高中化學(xué)競賽【分光光度法】課件

分光光度法

一概述

(一)比色分析與分光光度法

1比色分析基于比較有色物質(zhì)溶液顏色的深淺來確定物質(zhì)含量的分析方

法.

2分光光度法根據(jù)物質(zhì)溶液對一定波長光的吸收程度來確定物質(zhì)含量的分

析方法.

可見分光光度法波長范圍400-760nm

紫外分光光度法波長范圍200-400nm

(二)特點(diǎn)

(1)具有較高的靈敏度，適用于微量組分的測定。

(2)通常所測試液的濃度下限達(dá)10-5~10-6mol-LL

(3)吸光光度法測定的相對誤差約為2%~5%。

(4)測定迅速，儀器操作簡單，價格便宜，應(yīng)用廣泛

(5)幾乎所有的無機(jī)物質(zhì)和許多有機(jī)物質(zhì)的微量成分都能用此法進(jìn)行測定。

(6)還常用于化學(xué)平衡等的研究。

二分光光度法的基本原理

(一)電磁輻射的基本性質(zhì)

1波動性C=Xv

2微粒性E=hc/X

一定波長的光對應(yīng)一定的能量，即每個光子具有一定的能量.

(二)物質(zhì)對光的選擇吸收

1物質(zhì)對光的選擇性吸收

M+熱

M+hM*

M+熒光或磷光

AE=Ei-Ei=hv

量子化；選擇性吸收；

分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對不

同波長光的吸收程度不同；

2分子光譜為帶狀光譜.

電子能級間躍遷的同時總伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包

含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。分子光譜為帶

狀光譜.

=_______________1

v"二oB

一=

純電子

J2躍遷

*

6一i1

4“純轉(zhuǎn)動純振動

2

0躍遷躍遷V'=0

雙原子分子的三種能級躍遷示意圖

3吸收曲線

分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對不同波長光的吸收程度不同，用不同波長的單色光照

射，測吸光度一吸收曲線與最大吸收波長2max

（1）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Xmax

（2）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似4max不變。而對于不同物

質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和amax則不同。

（3）吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。

C4）不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在4max處吸

光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。

（5）在幾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)。

4可見光與溶液的顏色

（1）單色光與復(fù)合光

單色光具有一定波長的光.

復(fù)合光具有一定波長范圍的光.

（2）互補(bǔ)色光適當(dāng)顏色的兩種單色光按一定比例混合可以得到白光，這兩種顏

色的光稱為互補(bǔ)色光

表物質(zhì)顏色與吸收光顏色的互補(bǔ)關(guān)系

吸收光

物質(zhì)顏色

顏色波長/nm

黃綠紫400~450

黃藍(lán)450~480

橙綠藍(lán)480~490

紅藍(lán)綠490?500

紫紅綠500?560

紫黃綠560~580

藍(lán)黃580~600

綠藍(lán)橙600~650

藍(lán)綠紅650~780

（三）光吸收定律（朗伯-比爾定律）

1有關(guān)名詞術(shù)語

入射光Io;吸收光la;透過光It

比色皿的厚度（光程，液層厚度）bcm.

透過率（透光率）T=U

Io

吸光度A=-lgT

2朗伯定律在一定條件下（入射光波長,C不變）,A與b成正比.

3比爾定律在一定條件下（入射光波長,b不變）,A與C成正比.

4朗伯-比爾定律A=kbC

K為比例常數(shù)，視濃度的單位而變化.

當(dāng)濃度C的單位為mol/L時,k稱為摩爾吸光系數(shù)用E表示，其單位為L/mol?cm

當(dāng)濃度C的單位為g/L時,k稱為吸光系數(shù)，用a表示，其單位為L/g-cm

a=—M為摩爾質(zhì)量

M

5摩爾吸收系數(shù)￡的討論

（1）吸收物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)；

（2）不隨濃度C和光程長度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，E

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)；

（3）同一吸收物質(zhì)在不同波長下的￡值是不同的。在最大吸收波長入max處的

摩爾吸收系數(shù)￡max表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測

定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

4）可作為定性鑒定的參數(shù)；

（5）物質(zhì)的吸光能力的度量

emax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測定該物質(zhì)的靈敏度

5

越高?！?gt;10：超高靈敏；

￡=（6?10）X104：高靈敏；

￡=104?IO3：中等靈敏；

E<103：不靈敏。

（6）￡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。

6吸光度具有加和性幾種物質(zhì)的溶液在同一波長下都有吸光度，則總的吸光度

等于各種溶液吸光度的和

A=A1+A2+A3+…

（四）偏離比爾定律的原因

1.現(xiàn)象

標(biāo)準(zhǔn)曲線法測定未知溶液的濃度時，發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線常發(fā)生彎曲（尤其

當(dāng)溶液濃度較高時），這種現(xiàn)象稱為對朗伯一比耳定律的偏離。

2.引起偏離的因素（兩大類）

（1）物理性因素，

即儀器的非理想引起的非單色光引起的負(fù)偏離,單色光的純度越差,

負(fù)偏離越嚴(yán)重

（2）化學(xué)性因素。

?朗伯一比耳定律的假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用；僅在稀溶

液（cVlO,molL-1）時才基本符合。

當(dāng)溶液濃度c>10々mol1-1時，吸光質(zhì)點(diǎn)間可能發(fā)生締合等相互作用，直

接影響了對光的吸收。

故：朗伯一比耳定律只適用于稀溶液。

溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時。

使吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度發(fā)生變化。

例如有色化合物的離解

HA=H++A-

有吸收無吸收無吸收

C（l-a）CaCa

A=sb[HA]=EbC（l-a）

稀釋n倍An=￡b—（1-an）

n

由于aWan所以AWnXAn

即A與C不成正比,偏離比爾定律.如何解決呢?.

[HA]=C田'工,加入緩沖溶液控制PH一定，則分布系數(shù)不變，則[HA]與C成正

比，所以A與C成正比.

三分光光度計

四顯色反應(yīng)與條件的選擇

1.顯色反應(yīng)將被測定組分轉(zhuǎn)變成有色化合物的反應(yīng).例如

Fe3++SCN-=FeSCN2+（鹽酸條件下）

血紅色

2選擇顯色反應(yīng)時，應(yīng)考慮的因素

靈敏度高、選擇性高、生成物穩(wěn)定、顯色劑在測定波長處無明顯吸收，兩

種有色物最大吸收波長之差：“對比度”，要求>60nmo

3顯色反應(yīng)的種類

(1).配位顯色反應(yīng)

當(dāng)金屬離子與有機(jī)顯色劑形成配合物時，通常會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移躍遷，產(chǎn)

生很強(qiáng)的紫外一可見吸收光譜

(2)氧化還原顯色反應(yīng)

某些元素的氧化態(tài)，如Mn(VII)、Cr(VI)在紫外或可見光區(qū)能強(qiáng)烈吸收，可

利用氧化還原反應(yīng)對待測離子進(jìn)行顯色后測定。

例如：鋼中微量鎰的測定，

2+22+

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

將Mi?+氧化成紫紅色的MnO4-后，在525nm處進(jìn)行測定。

4顯色劑

無機(jī)顯色劑：硫富酸鹽、鋁酸鏤等。

有機(jī)顯色劑：種類繁多

偶氮類顯色劑：性質(zhì)穩(wěn)定、顯色反應(yīng)靈敏度高、選擇性好、對比度大，應(yīng)用最廣

泛。偶氮腫III、PAR等。

三苯甲烷類：銘天青S、二甲酚橙等

5顯色反應(yīng)條件的選擇

⑴顯色劑用量

吸光度A與顯色劑用量cR的關(guān)系會出現(xiàn)如圖所示的幾種情況。選擇曲線變

化平坦處。

(2)反應(yīng)體系的酸度

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，分別測定不同pH值條件下顯色溶液的吸光度。選擇曲

線中吸光度較大且恒定的平坦區(qū)所對應(yīng)的pH范圍。

影響金屬離子的存在狀態(tài);影響顯色劑的濃度;影響顯色劑的顏色;影響配合

物的絡(luò)合比

(3).顯色時間與溫度

實(shí)驗(yàn)確定

(4).溶劑

⑸干擾的消除

光度分析中，共存離子如本身有顏色，或與顯色劑作用生成有色化合物，都將干

擾測定。

加入配位掩蔽劑或氧化還原掩蔽劑

使干擾離子生成無色配合物或無色離子

選擇適當(dāng)?shù)娘@色條件以避免干擾

用磺基水楊酸測定Fe3+離子時,G?+與試劑形成黃色絡(luò)合物，干擾測

定，但如控制pH在2.5左右，Ci?+則不與試劑反應(yīng)。

分離干擾離子

(6)副反應(yīng)的影響

副反應(yīng)存在對顯色反應(yīng)的影響

M+nR=MRn

ILIH+

[MRn]_[MRn]_K.

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

IgK'MRn=lgKMRn-lgaM-n\gaR

幽U=K'MRnX[R'-NIO?可以認(rèn)為顯色反應(yīng)完全.

[Ml

例1pH=2.0磺基水楊酸與Fe"生成1：1型絡(luò)合物,設(shè)反應(yīng)完成后,

剩余[Ssal']=1.0X10'mol/L.求顯色反應(yīng)的完全程度.

12

己知磺基水楊酸的Kal>>1;Ka2=3.0X10X=3.0XIO

磺基水楊酸與Fe，+絡(luò)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可以認(rèn)為顯色反應(yīng)完全.

[Fei

]儼4

顯色反應(yīng)的完全程度-4^—X100%=99.4%

10224+1

五光度測量誤差與測定條件的選擇

（一）光度測量誤差

A=￡bC=-lgT

￡bC=--^—InT

2.3

微分上式，得8bdC=-0.434—

T

兩式相除，得—=0.434dT

CTlgf

也可以表示成處=0.434AT

CTlgf

由此可以看出：濃度測量誤差A(yù)c/c不僅與儀器的透射比的讀數(shù)誤差A(yù)T有關(guān)，而且與其透

射比T的范圍也有關(guān)。

是否存在最佳讀數(shù)范圍？何值時誤差最?。?/p>

設(shè)：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關(guān)系曲線，得

T在15%?65%之間時,A=0.20?0.80時，濃度測量相對誤差較小，

濃度相對誤差最小時的透射比Tmin為：

Tmin=36.8%,Amin=0.434濃度測量相對誤差最小

例2某鋼樣含銀0.12%用丁二酮月虧光度法測定（￡=1.3X104L/mol?cm）,試樣溶解后，

轉(zhuǎn)入100mL容量瓶中，顯色,并加入水稀至刻度.取部分試液于波長470nm處,用

1cm比色皿進(jìn)行測量.如果希望此時的測量誤差最小,應(yīng)稱取試樣多少克？

解測量誤差最小時,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）測量條件的選擇

1選擇適當(dāng)?shù)娜肷洳ㄩL

一般應(yīng)該選擇Xmax為入射光波長。

如果4max處有共存組分干擾時，則應(yīng)考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波

長。

如圖選500nm波長測定，靈敏度雖有所下降，卻消除了干擾，提高了測定的準(zhǔn)確度和

選擇性。

2控制適宜A的讀數(shù)范圍

控制A=0.20?0.80時，濃度測量相對誤差較小，

通過改變吸收池厚度或待測液濃度，使吸光度讀數(shù)處在適宜范圍。普通分光光度法不適

于高含量或極低含量物質(zhì)的測定。

3選擇參比溶液所遵循的一般原則：

⑴若僅待測組分與顯色劑反應(yīng)產(chǎn)物在測定波長處有吸收，其他所加試劑均無吸收，用純

溶劑（水）作參比溶液；

⑵若顯色劑或其他所加試劑在測定波長處略有吸收，而試液本身無吸收，用“試劑空

白”（不加試樣溶液）作參比溶液；

⑶若待測試液在測定波長處有吸收，而顯色劑等無吸收，則可用“試樣空白”（不加顯色

劑）作參比溶液；

（4）若顯色劑、試液中其他組分在測量波長處有吸收，則可在試液中加入適當(dāng)掩蔽劑將

待測組分掩蔽后再加顯色劑，作為參比溶液。

六分光光度法的應(yīng)用

（一）單組分的測定

1已知￡法

例3稱取Fe試樣使0.200g/25mL容量瓶,取其5.00mL顯色，定容至25mL容量

瓶后在b=lcm,測得A=0.440定容后，已知摩爾吸光系數(shù)￡=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義25.0義55:86

Fe%=1000X100=0.14%

5.0

0.200x

25.0

2標(biāo)準(zhǔn)比較法根據(jù)比爾定律，得2A垃=C三

A樣。樣

例4稱取鐵標(biāo)準(zhǔn)使0.500g/100mL容量瓶,取其10.0mL定容至100mL容量瓶后,

取5.00mL顯色，定容至50mL容量瓶后在b=lcm,測得A=0.230,稱取含鐵試樣

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

得A=0.200,求Fe%

解由吸收定律得

0.500gx10.0mL

C—=5.0X10-6g/mL

lOOOmLx100.050.0

由標(biāo)準(zhǔn)比較法

Cw-31=4.35X10-6g/mL

45x1O-6x50O

Fe%=X100=0.725%

1.500-

3標(biāo)準(zhǔn)曲線法（工作曲線法）在一定條件下,A對C作圖所得到的一條通過原點(diǎn)的

一條直線，叫做標(biāo)準(zhǔn)曲線.

配置一系列濃度不同的待測組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在相同條件下測定A,然后A對C

作圖得到做標(biāo)準(zhǔn)曲線.

再按相同方法配置樣品溶液,利用與測定標(biāo)準(zhǔn)溶液相同條件下，測定A,最后從

標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得樣品溶液中待測組分的濃度.

（二）多組分的測定

各組分的吸收曲線相互重疊,在各組分最大吸收波長處測定A,根據(jù)吸光度

具有加和性的原理,列出方程組,解聯(lián)立方程組,可以求得各組分的濃度.

圖9-16吸光光譜不重疊圖9-17吸收光譜重疊

=Xy

AXIEXIXCx+ExiXCy

=x

Ai2Ex2xCx+白y2xCy

例5Ti和V與H2O2生成有色絡(luò)合物.今以50.0mL1.06X102mol/L的鈦

標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色后定容至100mL容量瓶中；25.0mL6.28X1(Tmol/L的鋼標(biāo)準(zhǔn)溶

液顯色后定容至100mL容量瓶中.另取20.0mL含鈦和鋼的未知液以相同方法顯色.

這三份溶液用b=lcm吸收池,在415nm和455nm測定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的濃度各為多少?

解先求出四個￡

￡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

列出方程組

22

A4I6=8.20X10XCTi+l.59X10XCv=0.645

22

A&55=4.64X10XCn+2.40X10XCv=0.555

-3

解聯(lián)立方程組，得。尸5.42X10-4mol/L;Cv=1.26X10mol/L

100.0X5.42x10-4

考慮稀釋因素，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-高含量組分的測定

1原理

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度為C標(biāo)；樣品溶液的濃度為C樣

在相同條件下，測得Ag=￡bC標(biāo)

A樣=￡bC樣

兩式相減，得AA=A樣一A標(biāo)=￡b(C樣-C標(biāo))

即樣品溶液與標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度之差與其濃度的差成正比.

2示差分光光度法與普通分光光度法的主要區(qū)別

普通光度法：cs:7s=10%,ex:7x=5%,

示差法：cs:7s=100%,ex:7r=50%,

透射比讀數(shù)標(biāo)尺擴(kuò)大了十倍。讀數(shù)落入適宜讀數(shù)范圍內(nèi)，提高了測

量的準(zhǔn)確度。

例6丁二酮后光度法測定某鋼樣銀(含銀＞10%)選取Ni%=6.12%標(biāo)準(zhǔn)溶液作參比溶液，另

取另一標(biāo)準(zhǔn)樣品Ni%=11.49%.若將標(biāo)準(zhǔn)和樣品溶液在相同條件下測得A標(biāo)=0.47;A樣

=0.52,求樣品中Ni%=?

解AA標(biāo)氣b(H.49-6.12)=0.47

△A樣=eb(x-6.12)=0.52

兩式相除，得x=12.06

所以樣品中Ni%=12.06%

(四)酸堿電離常數(shù)的測定

用于測定對光有吸收的弱酸(堿)的離解常數(shù)。

HL=H++匚

有吸收無吸收有吸收

(1)配制一系列總濃度(c)相等,而pH不同的HL溶液

(2)測定各溶液的pH值。

⑶在酸式(HL)或堿式(L-)最大吸收波長處，測吸光度。

根據(jù)吸光度具有加和性的原理,得

A=￡HLb[HL]+￡Lb[L]

根據(jù)分布系數(shù)的概念

A=￡HLbCHL——+sLbOHL——

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

(4)假設(shè)高酸度時，[H]>>Ka,弱酸全部以酸式形式存在，貝U：

A=EHLbCHL

⑸在低酸度時，[H]<VKa,弱酸全部以堿式形式存在，則：

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

這就是光度法測定一元弱酸離解常數(shù)的基本公式。

可以利用代數(shù)法求解

A_A

或作圖法，以pH對log------作圖,截距為pKa

AHL-A

A+A

另外，當(dāng)……時，即則此Ka

例7測定甲基橙的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

或作圖

例8測定漠甲酚綠的Ka.在615nm出只有Irf有吸收,b=lcm,在次波長下,

測得數(shù)據(jù)如下520nm

pH4.184.484.624.795.10

A0.1150.1870.2340.2870.360

當(dāng)pH大于6.0時,指示劑全部轉(zhuǎn)變?yōu)镮n；測得AIn=0.481

解AFO.890;AL=0.260

A=Elnb[lrr]

ln

Ajn=EbCHIn

AAA—A

[HIn]=CHin-[ln]=

6bcb力

[H+][In記_[H+]A

[HIn]A—AA]。-A

6b

logAin-A

pKa=pH+

A

代入數(shù)據(jù)

?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,不對，因?yàn)閜H=4.18時A=0.H5

AHL-A

不是AHI?

(五)配合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測定

1摩爾比法

M+〃L=MLn

(1)配置金屬離子濃度@固定，而配位體濃度Q逐漸改變的不同溶液的

吸光度。作圖

⑵當(dāng)cj時，配位不完全

當(dāng)cjCM>〃時，配位完全

例9鄰二氮菲測Fe”,[Fe31]=[phen]=7.12X10-4mol/L

3+2++

加入鹽酸羥胺使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

稀釋至25.00mL

M+77phen=M(phen)n

CaCaC(l-a)

K_C(1-?)_1-a

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

"Ca-n"(CayCn-nnan+,

關(guān)鍵是求a

設(shè)全部絡(luò)合(不離解)Ao=￡bCMLn

設(shè)絡(luò)合完全(部分離解)A=eb[MLn]

a-CMLn-[ML]_Ao-A

CMLIIAO

根據(jù)數(shù)據(jù)作圖可得Ao=0.720.A=0.700;n=3

衣z