第六章光學法

2023/9/161第六章光學分析法2023/9/1626.5吸光度測量條件的選擇6.4顯色反應和顯色條件的選擇6.3分光光度計6.2光吸收定律6.1概述6.6吸光光度光法的應用2023/9/163化學分析與儀器分析方法比較化學分析：常量組分(>1%)，Er0.1%～0.2%

依據(jù)化學反應，使用玻璃儀器，

準確度高儀器分析：微量組分(<1%)，Er1%～5%

依據(jù)物理或物理化學性質,需要特殊的儀器，靈敏度高2023/9/164光學分析法光譜法：在光(或其它能量)的作用下，通過測量物質產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強度來進行分析的方法。物質內(nèi)部發(fā)生量子化的能級躍遷非光譜法：不涉及物質內(nèi)部能級的躍遷6.1概述光學分析法：基于物質光學性質而建立起來的分析方法2023/9/165光譜法按照輻射的本質分分子光譜法原子光譜法按照物質與輻射能相互作用的結果分吸收發(fā)射散射等2023/9/1666.1.1光的基本性質單色光：具有相同能量(相同波長)的光混合光：具有不同能量(不同波長)的光復合在一起(復合光)波粒二象性：波動性、粒子性。一定波長的光具有一定的能量，波長越長(頻率越低)，光量子的能量越低。日常所見到的白光，如日光等，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等光按適當?shù)膹姸缺壤旌隙傻?，?80～760nm范圍的一種復合光。光學光譜區(qū)2023/9/167遠紫外近紫外可見近紅外中紅外

遠紅外(真空紫外)10nm~200nm200nm

~380nm380nm

~780nm780nm~2.5

m2.5

m

~50

m50

m

~300

m不同物質為什么能表現(xiàn)出其特征的顏色？2023/9/168兩種顏色的光若按適當比例混合，可以形成白光，這兩種光稱為互補色光。光的互補白光青藍青綠黃橙紅紫藍互補色光2023/9/169比色法：利用有色溶液顏色的深淺測定該溶液的濃度。目視比色法：用肉眼直接比較樣品和標準溶液的顏色深淺。分(吸)光光度法：用光電比色計或分光光度計測量溶液吸光度。分光光度法的特點：靈敏度高：10–3

–10–6mol.L–1。準確度高：相對誤差2–5％。儀器設備簡單、操作簡便。應用范圍廣。6.2紫外–可見分光光度法2023/9/16106.2.1物質對光的選擇性吸收溶液的顏色是由于均勻分布在溶液中的有色化合物的質點選擇性的吸收了某種顏色的光所造成的。例：CuSO4溶液吸收黃光透過藍光白光→人眼CuSO4CuSO4溶液濃度越大，對黃色光的吸收越多，透過的藍色越強，溶液的藍色也越深。(一)物質的顏色與光吸收的關系

在可見光區(qū)，不同波長的光具有不同的顏色。一束白光通過棱鏡→色散成紅、橙、黃、綠……等顏色的光→具有不同的波長。一束白光通過某一物質或溶液時，由于物質對光的選擇性吸收，某些波長的光被吸收，另一些波長的光則不被吸收而透過溶液。2023/9/1611溶液的顏色由透過光的波長所決定(1)如果物質把各種波長的光完全都吸收，則呈現(xiàn)黑色；(2)如果完全反射，則呈現(xiàn)白色；(3)如果透過所有的光，則為無色透明溶液；(4)如果對各種波長的光吸收程度差不多，則呈現(xiàn)灰色；(5)如果物質選擇性地吸收某些波長的光，那么，這種物質的顏色就由它所反射或透過光的顏色來決定。2023/9/1612用不同波長(400–720nm)的光，照射某一吸光物質的溶液；測吸光度(A)以

~A作圖，得一曲線直觀地表示出物質對光的吸收特征。2023/9/1613測量某溶液對不同波長單色光的吸收程度，以波長

為橫坐標，吸光度A為縱坐標作圖，得到的曲線。(二)吸收曲線(吸收光譜)2023/9/1614同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長λmax。(KMnO4的

max=525nm)不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。------物質定性分析的依據(jù)之一。吸收曲線的討論2023/9/1615不同濃度的同一種物質，在某一定波長下吸光度A有差異，A隨濃度的增大而增大。------物質定量分析的依據(jù)。在λmax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)。2023/9/16166.2.2光的吸收定律——朗伯–比爾定律一束平行單色光(強度Io)照射溶液時，光的一部分被吸收(強度Ia)

，一部分透過溶液(強度It)

，一部分被器皿的表面反射(強度Ir)

。Io=Ia+It+Ir則：I0IrItIa2023/9/1617吸光光度法測定時，都采用同樣質量的比色皿，反射光強度Ir

基本不變，其影響可以相互抵消。分光光度法中：Io=Ia+It透光度或透光率(T)：透過光強度It與入射光強度Io之比或溶液的透光度愈大→對光的吸收愈小→溶液濃度低；溶液的透光度愈小→對光的吸收愈大→溶液濃度高。2023/9/1618吸光度A：若光全部透過溶液，Io=It，A=0若光幾乎全被吸收，It≈0，A=∞吸光度A也可以用來衡量溶液中吸光物質對波長為λ的單色光的吸收程度，A值越大，吸收程度越大；反之亦然。2023/9/1619實驗證明：若保持入射光的波長不變，溶液對光吸收的程度與溶液的濃度、液層厚度有關。溶液對光的吸收定律數(shù)學表達式：A=K1

bK1：比例常數(shù)，與

、c、溫度有關。b：溶液厚度一、朗伯定律：當、c、溫度一定時，溶液的吸光度與液層的厚度成正比。2023/9/1620二、比爾定律：當

、b

和溫度一定時，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比。數(shù)學表達式：A=K2

c三、朗伯—比爾定律(同時考慮溶液濃度和液層厚度的影響)：一束平行單色光通過溶液，當和溫度一定時，其吸光度與溶液的濃度和液層厚度成正比。數(shù)學表達式：

A=Kbc2023/9/1621單位：c：g·L–1，b：cm，K用a表示，稱為吸光系數(shù)，單位為L·g.cm–1

，則：四、比例系數(shù)K1、吸光系數(shù)aA=abcA

是吸光物質在一定的條件下的特性常數(shù)，與本性有關，與吸光物質的濃度和液層厚度無關。2023/9/16222、摩爾吸光系數(shù)ε單位：c：mol·L–1，b：cm，K用ε表示，稱為摩爾吸光系數(shù)，單位為L·mol.cm–1。則：A=εb

c(2)同一吸光物質在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數(shù)(εmax)表明了該吸收物質最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈敏度。

(1)ε是吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)，不隨濃度c和液層厚度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，ε僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；2023/9/1623(3)εmax越大表明該物質的吸光能力越強，用光度法測定該物質的靈敏度越高。(4)ε在數(shù)值上等于濃度為1mol·L–1、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。ε<104靈敏度低104<ε<5×104靈敏度中5×104<ε<105靈敏度高ε>105靈敏度超高當c=1mol·L–1，b=1cm時,A=ε2023/9/1624(3)(1)T＝10–A

＝10–0.380＝0.417

(2)c=1.0

g.mL–1=1.0mg.L–1=1.0×10–3g.L–1

例：有一濃度為1.0

g.mL–1Fe2+的溶液，以鄰二氮菲顯色后，在比色皿厚度為2cm、波長

510nm處測得吸光度為0.380，計算：(1)透光度T；(2)吸光系數(shù)a；(3)摩爾吸光系數(shù)

。解：計算依據(jù)A=εbc2023/9/1625注意：在吸光光度法中，A

、T、c

之間的關系：在一定范圍內(nèi)，A

與c成正比------光度法定量基礎；

T

與c

成指數(shù)關系：T=10–A------不作定量分析工作曲線。朗伯–比爾定律的適用條件1.單色光

應選用

max處或肩峰處測定2.

吸光質點形式不變離解、絡合、締合會破壞線性關系應控制條件(酸度、濃度、介質等)3.

稀溶液

濃度增大，分子之間作用增強2023/9/16262023/9/1627五、吸光度的加合性根據(jù)吸光度的加和性可以進行多組分的測定以及某些化學反應平衡常數(shù)的測定。某波長下，溶液中含有對該波長的光產(chǎn)生吸收的多種物質，那么溶液的總吸光度等于溶液中各個吸光物質的吸光度之和A1=e1bc1A2=e2bc22023/9/1628偏離朗伯–比耳定律的原因

入射光為非單色光時的偏離：儀器的分光元件(單色器)很難得到真正的單色光，而是波長范圍很窄的復合光帶，而比耳定律僅在入射光為單色光時才是正確的?；瘜W因素引起的偏離：①介質不均勻(膠體、乳濁液、懸浮液)而產(chǎn)生折射、散射和反射，使透過光強減弱(A增大)；②吸光分子發(fā)生化學變化而改變濃度。朗伯–比爾定律本身的局限性：假設了吸光分子之間無相互作用，事實上，高濃度時分子間相互作用不可忽略2023/9/16296.3分光光度計及主要部件通過棱鏡或光柵得到一束近似的單色光。波長可調,選擇性好，準確度高。光源單色器樣品池檢測器讀出系統(tǒng)分光光度計的主要部件光源：發(fā)出所需波長范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有足夠的光強、穩(wěn)定。

可見光區(qū)：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)

紫外區(qū)：氫燈，氘燈(180～375nm)單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。

棱鏡：玻璃350～3200nm，石英185～4000nm

光柵：波長范圍寬,色散均勻，分辨性能好，使用方便2023/9/1630吸收池：(比色皿)用于盛待測及參比溶液。

可見光區(qū)：光學玻璃池

紫外區(qū)：石英池檢測器：利用光電效應，將光能轉換成電流訊號。 光電池，光電管，光電倍增管指示器：

低檔儀器：刻度顯示

中高檔儀器：數(shù)字顯示，自動掃描記錄2023/9/1631棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時折射率不同2023/9/1632單色器——棱鏡和光柵入射狹縫準直透鏡棱鏡聚焦透鏡出射狹縫白光紅紫λ1λ2800600500400光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)量很大的等寬度等間距條痕(600、1200、2400條/mm)。2023/9/1633M1M2出射狹縫光屏透鏡平面透射光柵光柵衍射示意圖原理：利用光通過光柵時，發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。2023/9/1634光學系統(tǒng)的不同→分光光度計類型不同2023/9/16356.4顯色反應和顯色條件的選擇顯色反應和顯色劑利用顯色反應把待測組分X

轉變?yōu)橛猩衔?，然后再進行測定。顯色反應：使試樣中的被測組分與化學試劑作用生成有色化合物的反應。mX(待測物)＋nR(顯色劑)＝XmRn(有色化合物)顯色反應主要有配位反應和氧化還原反應，其中絕大多數(shù)是配位反應。2023/9/16366.4.1對顯色反應的要求1、靈敏度高，選擇

較大的顯色反應。避免共存組分干擾。2、選擇性好，顯色劑只與被測組分反應。3、有色物組成固定，如：Fe3++磺基水楊酸→三磺基水楊酸鐵(黃色)(組成固定)Fe3++SCN–→FeSCN2+、Fe(SCN)2+……(組成不固定)2023/9/16374、有色物穩(wěn)定性高，其它離子干擾才小。如三磺基水楊酸鐵的Kf=1042,F–

、H3PO4

對它無干擾。5、顯色過程易于控制，而且有色化合物與顯色劑之間的顏色差別應盡可能大。2023/9/16386.4.2顯色反應條件的選擇1、顯色劑用量(c(M)、pH一定)

：

適當過量。適宜的用量通過實驗求得c(R)c(R)c(R)Mo(SCN)32+

淺紅Mo(SCN)5

橙紅Mo(SCN)6–淺紅Fe(SCN)n3–n2、顯色反應酸度(c(M)、c(R)一定)2023/9/1639pH影響顯色劑的平衡濃度影響顯色劑的顏色影響金屬離子的存在狀態(tài)影響某些配位化合物的組成

pH1<pH<pH22023/9/16405、溶劑：有機溶劑會降低有色物的離解度，從而提高顯色反應的靈敏度。6、共存干擾離子的影響及消除：控制酸度，使干擾離子不顯色。加入掩蔽劑，如用SCN–測定Co2+時，F(xiàn)e3+有干擾，加入F–，F(xiàn)e3++6F–=FeF63–，F(xiàn)e3+

被掩蔽。改變干擾離子價態(tài)，測Ni2+

時，F(xiàn)e2+

有干擾，加入氧化劑，F(xiàn)e2+→Fe3+。分離干擾離子，用萃取、沉淀、電解、離子交換等方法。3、溫度：通過實驗找出適宜的溫度范圍。4、時間：在顏色穩(wěn)定的時間范圍內(nèi)進行比色測定。2023/9/1641分光光度法常用的顯色劑無機顯色劑有機顯色劑鉬酸銨法(測P、Si、W)過氧化氫法(測V5＋、Ti4＋)O，O給電子螯合劑：鉻天菁S(CAS)、苯基熒光酮(PF)O，N給電子螯合劑：偶氮胂III等N，N給電子基團：鄰二氮雜菲(測Fe)等帶含硫基團的螯合劑：雙硫腙(測Cu、Pb、Zn、Cd、Hg等)6.5光度分析測量條件的選擇測定波長的選擇一般情況下選擇顯色配合物的最大吸收波長；為避免干擾，有時也選擇干擾小的非最大吸收波長。2023/9/1642比色池的選擇：通常使用1cm比色池；根據(jù)樣品濃度和顯色配合物的靈敏度高低，可以選用其它厚度的比色池。2023/9/1643參比溶液的選擇目的：消除池壁、溶劑、反應試劑等對入射光的反射和吸收所帶來的系統(tǒng)誤差；只有被測產(chǎn)物有吸收，其它反應試劑均無吸收時，可用純?nèi)軇┳鰠⒈?；顯色劑或其它試劑有顏色時，用試劑空白做參比；干擾物質也生成類似顯色產(chǎn)物時，參比溶液制備：在顯色之前先將被測物掩蔽起來，只讓干擾物質顯色，該空白溶液做參比便可消除干擾。2023/9/1644光度分析中的測量誤差方法誤差(偏離朗伯–比爾定律)儀器測量誤差光源不穩(wěn);單色器分辨能力弱;比色皿透光度不一致;透光率與吸光度標尺不準等非單色光；吸光質點間的相互作用；①非均勻溶液(散射作用等)；②化學反應(吸光組分的締合、離解互變異構)；③濃度過高。2023/9/1645透光率讀數(shù)的準確度是儀器精度的主要指標。測定結果的精度常用濃度的相對誤差Δc/c表示。由讀數(shù)誤差(ΔT)計算濃度相對誤差公式：2023/9/1646濃度測量的相對誤差與T(或A)的關系p4511086420204060800.70.40.20.1AT%Er(36.8)0.434若透光率刻度的讀數(shù)的絕對誤差為?T=1%，用不同的T代入上式，可得相應濃度測量的相對誤差?c/c，作圖。2023/9/16471、T

在15%～65%(A=0.2～0.8)范圍，相對誤差較小2、T=36.8%(A=0.434)，相對誤差最小為了減小濃度的相對誤差，提高測定的準確度，實際工作中，應控制T在15～65％,A在0.2~0.8之間(調c，b，

)光度計的讀數(shù)誤差一般為0.2～2％(ΔT)，由于T

與濃度c不是線性關系，故不同濃度時的ΔT

引起的誤差不同。2023/9/1648例：吸光光度法定量測定濃度為c

的溶液，如吸光度為0.434，假定透射比的測定誤差為0.05%，由儀器產(chǎn)生的相對誤差是多少？解：相對誤差Δc/c：已知ΔT=±0.05%，則：2023/9/1649測定條件的選擇選擇合適波長的入射光；干擾最小，靈敏度最高；選擇原則：“吸收最大，干擾最小”靈敏度選擇性2023/9/1650300400500600700

/nm350525545Cr2O72–MnO4–1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72–、MnO4–的吸收光譜3502023/9/1651選擇合適的吸光度范圍(0.2~0.8)；控制試樣用量，稀釋度，比色皿的厚度等；選擇適當?shù)膮⒈热芤?；消除由比色皿、溶劑、及試劑對入射光的吸收和反射等帶來的誤差；溶劑空白；試液空白；試劑空白2023/9/1652紫外–可見光光度法定性分析依據(jù)——對不同物質的溶液，其最大吸收波長不同定量分析依據(jù)——A=bc(物理意義)適用范圍——入射光為單色光、稀溶液偏離1高濃度(c>0.01mol·L–1)2非單色光3被測物在溶液中發(fā)生化學反應4配合物穩(wěn)定性差導致解離顯色反應要求1選擇性好2有色螯合物組成恒定、化學性質穩(wěn)定3有色螯合物與顯色劑之間顏色差別大4顯色條件易于控制參比液選擇吸光度僅與待測物質濃度成線形關系入射光波長選擇

max6.7吸光光度法的應用可直接用于有色物的測定，也可通過顯色反應用于無色物的分析；可用于常量分析(>1%)，也可用于微量分析(0.01~1%);可用于無機物(陰、陽離子)分析，也可用于有機物分析；可用于定量分析，也可用于定性分析(特征吸收光譜、功能基團特征吸收峰)；可用于其它領域的研究(如化學平衡)；目前，環(huán)境等領域的很多標準分析方法仍然采用光度法。2023/9/1653(一)單組分的定量方法1．標準比較法2．標準曲線法2023/9/16542023/9/16551．標準比較法條件：標準溶液與待測溶液的濃度相接近。2．標準曲線法2023/9/165601234mg/mlA。。。。*0.80.60.40.20

蘆丁含量測定2023/9/16570.710mg/25mL2023/9/1658(c)x，y組分不能直接測定(a)在

1處測組分x，在

2處測組分y2.多組分的測定(b)在

1

處測組分x;在2

處測總吸收，扣除x吸收，可求y3.光度滴定59NaOH滴定對硝基酚pKa=7.15

間硝基酚pKa=8.39

pKa=1.2460纖維光度計典型的光度滴定曲