第二章比色分析與分光光度分析KMnO4水溶液呈深紫色，K2CrO4溶液呈黃色，CuSO4溶液呈藍色……當這些有色物質溶液的濃度發生變化時，溶液顏色的深淺也隨之改變，濃度越大，顏色越深----可以通過比較溶液顏色的深淺來測定物質的含量。§2-1吸光光度法這種基于比較溶液顏色的深淺進行定量分析的方法，稱為目視比色法。隨著近代測試儀器的發展，目前已普遍采用分光光度計進行比色分析，應用分光光度計的分析方法稱為分光光度法。通過深入研究，人們發現：

吸光光度法是基于物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法。一、吸光光度法定義吸光光度法比色分析法——目測

物質呈現不同的顏色其本質是對光的選擇性吸收；顏色深淺隨濃度而變化是對光的吸收程度不同。

1.靈敏度高：常用于測定試樣中質量分數為（10-2～10-8）的微量或痕量組分。

二、吸光光度法特點2.準確度高：一般分光光度法的相對誤差2～5％，能夠滿足微量組分的測定要求。

3.儀器簡單，操作簡便、快速4.應用廣泛

在化工、醫藥、冶金、環境保護、地質等諸多領域已成為必不可少的測試手段之一。

幾乎所有的無機離子和許多有機化合物都能直接或間接用吸光光度法測定。§2-2吸光光度法的基本原理一、物質對光的選擇性吸收二、光吸收基本定律—Lambert-Beer定律三、朗伯-比爾定律的分析應用—溶液濃度的測定方法四、偏離朗伯—比耳定律的原因內容提要1.光的基本性質光是一種電磁波射線x射線紫外光紅外光微波無線電波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm可見光一、物質對光的選擇性吸收電磁波譜2.關于光的幾個術語可見光：人眼能感覺到的那一小段光，波長范圍約400～760nm

單色光：單一波長的光組成，單色光其實是一種理想的“單色”，實際上含有少量其它波長的色光復合光：由不同波長的光組合而成的光互補色光：兩種適當顏色的單色光按一定強度比例混合可得到白光，這兩種單色光稱為互補色光。藍黃紫紅綠紫黃綠綠藍橙紅藍綠圖中處于對角線上的兩種單色光為互補色光。例如藍色光和黃色光、綠色光和紫紅色光互補等3.光的選擇性吸收和溶液的顏色

一種物質呈現何種顏色，與入射光組成和物質本身的結構有關,而溶液呈現不同的顏色是由于溶液中的吸光質點(離子或分子)選擇性地吸收某種顏色的光而引起的。

常見的有下列三種情況：③如果對某種色光產生選擇性吸收，則溶液呈現透射光的顏色，即溶液呈現的是它吸收光的互補色光的顏色。如硫酸銅溶液選擇性地吸收了白色光中的黃色光，所以呈現藍色。①當白光通過某一均勻溶液時，如果各種波長光幾乎全部被吸收，則溶液呈黑色。②如果入射光全部透過（不吸收），則溶液無色透明。溶液的顏色與光吸收的關系完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現象示意復合光物質呈現顏色與吸收光波長的關系見下表。不同顏色的可見光波長及其互補光紅650～760綠藍橙610～650藍黃580～610紫黃綠560～580紅紫綠500～560紅藍綠490～500橙綠藍480～490黃藍450～480黃綠紫400～450互補光顏色/nm藍綠

互補色光和各種顏色光的波長范圍，可作為光度測定時選擇測量波長的參考4.吸收曲線

任何一種溶液對不同波長光的吸收程度是不一樣的。

若以不同波長的光照射某一溶液，并測量每一波長下溶液對光的吸收程度（即吸光度A），以吸光度為縱坐標，相應波長為橫坐標，所得A-λ曲線，稱為吸收曲線。它更清楚地描述了物質對光的吸收情況。四種不同濃度KMnO4溶液的吸收曲線300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收曲線③同一物質不同濃度的溶液，在一定波長處吸光度隨溶液濃度的增加而增大

——定量分析的依據②同一物質的吸收曲線相似，max不變；不同物質吸收曲線的形狀和max均不相同，據此可作為物質定性分析的依據

定量分析時，在max處測定A，其靈敏度最高，因此吸收曲線是吸光光度法選擇測量波長的重要依據。從圖中可以看出：①吸光度最大處的波長稱為最大吸收波長，用λmax表示，例如的KMnO4溶液的

λmax

=525nm。注意！二、光吸收基本定律:Lambert-Beer定律當一束平行單色光，通過一均勻的溶液后，光的強度會減弱。I0=Ia+It入射光強度吸收光強度透過光強度1.透光度T

（透射比）Transmittance定義透光度：T取值為0.0~1.0全部吸收~~~~全部透射A=lg(1/T)=-lgT2.吸光度A(Absorbance）A取值為0.0~∞全部透射~~~全部吸收二者關系為：定義吸光度：3.光吸收基本定律——朗伯-比爾定律

朗伯和比爾分別研究了吸光度與液層厚度和吸光度與濃度之間的定量關系，合稱朗伯-比爾定律，其數學表達式為：吸光度吸收層厚度(cm)吸光質點濃度A=lg(I0/It)=kbc

物理意義:

當一束平行單色光通過均勻、透明的吸光介質時，其吸光度與吸光質點的濃度和吸收層厚度的乘積成正比——吸光光度法定量分析的理論基礎K的取值與濃度的單位有關K

比例常數入射光波長物質的性質溫度4.吸光系數與摩爾吸光系數A=kbc①當c的單位為g·L-1時，比例常數用a表示，稱為吸光系數

A＝abρ②當c的單位用mol·L-1時，比例常數用表示,稱為摩爾吸光系數

A＝bca

的單位:L·g-1·cm-1的單位:L·mol-1·cm-1A＝bc

或A＝a

bρ

以A為縱坐標，濃度c(ρ)為橫坐標，繪制的A-c(ρ)曲線稱為工作曲線。三、朗伯-比爾定律的分析應用—溶液濃度的測定方法01.02.03.04.0ρ(mg/mL)A。。。。0.800.600.400.200.00工作曲線法：

測定試樣中某組分含量時，先配制一系列該組分的標準溶液，按所需條件顯色后，在選定的波長和吸收池厚度下，分別測定它們的吸光度A。

在相同條件下測定樣品溶液的吸光度，從工作曲線上查得樣品溶液的濃度，進而計算試樣中待測組分的含量。01.02.03.04.0ρ(mg/mL)A。。。。*0.800.600.400.200.00Axcx樣品的測定四、偏離朗伯—比耳定律的原因

用標準曲線法測定未知溶液的濃度時，發現當溶液濃度較高時標準曲線常發生彎曲，這種現象稱為對朗伯—比耳定律的偏離。引起這種偏離的因素：（1）物理性因素，即儀器的非理想引起的；（2）化學性因素。1.物理性因素

吸收定律成立的前提條件之一是入射光為單色光，但實際上難以獲得真正的純單色光。

在實際工作中，為了避免非單色光帶來的影響，一般選用峰值波長進行測定。

分光光度計只能獲得近乎單色的狹窄光帶，而復合光可導致對朗伯—比耳定律的正或負偏離。選用峰值波長，也可以得到較高的靈敏度。2.化學性因素

溶液中存在著離解、聚合、互變異構、配合物的形成等化學平衡時，使吸光質點的濃度發生變化，影響吸光度。當溶液濃度c>10-2mol/L時，吸光質點間可能發生締合等相互作用，直接影響了對光的吸收。故：朗伯—比耳定律只適用于稀溶液例：鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：

2CrO42-＋2H＋

=Cr2O72-＋H2O

溶液中CrO42-、Cr2O72-的顏色不同，吸光性質也不相同。故此時溶液pH對測定有重要影響。§2-3顯色反應及顯色條件的選擇

可見光區的吸光光度分析，首先要利用顯色反應將待測組分轉變為有色物質，然后進行測定。顯色劑：將待測組分轉變為有色物質的化學試劑顯色反應：M+RMR被測組分有色物質顯色劑M+RMR一、對顯色反應的要求1.選擇顯色反應時，應考慮的因素靈敏度高、選擇性高、生成物穩定、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△>60nm。2.配位顯色反應

當金屬離子與有機顯色劑形成配合物時，通常會發生電荷轉移躍遷，產生很強的紫外—可見吸收光譜。3.氧化還原顯色反應

某些元素的氧化態，如Mn（Ⅶ）、Cr（Ⅵ）在紫外或可見光區能強烈吸收，可利用氧化還原反應對待測離子進行顯色后測定。

例如：鋼中微量錳的測定，Mn2＋不能直接進行光度測定

2Mn2＋＋5S2O82-＋8H2O=2MnO4＋

+10SO42-＋16H+

將Mn2＋氧化成紫紅色的MnO4＋后，在525nm處進行測定。4.顯色劑

無機顯色劑：硫氰酸鹽、鉬酸銨、過氧化氫等幾種。有機顯色劑：種類繁多

偶氮類顯色劑：本身是有色物質，生成配合物后，顏色發生明顯變化；具有性質穩定、顯色反應靈敏度高、選擇性好、對比度大等優點，應用最廣泛。偶氮胂Ⅲ、PAR等。

三苯甲烷類：鉻天青S、二甲酚橙等影響因素二、顯色條件的選擇M+RMROH-M（OH）nH+HnR顯色劑用量酸度溫度顯色時間溶劑溶液中共存離子1.顯色劑用量

為使顯色反應完全，需加入過量的顯色劑，但有時顯色劑太多，引起副反應，用量通過實驗選擇。固定c(M)、pH，改變c（R）：c(R)c(R)c(R)2.顯色反應酸度pH酸度對顯色反應有影響，要控制合適的酸度，通過實驗確定。固定c(M)、c(R)，改變pH25℃50℃t/minA3.顯色溫度及顯色時間

顯色反應要在合適的溫度下進行；有的顯色反應瞬間完成，有的需要放置一定時間。有的放置時間太長不穩定，通過實驗選擇。固定c(M)、c(R)、pH，改變溫度和時間

有時在顯色反應中加入有機溶劑，可提高顯色反應的靈敏度。4.溶劑5.溶液中共存離子的影響

共存離子有色或顯色劑反應生成有色物質干擾測定，需設法消除或提前分離之。三、共存離子干擾的消除1.加入掩蔽劑

選擇掩蔽劑的原則是：掩蔽劑不與待測組分反應；掩蔽劑本身及掩蔽劑與干擾組分的反應產物不干擾待測組分的測定。例：測定Ti4＋，可加入H3PO4掩蔽劑使Fe3+(黃色)成為Fe(PO４)23-(無色)，消除Fe3+的干擾；又如用鉻天菁S光度法測定Al3+時，加入抗壞血酸作掩蔽劑將Fe3+還原為Fe2+，消除Fe3+的干擾。2.選擇適當的顯色反應條件3.分離干擾離子四、測量條件的選擇

吸光度的測量：將被測溶液盛放在吸收池中，放入分光光度計光路中。如圖所示：MR吸收試樣中其他成分吸收溶劑和試劑吸收吸收池對光的反射和吸收A=lg(I0/It)

目的是為了消除由于比色皿、溶劑及試劑對入射光的反射和吸收等帶來的誤差。A（樣品）=A（MR）+A（干擾）+A（吸收池）A（參比）=A（干擾）+A（池）=0

為了使吸光度真正反映待測組分的濃度，需扣除非待測組分的影響——使用參比溶液

參比溶液：將不含待測離子的溶液或試劑加入一比色皿中，試液放入另一比色皿中，再調節儀器，使不含待測離子溶液處于T=100%（A=0）處，此種溶液為參比溶液。A（樣品）-A（參比）=

A（MR）=kbc

1.選擇適當的入射波長

一般應該選擇λmax為入射光波長。如果λmax處有共存組分干擾時，則應考慮選擇靈敏度稍低但能避免干擾的入射光波長。2.控制適宜的吸光度范圍

濃度測量值的相對誤差（Δc/c）不僅與儀器的透光度誤差ΔT有關，而且與其透光度讀數T的值也有關。應控制A：0.2~0.8之間。控制方法：1）控制溶液濃度

A>0.8時，稀釋后測量；A<0.2時，擴大取樣量或濃縮后測量。2）控制液層厚度

A>0.8時，選擇光程小的吸收池；A<0.2時，選擇光程大的吸收池。

3.選擇合適的參比溶液

為什么需要使用參比溶液？

測得的吸光度真正反映待測溶液吸光強度。

參比溶液的選擇一般遵循以下原則：

⑴若僅待測組分與顯色劑反應產物在測定波長處有吸收，其它所加試劑均無吸收，用純溶劑（水)作參比溶液；⑵若顯色劑或其它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；

⑷若顯色劑、試液中其它組分在測量波長處有吸收，則可在試液中加入適當掩蔽劑將待測組分掩蔽后再加顯色劑，作為參比溶液。提高光度測定靈敏度和選擇性的途徑1.合成新的高靈敏度有機顯色劑2.采用分離富集和測定相結合3.采用三元(多元)配合物顯色體系

由一個中心金屬離子與兩種(或兩種以上)不同配位體形成的配合物，稱為三元(多元)配合物。

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多元配合物顯色反應具有很高的靈敏度，一方面是因為多元配合物比其相應的二元配合物分子截面積更大；另一方面是因為第二或第三配位體的引入，可能產生配位體之間、配位體與中心金屬離子間的協同作用，使共軛π電子的流動性和電子躍遷幾率增大。三元配合物主要類型有：三元離子締合物、三元混配配合物、三元膠束(增溶)配合物。五、吸光度范圍的選擇

儀器光源不穩定、實驗條件的偶然變動、讀數精度變動等都會帶來測量誤差。光度分析誤差化學因素儀器因素濃度測量的相對誤差與T(或A)的關系：儀器讀數誤差對于給定的儀器，讀數誤差ΔT為一常數1086420204060800.70.40.20.1AT/%Er(36.8)0.434實際工作中，應控制T在15～65％,A在0.2～0.8之間(調c,b,)

因此，在不同的吸光度范圍內儀器讀數對測定帶來不同程度的誤差。§2-4目視比色與分光光度計一、光度分析的幾種方法

用眼睛觀察比較標準液和待測液的顏色測其含量。比色管觀察方向1.目視比色法c4c3c2c1c1c2c3c4標準系列未知樣品

方法方便、靈敏，準確度差。2.吸光光度法和分光光度計分光光度法的基本部件通過棱鏡或光柵得到一束近似的單色光波長可調,故選擇性好,準確度高光源單色器樣品室檢測器顯示單波長單光束分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示721分光光度計（以后替換成本系722型）

可見分光光度計

紫外-可見分光光度計（1）分光光度計的主要部件光源：發出所需波長范圍內的連續光譜，有足夠 的光強度,穩定。 可見光區：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)

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

光源單色器樣品室檢測器顯示

2.單色器

將光源發射的復合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學系統。①入射狹縫：光源的光由此進入單色器；②準光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束；③色散元件：將復合光分解成單色光；棱鏡或光柵；

④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；⑤出射狹縫。入射狹縫準直透鏡棱鏡聚焦透鏡出射狹縫白光紅紫λ1λ2吸收池：(比色皿)用于盛待測及參比溶液。 可見光區：光學玻璃池 紫外區：石英池如何鑒別石英比色皿與玻璃比色皿1、把空比色皿放在儀器里面掃描，你會發現：在200－300nm之間有吸收的是玻璃比色皿，沒有吸收的就是石英比色皿，

2、樣品室不放置任何樣品，波長設置250nm，調零。將比色皿被放置在樣品道，吸光值小于0.07Abs的是石英的，反之是玻璃的。553、比色皿上邊標有字母Ｓ的是石英比色皿，另外最好在紫外區做對比，有吸收的為玻璃比色皿。4、根據阿基米德原理，測一下兩個比色皿的密度。5、紫外和可見用的比色皿是不同的，標Q和S的都是石英的

，石英比色皿，紫外光區200-