時會水解。 適宜的

15、酸度范圍由實驗確定：固定其它條件，改變pH值測A，作A pH曲線，選擇曲線平坦部分對應(yīng)的pH值作為測量條件。 吸光度與pH關(guān)系曲線pHA 3顯色時的溫度和時間顯色時的溫度和時間 多數(shù)顯色反應(yīng)在室溫下能很快進(jìn)行，有些反應(yīng)需要加熱。多數(shù)顯色反應(yīng)須經(jīng)一定時間才能完成，有些有色物質(zhì)放置時受到空氣和光的作用，顏色會減弱。 適宜顯色時間可通過實驗確定。 AtAt(2)(1)(1) 隨著時間的增加，有色化合物的濃度增大，A增大。反應(yīng)完成后，A保持不變。(2)有色化合物性質(zhì)不太穩(wěn)定，隨著放置時間的增加，在日光，空氣的的作用下，有色化合物分解，濃度下降，A降低。 4. 溶劑的影響溶劑的影響 許多有色配合物在水中

16、解離度較大，而在有機(jī)溶劑中解離度較小。有些配合物易溶于有機(jī)溶劑。 5.干擾物質(zhì)的影響及消除干擾物質(zhì)的影響及消除 干擾離子本身有顏色或與顯色劑作用顯色等，都將干擾測定。 消除干擾的方法有： (1)加掩蔽劑 (2) 選擇適當(dāng)?shù)娘@色條件 如通過控制酸度，使干擾離子不作用 (3) 選擇適當(dāng)?shù)臏y量條件 如波長、參比溶液等 (4) 分離干擾離子20.5 分光光度法儀器測量誤差及其消除分光光度法儀器測量誤差及其消除 20.5.1入射光波長的選擇入射光波長的選擇 20.5.2 光度計讀數(shù)范圍的選擇光度計讀數(shù)范圍的選擇 20.5.3 參比溶液的選擇參比溶液的選擇 20.5.4 溶液濃度的測定溶液濃度的測定 20

17、.5.1入射光波長的選擇入射光波長的選擇 入射光波長應(yīng)根據(jù)吸收光譜曲線選擇。 1) 在一般情況下選擇最大吸收波長作為入射光的波長，因此時k 最大，測定的靈敏度高； 2) 如干擾物在待測物的最大吸收波長處有強烈的吸收，則選擇非最大吸收波長作為入射光的波長，這時靈敏度雖有下降，但卻消除了干擾。曲線A為鈷絡(luò)合物的吸收曲線曲線B為顯色劑的吸收曲線吸光度測定條件的選擇吸光度測定條件的選擇20.5.2 光度計讀數(shù)范圍的選擇光度計讀數(shù)范圍的選擇 任何光度計都有一定的測量誤差，誤差來源于：入射光源不穩(wěn)定；吸收池玻璃厚薄不均勻；池壁不夠平行、表面有水跡、油污或劃痕等；光電池不靈敏、疲勞現(xiàn)象及檢流計刻度不準(zhǔn)等。以

18、上因素造成測量誤差的總和，表現(xiàn)為透光度讀數(shù)誤差T。T與c之間是對數(shù)關(guān)系，同樣的T對不同濃度造成的c不同。 在不同的吸光度范圍內(nèi)讀數(shù)，引入的濃度測量誤差在不同的吸光度范圍內(nèi)讀數(shù)，引入的濃度測量誤差是不同的，因此必須選擇合適的吸光度讀數(shù)范圍。是不同的，因此必須選擇合適的吸光度讀數(shù)范圍。 根據(jù)朗伯-比爾定律： abcTAlgabcTln434. 0或求微分： abdcTdT434. 0兩式相除： TTdTcdcln以有限值表示： TTTcclnTTTcclg434. 0 濃度的相對誤差；ccT：透光度讀數(shù)的絕對誤差 何時濃度的相對誤差最?。?0)ln() 1(ln)ln1(2TTTdTTTdT =

19、0.368或或A = 0.434時時 ，濃度的相對誤差最小。 一般分光光度計的T在0.2% 1%之間，如果為 0.5%，根據(jù)上式計算不同A或T%時濃度的相對誤差。如圖18-9、表18-29(p351)。T%：1070A：1.0 0.15，濃度的測量誤差較濃度的測量誤差較小。小。而A過高或過低，因讀數(shù)造成的濃度的相對誤差都是很大的。 為了減小測量的相對誤差可采取如下措施： (1) 控制溶液的濃度，如改變試樣的稱出量或改變稀釋度等。 (2)如溶液已顯色，則可選擇合適厚度的比色皿，使吸光度在上述范圍內(nèi)。 20.5.3 參比溶液的選擇參比溶液的選擇 參比溶液用來調(diào)節(jié)儀器的零點，以消除吸收池壁及溶劑等對

20、入射光的反射和吸收帶來的影響，使測得的吸光度能真正反映被測物質(zhì)的含量。 選擇參比溶液的原則：選擇參比溶液的原則： (1) 如果僅所測物質(zhì)有吸收，顯色劑及其它試劑均無吸收，可用純?nèi)軇┳鲄⒈?，如蒸餾水； (2) 如顯色劑和其他試劑略有吸收，則應(yīng)用不含被測組分的試劑溶液（空白溶液）作參比溶液； (3) 如果試樣中其他組分有吸收，但不與顯色劑作用，當(dāng)顯色劑無吸收時，可用試樣溶液（不加顯色劑）作參比；當(dāng)顯色劑也略有吸收，或干擾離子也與顯色劑作用且產(chǎn)物有吸收，可在試液中加掩蔽劑，掩蔽待測組分，再加顯色劑，以此溶液作參比。 20.5.4 溶液濃度的測定溶液濃度的測定 1. 工作曲線法工作曲線法 配制一系列不同濃度的被測組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在選定的max和最佳操作條件下，測得吸光度，作工作曲線（A c），為一直線，也叫標(biāo)準(zhǔn)曲線。在完全相同條件下，測得試樣溶液的吸光度，從工作曲線上查得相應(yīng)濃度。 2. 比較法比較法 同一波長的光，通過兩個厚度相同而濃度不同的溶液，則濃度之比等于吸光度