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1、第二十章比色法和分光光度法第1页，本讲稿共57页20.1 概概 述述20.1.1 光度分析法的特点光度分析法的特点 20.1.2 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 第2页，本讲稿共57页20.1.1 光度分析法的特点光度分析法的特点 有色物质颜色的深浅和浓度有关，利用比较溶液颜色深浅来测定含量的分析方法称为比色分析法。目视比色称为比色法比色法；利用分光光度计测试，称为分分光光度法光光度法。光度分析法特点：(1)具有较高的灵敏度。一般物质可测到10-310-6 molL-1(2)有一定的准确度。相对误差为2%5%(3)操作简便、快速，选择性好，仪器设备简单。(4)应用广泛。第3页，本讲稿
2、共57页20.1.2 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 在可见光区(400760nm)不同波长的光具有不同的颜色。溶液呈现一定的颜色是对光选择性吸收的结果。当一束白光通过一有色溶液时，某些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过，溶液的颜色由透过光决定。透射光与吸收光又可组成白光，这两种光称为互补色光。互补色光。第4页，本讲稿共57页如CuSO4溶液呈蓝色就是吸收了白光中黄光。第5页，本讲稿共57页 如果将不同波长的光通过一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度（吸光度A），然后以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得一曲线，称吸收曲线。吸收曲线。第6页，本讲稿共
3、57页图中、三条曲线，代表同一被测物质含量由高到低的吸收曲线。邻二氮杂菲亚铁溶液的吸收曲线第7页，本讲稿共57页（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max（2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。（3）在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。第8页，本讲稿共57页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-比尔定律比尔定律20.2.2 吸光度的加和性吸光度的加和性20.2.3 对对朗伯朗伯-比尔
4、定律的偏离比尔定律的偏离第9页，本讲稿共57页20.2.1 朗伯朗伯-比尔定律比尔定律 当一束平行的单色光通过均匀、透明的有色溶液时，如溶液的浓度越大、液层厚度越大，则光强度的减弱越显著。I0：入射光强度；It：透射光强度 “A”称为吸光度称为吸光度，量纲为1。溶液对光的吸收程度越大，则透射光强度越小，A越大。第10页，本讲稿共57页吸光度测量中，也用透光度T表示透过光强度越大，T值越大。第11页，本讲稿共57页b：液层的厚度 cm；c：溶液的浓度 gL-1K：吸光系数：吸光系数 L g-1 cm-1如“c”的单位：molL-1，此时的吸光系数称为摩摩尔尔吸吸光系数光系数 k k：摩尔吸光系数
5、 L mol-1 cm-1 式中M为摩尔质量 第12页，本讲稿共57页 k 是是吸光物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。吸光物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。在温度和波长等条件一定时，k 仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关。k 是吸光物质吸光能力的量度，k 值越大，光度法测定该物质的灵敏度越高。由实验结果计算时，常以被测物质的总浓度代替吸光物质的浓度，这样计算的 k 值实际上是表观摩尔吸光系数。第13页，本讲稿共57页 分光光度分析的灵敏度还可以用桑德尔灵敏度S表示。S是指当仪器的检测极限为A=0.001时，单位截面积光程内所能检测出来的吸光物质的最低含量，其单位为g cm-2
6、。S=M/k第14页，本讲稿共57页例例20-1：已知含Fe2+浓度为1.0mgL-1的溶液，用邻二氮菲光度法测定铁(Fe2+与邻二氮菲反应，生成橙红色配合物)。使用厚度为2 cm的吸收池，在波长510nm处测得 吸光度A=0.390。计算该配合物的 摩尔吸光系数。解：解：已知铁的相对原子质量为 55.85。第15页，本讲稿共57页例：例：用双硫腙光度法测定Pb2+。Pb2+的浓度为0.08mg/50mL，用2 cm比色皿在520 nm下测得 T=53%，求 k。解：解：已知铅的相对原子质量为 207.2第16页，本讲稿共57页20.2.2 吸光度的加和性吸光度的加和性 在含有多组分的体系中，
7、若各组分对同一波长的光都有吸光作用，且各组分的吸光物质彼此不发生作用，则测得的吸光度等于各组分的吸光度之和。A=A1+A2+A3第17页，本讲稿共57页20.2.3 对朗伯对朗伯-比尔定律的偏离比尔定律的偏离1.比尔定律的局限性比尔定律的局限性2.2.非单色入射光引起的偏离非单色入射光引起的偏离 3.3.由于溶液本身发生化学变化的原因由于溶液本身发生化学变化的原因 引起的偏离引起的偏离 第18页，本讲稿共57页1.比尔定律的局限性比尔定律的局限性 通常在用分光光度法进行分析时，多采用标准工作曲线法。即固定液层厚度、入射光的波长，测定一系列不同浓度标准溶液的吸光度，此时A与c应成直线关系。在实际
8、工作上，特别是在浓度较高时，常出现标准曲线不为直线，即偏离了朗伯比尔定律。第19页，本讲稿共57页 比尔定律是一个有限制性的定律，它假设入射光为单色光，吸收粒子间没有干扰。因此仅在稀溶液中才适用。在高浓度时，由于吸光物质微粒间相互影响，从而改变了它对光的吸收能力，使吸光度与浓度的线性关系发生偏离。第20页，本讲稿共57页2.非单色光引起的偏离非单色光引起的偏离 比尔定律假设入射光为单色光，但是目前仪器所能提供的入射光不是严格的单色光，是由波长范围较窄的光带组成的复合光。A=k b c，k 在一定波长下是一常数，如入射光不为单色光，则k不为常数，A 与c 不成直线关系。第21页，本讲稿共57页
9、在最大吸收波长附近通常有一个吸收强度相差较小的区域，如入射光在此范围内，因k 变化较小，引起的偏离也较小，A与c基本上呈直线关系。Amax第22页，本讲稿共57页3.由于溶液本身发生化学变化由于溶液本身发生化学变化 的原因引起的偏离的原因引起的偏离 由于被测物质在溶液中发生缔合、离解或溶剂化、互变异构、配合物的逐级形成等化学因素，造成对比耳定律的偏离。Cr2O72-+H2O 2CrO42-+2H+橙色黄色 应控制条件，使溶液中仅存在Cr2O72-或CrO42-，这样，c与A 之间才成直线第23页，本讲稿共57页20.3 比色法和分光光度法及其仪器比色法和分光光度法及其仪器20.3.1 目视比色
10、法目视比色法 20.3.2 分光光度计的基本部件分光光度计的基本部件20.3.3 常用的几种分光光度计常用的几种分光光度计第24页，本讲稿共57页20.3.1 目视比色法目视比色法 目视比色法是一种用眼睛辨别溶液颜色的深浅，以确定带测组分含量的方法。常用标准系列法，在一套等体积的比色管中，加入不同体积的标准溶液，分别加入等量显色剂及其它试剂，待测液在同样条件下显色。稀释至刻度，摇匀。比较待测液和标准色阶溶液的颜色深浅，确定待测液的浓度。目视比色法仪器简单，操作简便，但准确度较差。第25页，本讲稿共57页20.3.2 分光光度计的基本部件分光光度计的基本部件 1.光源光源 作用：发出所需波长范围
11、内的连续光谱。要求具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区常用钨灯、或碘钨灯，波长范围：3202500 nm光源单色器吸收池检测系统读数指示器第26页，本讲稿共57页2.单色器单色器 作用：将光源发出的连续光谱分解为单色光。单色器由棱镜和光栅等色散元件及狭缝和透镜组成。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；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；出射狭缝。第27页，本讲稿共57页3.吸收池吸收池作用：用于盛放试样溶液。也叫比色皿。吸收池主要有石英和玻璃两种。在紫外区须采用
12、石英吸收池，可见区一般用玻璃吸收池。吸收池大多是长方形的，一般仪器都配有一套厚度为0.5、1、2、3cm的吸收池。吸收池放置的位置应使透光面垂直于光束方向。第28页，本讲稿共57页4.检测系统检测系统作用：将光强度转化为电流进行测量。光电转换器对测定波长范围内的光有快速灵敏的响应，产生的电流应与光电转换器上的光强度成正比。常用的光电转换器有硒光电池、光电管。5.读数指示器读数指示器作用：把光电流或放大的信号以适当的方式显示或记录下来。第29页，本讲稿共57页20.3.3 常用的几种分光光度计常用的几种分光光度计 72型、722型、751型等。第30页，本讲稿共57页20.4 显色反应及显色条件
13、的选择显色反应及显色条件的选择20.4.1 对显色反应的要求对显色反应的要求 20.4.2 显色反应条件的选择显色反应条件的选择第31页，本讲稿共57页20.4.1 对显色反应的要求对显色反应的要求 将待测组分转化为有色化合物的反应叫显色反应。显色反应有配位反应和氧化还原反应。1.灵灵敏敏度度高高 因为光度法一般用于测定微量组分含量，故通常选择灵敏度高的显色反应。生成的有色化合物摩尔吸光系数大，灵敏度高，通常通常 k 值达值达104105，认为灵敏度较高。，认为灵敏度较高。2.选选择择性性好好 即显色剂只与一种或少数几种物质反应而显色。3.有色化合物组成固定，化学性质稳定有色化合物组成固定，化
14、学性质稳定 4.显色剂在测定波长处无明显吸收显色剂在测定波长处无明显吸收 第32页，本讲稿共57页20.4.2 显色反应条件的选择显色反应条件的选择 1显色剂的用量显色剂的用量 通常显色反应可用下式表示：M(被测离子)+HR(显色剂)MR+H+从平衡角度看，显色剂过量越多，越有利于有色配合物的形成。但显色剂过量太多，有时会引起副反应，故有一适宜用量，通常由实验确定。固定其它条件，改变显色剂的浓度，测A，作A c R曲线，选择原则：选择曲线上平坦部分 第33页，本讲稿共57页吸光度与显色剂用量关系曲线cRcRcRAAA(a)适合进行光度分析(对显色剂浓度控制不严格)(b)只能选择较窄的显色剂浓度
15、范围(c)必须严格控制显色剂浓度。第34页，本讲稿共57页2.酸度酸度 酸度对显色反应的影响是多方面的：H+浓度大，不利于有色配合物的形成；酸度还影响有些显色剂的颜色；某些被测组分与显色剂能形成不同组成的配合物；金属离子在酸度下降时会水解。适宜的酸度范围由实验确定：固定其它条件，改变pH值测A，作A pH曲线，选择曲线平坦部分对应的pH值作为测量条件。第35页，本讲稿共57页吸光度与pH关系曲线pHA第36页，本讲稿共57页3显色时的温度和时间显色时的温度和时间 多数显色反应在室温下能很快进行，有些反应需要加热。多数显色反应须经一定时间才能完成，有些有色物质放置时受到空气和光的作用，颜色会减弱
16、。适宜显色时间可通过实验确定。第37页，本讲稿共57页AtAt(2)(1)(1)随着时间的增加，有色化合物的浓度增大，A增大。反应完成后，A保持不变。(2)有色化合物性质不太稳定，随着放置时间的增加，在日光，空气的的作用下，有色化合物分解，浓度下降，A降低。第38页，本讲稿共57页4.溶剂的影响溶剂的影响 许多有色配合物在水中解离度较大，而在有机溶剂中解离度较小。有些配合物易溶于有机溶剂。5.干扰物质的影响及消除干扰物质的影响及消除 干扰离子本身有颜色或与显色剂作用显色等，都将干扰测定。消除干扰的方法有：(1)加掩蔽剂 (2)选择适当的显色条件 如通过控制酸度，使干扰离子不作用(3)选择适当的
17、测量条件 如波长、参比溶液等(4)分离干扰离子第39页，本讲稿共57页20.5 分光光度法仪器测量误差及其消除分光光度法仪器测量误差及其消除20.5.1入射光波长的选择入射光波长的选择20.5.2 光度计读数范围的选择光度计读数范围的选择 20.5.3 参比溶液的选择参比溶液的选择20.5.4 溶液浓度的测定溶液浓度的测定 第40页，本讲稿共57页20.5.1入射光波长的选择入射光波长的选择 入射光波长应根据吸收光谱曲线选择。1)在一般情况下选择最大吸收波长作为入射光的波长，因此时k 最大，测定的灵敏度高；2)如干扰物在待测物的最大吸收波长处有强烈的吸收，则选择非最大吸收波长作为入射光的波长，
18、这时灵敏度虽有下降，但却消除了干扰。第41页，本讲稿共57页曲线A为钴络合物的吸收曲线曲线B为显色剂的吸收曲线吸光度测定条件的选择吸光度测定条件的选择第42页，本讲稿共57页20.5.2 光度计读数范围的选择光度计读数范围的选择 任何光度计都有一定的测量误差，误差来源于：入射光源不稳定；吸收池玻璃厚薄不均匀；池壁不够平行、表面有水迹、油污或划痕等；光电池不灵敏、疲劳现象及检流计刻度不准等。以上因素造成测量误差的总和，表现为透光度读数误差T。T与c之间是对数关系，同样的T对不同浓度造成的c不同。在不同的吸光度范围内读数，引入的浓度测量误差是不同的，在不同的吸光度范围内读数，引入的浓度测量误差是不
19、同的，因此必须选择合适的吸光度读数范围。因此必须选择合适的吸光度读数范围。第43页，本讲稿共57页根据朗伯-比尔定律：或求微分：两式相除：以有限值表示：第44页，本讲稿共57页浓度的相对误差；T：透光度读数的绝对误差 何时浓度的相对误差最小？T=0.368或或A=0.434时时，浓度的相对误差最小。第45页，本讲稿共57页 一般分光光度计的T在0.2%1%之间，如果为 0.5%，根据上式计算不同A或T%时浓度的相对误差。如图18-9、表18-29(p351)。T%：1070A：1.0 0.15，浓浓度度的的测测量量误误差差较较小小。而A过高或过低，因读数造成的浓度的相对误差都是很大的。第46页
20、，本讲稿共57页 为了减小测量的相对误差可采取如下措施：(1)控制溶液的浓度，如改变试样的称出量或改变稀释度等。(2)如溶液已显色，则可选择合适厚度的比色皿，使吸光度在上述范围内。第47页，本讲稿共57页20.5.3 参比溶液的选择参比溶液的选择 参比溶液用来调节仪器的零点，以消除吸收池壁及溶剂等对入射光的反射和吸收带来的影响，使测得的吸光度能真正反映被测物质的含量。选择参比溶液的原则：选择参比溶液的原则：(1)如果仅所测物质有吸收，显色剂及其它试剂均无吸收，可用纯溶剂作参比，如蒸馏水；(2)如显色剂和其他试剂略有吸收，则应用不含被测组分的试剂溶液（空白溶液）作参比溶液；第48页，本讲稿共57
21、页(3)如果试样中其他组分有吸收，但不与显色剂作用，当显色剂无吸收时，可用试样溶液（不加显色剂）作参比；当显色剂也略有吸收，或干扰离子也与显色剂作用且产物有吸收，可在试液中加掩蔽剂，掩蔽待测组分，再加显色剂，以此溶液作参比。第49页，本讲稿共57页20.5.4 溶液浓度的测定溶液浓度的测定1.工作曲线法工作曲线法 配制一系列不同浓度的被测组分的标准溶液，在选定的max和最佳操作条件下，测得吸光度，作工作曲线（A c），为一直线，也叫标准曲线。在完全相同条件下，测得试样溶液的吸光度，从工作曲线上查得相应浓度。第50页，本讲稿共57页2.比较法比较法 同一波长的光，通过两个厚度相同而浓度不同的溶液
22、，则浓度之比等于吸光度之比。A标=kbc标 A试=kbc试第51页，本讲稿共57页20.6 分光光度法的某些应用分光光度法的某些应用20.6.1 单组分的测定单组分的测定20.6.2 多组分的测定多组分的测定20.6.3 光度滴定光度滴定20.6.4 酸碱解离常数的测定酸碱解离常数的测定20.6.5 配合物组成的测定配合物组成的测定第52页，本讲稿共57页20.6.1 单组分的测定单组分的测定试样中某组分的测定常采用工作曲线法。微量磷的测定常采用光度法。第53页，本讲稿共57页20.6.2 多组分的测定多组分的测定 对于多组分体系来说，如各吸光物质间没有相互作用，这时体系总的吸光度等于各组分吸
23、光度之和：A总=A1+A2+An=k1bc1+k2bc2+knbcn（1 1）吸收光谱互不重叠）吸收光谱互不重叠1时测X组分2时测Y组分A12XY第54页，本讲稿共57页（2）吸收光谱）吸收光谱单向重叠单向重叠AX21YA1=kx1bcX+kY1bcYA2=kY2bcY第55页，本讲稿共57页(3)吸收光谱吸收光谱双向重叠双向重叠A1=kx1bcX+kY1bcYA2=kx2bcX+kY2bcYAX21Y第56页，本讲稿共57页例：例：取钢试样1.00g，溶解于酸中，将其中锰氧化成高锰酸盐，准确配制成250mL，测得其吸光度为1.0010-3 molL-1 KMnO4溶液的吸光度的1.5倍。计算钢中锰的百分含量。解：解：c=1.5 1.0010-3=1.5010-3 molL-1 第57页，本讲稿共57页