第十章吸光光度法.doc

第十章吸光光度法教学目的：掌握光度法的基本原理，了解光度分析条件的控制，分光光度法的应用范围。教学重点：Beer定律；光度分析的应用。教学难点：光吸收原理；光度分析的准确度。吸光光度法：基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法，包括比色法和分光光度法。分光光度法的优点：灵敏、准确、快速、选择性好、适于微量组分的测定。吸光光度法是基于被测物质的分子对光具有选 择性吸收的特性而建立起来的分析方法。包括可见吸光光度法、紫外-可见吸光光度法和红外光谱法等。同滴定分析法、重量分析法相比，有以下一些特点灵敏度高： 测定下限可达105106mol/L, 10-4%10-5%的痕量组分准确度较高 相对误差为2-5%；操作简便快速 ；应用广泛 第一节 物质对光的选择性吸收一、光的基本性质光是电磁波，以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量 1. 波动性光的传播速度:c真空中光速 2.99792458108m/s 波长，单位：m,cm,mm,mm,nm, 1mm=10-6m, 1nm=10-9m, 1=10-10m 频率，单位：赫芝（周）Hz 次/秒 n折射率，真空中为12. 微粒性光量子，具有能量。h普朗克(Planck)常数 6.62610-34Jsn频率E光量子具有的能量 单位：J(焦耳)，eV(电子伏特) 3. 波粒二象性真空中:结论: 一定波长的光具有一定的能量，波长越长(频率越低)，光量子的能量越低。单色光：具有相同能量(相同波长)的光。混合光：具有不同能量(不同波长)的光复合在一起。电磁波谱的波段如何划分?光按波长的长短顺序排列成谱，称。射线X 射线紫外光可见光红外光 微波 无线电波可见光: 作用于眼睛引起了颜色的感觉，我们把人眼所能看见有颜色的光 其波长范围大约在400-760nm之间实验证明：白光(日光、白炽电灯光、日光灯光等)是由各种不同颜色的光按一定的强度比例混合而成的。 如果让一束白光通过三棱镜，就分解为 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光，这种现象称为光的色散。 每种颜色的光具有一定的波长范围;如果把适当颜色的两种单色光按一定的强度比例混合，也可以成为白光。这两种单色光就叫做互补色二. 物质对光的选择性吸收1. 吸收原理M + h n = 激发态 E1 E E2DE = E2 - E1 = h n 量子化 ；选择性吸收; 分子结构复杂使其对不同波长光的吸 收程 度不同；2. 物质的颜色与吸收光的关系 当白光照射到物质上时，物质对于不同波长的光线吸收、透过、反射、折射的程度不同而使物质呈现出不同的颜色。 如果物质对各种波长的光完全吸收，则呈现黑色； 如果完全反射，则呈现白色； 如果对各种波长的光吸收程度差不多，则呈现灰色； 如果物质选择性地吸收某些波长的光，那么，这种物质的颜色就由它所反射或透过光的颜色来决定。 例如，KMnO4溶液选择吸收了白光中的绿色(500560nm)光，与绿色光互补的紫色光因未被吸收而透过溶液，所以KMnO4溶液呈现紫色硫酸铜溶液因吸收白光中的黄色光而呈蓝色任何一种溶液对不同波长的光的吸收程度是不相等的。 如果将某种波长的单色光依次通过一定浓度的某一溶液，测量该溶液对各种单色光的吸收程度， 吸收曲线:以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图即可得到一条吸光度随波长变化的曲线称之为吸收曲线或吸收光谱。吸收曲线的讨论：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(lmax)2）同一物质不同浓度的溶液，光吸收曲线形 状相似，其最大吸收波长不变；但在一定波长处吸光度随溶液的浓度的增加而增大。可作为物质定量分析的依据。在实际测定时 只有在max处测定吸光度，其灵敏度最高， 因此，吸收曲线是选择测量波长的依据。3）不同物质吸收曲线的形状和最大吸收波长均不相同。 光吸收曲线与物质特性有关，故据此可作为物质定性分析的依据。第二节 光吸收的基本定律一、朗伯-比耳定律（一）朗伯-比耳定律的推导当一束平行单色光照射到任何均匀、非散 射的介质（固体、液体或气体）， 例如溶液时，光的一部分被介质吸收，一部分透过溶液、一部分被器皿的表面反射。 如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia透过光的强度为It,反射光的强度为Ir则它们之间的关系为 I0Ir+Ia+It 在分光光度测定中，盛溶液的比色皿都是采用相同质量的光学玻璃制成的，反射光的强度基本上是不变的(一般约为入射光强度的4)其影响可以互相抵消，于是可以简化为 I0It+Ia1. 朗伯定律A=lg(I0/It)=k1b2.比尔定律A=k2c3. 朗伯-比尔定律A=kbc A 吸光度 b 介质厚度 c 浓度 K 吸光系数1) T透光率2) 吸光度(A)、透光率(T)与浓度(c)的关系A = lg (I0/It) = lg(1/T) = -lgT = kbc3）吸光系数当c的单位用gL-1表示时，用a表示， Aabc当c的单位用molL-1表示时，用 表示. A bc 摩尔吸光系数 表示物质的浓度为1mol/L，液层厚度为1cm时，溶液的吸光度。我们不能直接取1mol/L这样高浓度的有色溶液来 测定 摩尔吸光系数值，而是在适宜的低浓度时 测定吸光度, 然后通过计算求得值。摩尔吸光系数(1)吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数，可作为定性鉴定的参数；(2)不随浓度c和光程长度b的改变而改变。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；(3）同一吸收物质在不同波长下的k值是不同的 在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以kmax表示。 kmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力， 也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度 (4）kmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。 k105：超高灵敏； k=(610）104 ：高灵敏； k104 )，否则灵敏度低。 但应注意，灵敏度高的显色反应，并不一定选择性就好，对于高含量的组分不一定要选用灵敏度高的显色反应。(3)对比度要大。 即如果显色剂有颜色，则有色化合物与显色剂的最大吸收波长的差别要大，一般要求在60nm以上。(4) 有色化合物的组成要恒定,化学性质要稳定。有色化合物的组成若不确定，测定的再现性就较差。有色化合物若易受空气的氧化、日光的照射而分解，就会引入测量误差。 (5)显色反应的条件要易于控制。 如果条件要求过于严格，难以控制，测定结果的再现性就差。2.显色剂 (1)无机显色剂 许多无机试剂能与金属离子起显色反应，如Cu2+与氨水形成深蓝色的络离子Cu(NH4)42+SCN-与Fe3+形成红色的络合物Fe(SCN)2+或Fe(SCN)63-等。 但是多数无机显色剂的灵敏度和选择性都不高，其中性能较好，目前还有实用价值的有硫氰酸盐、钼酸铵、氨水和过氧化氢等。(2)有机显色剂 许多有机试剂，在一定条件下，能与金属离子生成有色的金属螯合物(具有环状结构的络合物)。将金属螯合物应用于光度分析中的优点是： 1大部分金属螯合物都呈现鲜明的颜色，摩尔吸光系数大于104，因而测定的灵敏度很高； 2金属螯合物都很稳定，一般离解常数都很小，而且能抗辐射； 3选择性强， 绝大多数有机螯合剂，在一定条件下，只与少数或其一种金属离子络合，而且同一种有机螯合剂与不同的金属离子络合时，生成具有特征颜色的螯合物 因此，有机显色剂是光度分析中应用最多最广的显色剂，寻找高选择性、高灵敏度的有机显色剂是光度分析发展和研究的重要内容。(二)显色反应条件的选择显色反应能否完全满足光度法的要求，除了与显色剂的性质有主要关系外， 控制好显色反应的条件也是十分重要的，如果显色条件不合适，将会影响分析结果的准确度。1.显色剂的用量 显色就是将被测组分转变成有色化合物，表示： M + R = MR (被测组分) (显色剂) (有色化合物) 反应在一定程度上是可逆的。为了减少反应的可逆性，根据同离子效应，加入过量的显色剂是必要的，但也不能过量太多否则会引起副反应，对测定反而不利。2.溶液的酸度 溶液酸度对显色反应的影响很大，这是由于溶液的酸度直接影响着金属离子和显色剂的存在形式以及有色络合物的组成和稳定性 因此，控制溶液适宜的酸度，是保证光度分析获得良好结果的重要条件之一。(1)酸度对被测物质存在状态的影响 大部分高价金属离子都容易水解，当溶液的酸降低时，会产生一系列羟基络离子或多核羟基络离子, 同时还发生各种类型的聚合,最终将导致沉淀的生成。 显然，金属离子的水解，对于显色反应的进行是不利的，故溶液的酸度不能太低。 (2) 酸度对显色剂浓度和颜色的影响 光度分析中所用的大部分显色剂都是有机弱酸显色反应进行时，首先是有机弱酸发生离解，其次才是络阴离子与金属离子络合。 M + HRMR + H+ 从反应式可以看出，溶液的酸度影响着显色剂的离解,并影响着显色反应的完全程度。 当然，溶液酸度对显色剂离解程度影响的大小，也与显色剂的离解常数有关， Ka大时，允许的酸度可大；Ka很小时，允许的酸度就要小些。 许多显色剂本身就是酸碱指示剂 当溶液酸度改变时，显色剂本身就有颜色化。如果显色剂在某一酸度时，络合反应和指示剂反应同时发生，两种颜色同时存在，就无法进行光度测定。 例如、二甲酚橙在溶液的pH6.3时呈红色，在pH6.3时呈柠檬黄色，在pH6.3时，呈中间色，故pH6.3时,是它的变色点。而二甲酚橙与金属离子的络合物却呈现红色。 因此，二甲酚橙只有在pH6的酸性溶液中可作为金属离子的显色剂。 如果在pH6的酸度下进行光度测定，就会引入很大误差。 (3)对络合物组成和颜色的影响 对于某些逐级形成络合物的显色反应、在不同的酸度时，生成不同络合比的络合物。 例如铁与水杨酸的络合反应，当 pH4 Fe3+(C7H4O3)2-+ 紫色 4pH9 Fe3+(C7H4O3)22- 红色 pH9 Fe3+(C7H4O3)32-3- 黄色 在这种情况下，必须控制合适的酸度，才可获得好的分析结果。到底在什么酸度下进行,通过实验绘制吸光度-酸度曲线3.时间和温度 显色反应的速度有快有慢。有些显色反应几乎是瞬间即可完成，显色很快达到稳定状态，并且能保持较长时间。大多数显色反应速度较慢，需要一定时间，溶液的颜色才能达到稳定程度。 有些有色化合物放置一段时间后，由于空气的氧化，试剂的分解或挥发，光的照射等原因，使颜色减退。适宜的显色时间和有色溶液稳定程度，也必须通过实验来确定。 实验方法是配制一份显色溶液，从加入显色剂计算时间、每隔几分钟测定一次吸光度，绘制A-t曲线，根据曲线来确定适宜的时间。 5.共存离子的干扰及消除 共存离子存在时对光度测定的影响有以下几种类型(1) 与试剂生成有色络合物。如用硅钼蓝光度法测定钢中硅时，磷也能与钼酸铵生成络合物，同时被还原为钼蓝，使结果偏高。 (2)干扰离子本身有颜色。 如Co2+(红色)、Cr3+(绿色)、Cu2+(蓝色)。 (3)与试剂结合成无色络合物消耗大量试剂而使被测离子络合不完全。 如用水扬酸测Fe3+时，Al3+、Cu2+等有影响。 (4)与被测离子结合成离解度小的另一化合物。 如由于F-的存在，能与Fe3+以FeF63-形式存在，Fe(SCN)3不会生成，因而无法进行测定。消除干扰的方法主要有以下三种：（1）控制酸度 控制显色溶液的酸度，是消除干扰的简便而重要的方法。许多显色剂是有机弱酸，控制溶液的酸度 就可以控制显色剂R的浓度，这样就可以使某种金属离子显色，使另外一些金属离子不能生成有色络合物。 当溶液的情况比较复杂，或各种常数值不知道，则溶液最适合的pH值须通过实验方法来确定。 二、吸光光度法的测量误差及测量条件的选择 光度分析法的误差来源有两方面，一方面是各种化学因素所引入的误差，另一方面是仪器精度不够，测量不准（一）仪器测量误差 仪器测量误差主要是指光源的发光强度不稳定光电效应的非线性，电位计的非线性、杂散光的影响、滤光片或单色器的质量差(谱带过宽)比色皿的透光率不一致，透光率与吸光度的标尺不准等因素。 对给定的光度计来说，透光率或吸光度的读数的准确度是仪器精度的主要指标之一，也是衡量测定结果准确度的重要因素。实际工作中，应控制T在1570, A在0.150.8之间(二）测量条件的选择 选择适当的测量条件，是获得准确测定结果的重要途径。可从下列几个方面考虑。 1.测量波长的选择 由于有色物质对光有选择性吸收，为了使测定结果有较高的灵镀度和准确度，必须选择溶液最大吸收波长的入射光。如果有干扰时，则选用灵敏度较低但能避免干扰的入射光，就能获得满意的测定结果。 2. 吸光度范围的控制 吸光度在0.15-0.80时，测量的准确度较高。为此可以从下列几方面想办法：（1）计算而且控制试样的称出量，含量高时，少取样，或稀释试液；含量低时，可多取样，或萃取富集。（2）如果溶液已显色，则可通过改变比色皿的厚度来调节吸光度大小。3.参比溶液的选择 参比溶液是用来调节仪器工作零点的，若参比溶液选得不适当，则对测量读数准确度的影响较大。选择的办法是：（1）当试液、试剂、显色剂均无色时，可用蒸馏水作参比液。（2）试剂和显色剂均无色时，而样品溶液中其他离子有色时，应采用不加显色剂的样品溶液作参比液。（3）试剂和显色剂均有颜色时，可将一份试液加入适当掩蔽剂，将被测组分掩蔽起来，使之不再与显色剂作用，然后把显色剂、试剂均按操作手续加入，以此做参比溶液，这样可以消除一些共存组分的干扰。 第五节 吸光光度法的应用 吸光光度法除了广泛地用于测定微量成分外，也能用于常量组分及多组分的测定。同时，还可以用于研究化学平衡、络合物组成的测定等。下面简要地介绍有关这些方面的应用。一、定量分析（一）单组分的测定1.一般方法 A-c标准曲线法2.示差法 当被测组分含量高时，常常偏离朗伯-比耳定律即使不偏离，由于吸光度太大，也超出了准确读数的范围，就是把分析误差控制在5%以下，对高含量成分也是不符合要求的。 如果采用示差法，就能克服这一缺点，也能使测定误差降到0.5以下。 示差法与普通光度法的主要区别在于它采用的参比溶液不同 它不是以c=0的试剂空白作参比，而是以一个浓度比试液cx稍小的标准溶液cs作参比，然后再测定试液的吸光度。As=-lgTs=bcs Ax=-lgTx=bcx 实际测得吸光度Af为 Af=Ax-As=b(cx-cs)=bc cx=cs+c 示差法相对普通光度法提高测量准确度的原因是扩展了读数标尺。二、络合物组成和酸碱离解常数的测定（一）络合物组成的测定 1. 摩尔比法 设络合