第二十章 比色法和分光光度法.ppt

第二十章比色法和分光光度法 20 1概述20 2光吸收的基本定律20 3比色法和分光光度法及其仪器20 4显色反应与显色条件的选择20 5分光光度法仪器测量误差及其消除20 6分光光度法的某些应用 20 1概述 20 1 1光度分析法的特点20 1 2物质对光的选择性吸收 20 1 1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 利用分光光度计测试 称为分光光度法 光度分析法特点 1 具有较高的灵敏度 一般物质可测到10 3 10 6mol L 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 20 1 2物质对光的选择性吸收 在可见光区 400 760nm 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 如CuSO4溶液呈蓝色就是吸收了白光中黄光 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 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 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 20 2光吸收的基本吸收定律 20 2 1朗伯 比尔定律20 2 2吸光度的加和性20 2 3对朗伯 比尔定律的偏离 20 2 1朗伯 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 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 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 b 液层的厚度cm c 溶液的浓度g L 1K 吸光系数L g 1 cm 1如 c 的单位 mol L 1 此时的吸光系数称为摩尔吸光系数k k 摩尔吸光系数L mol 1 cm 1 式中M为摩尔质量 k是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 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 S M k 例20 1 已知含Fe2 浓度为1 0mg L 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2cm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 已知铁的相对原子质量为55 85 例 用双硫腙光度法测定Pb2 Pb2 的浓度为0 08mg 50mL 用2cm比色皿在520nm下测得T 53 求k 解 已知铅的相对原子质量为207 2 20 2 2吸光度的加和性 在含有多组分的体系中 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 20 2 3对朗伯 比尔定律的偏离 1 比尔定律的局限性2 非单色入射光引起的偏离3 由于溶液本身发生化学变化的原因引起的偏离 1 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 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 2 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 kbc 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 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 3 由于溶液本身发生化学变化的原因引起的偏离 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 H2O2CrO42 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 20 3比色法和分光光度法及其仪器 20 3 1目视比色法20 3 2分光光度计的基本部件20 3 3常用的几种分光光度计 20 3 1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 20 3 2分光光度计的基本部件 1 光源作用 发出所需波长范围内的连续光谱 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 320 2500nm 2 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 3 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 4 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 20 3 3常用的几种分光光度计 72型 722型 751型等 20 4显色反应及显色条件的选择 20 4 1对显色反应的要求20 4 2显色反应条件的选择 20 4 1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 灵敏度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k值达104 105 认为灵敏度较高 2 选择性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4 显色剂在测定波长处无明显吸收 20 4 2显色反应条件的选择 1 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 cR曲线 选择原则 选择曲线上平坦部分 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范围 c 必须严格控制显色剂浓度 2 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 吸光度与pH关系曲线 3 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 适宜显色时间可通过实验确定 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 4 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 选择适当的测量条件如波长 参比溶液等 4 分离干扰离子 20 5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20 5 2光度计读数范围的选择20 5 3参比溶液的选择20 5 4溶液浓度的测定 20 5 1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 这时灵敏度虽有下降 但却消除了干扰 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 20 5 2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 因此必须选择合适的吸光度读数范围 根据朗伯 比尔定律 或 求微分 两式相除 以有限值表示 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A 0 434时 浓度的相对误差最小 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 10 70A 1 0 0 15 浓度的测量误差较小 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 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 20 5 3参比溶液的选择 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 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 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 20 5 4溶液浓度的测定 1 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 2 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 则浓度之比等于吸光度之比 A标 kbc标A试 kbc试 20 6分光光度法的某些应用 20 6 1单组分的测定20 6 2多组分的测定20 6 3光度滴定20 6 4酸碱解离常数的测定20 6 5配合物组成的测定 20 6 1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 20 6 2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