分析化学：20章_吸光光度法

1、*第二十章第二十章 比色法和分光光度法比色法和分光光度法20.1 概述概述 吸光光度法基本原理吸光光度法基本原理20.2 光度计及其基本部件光度计及其基本部件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20.4 显色反应及显色条件的选择显色反应及显色条件的选择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20.6 分光光度法的应用分光光度法的应用*20.1 概概 述述分光光度法：基于物质对光的选择性吸收而分光光度法：基于物质对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法。建立起来的一种分析方法。 *一、分类一、分类红外分光光度法紫外分光光度法可见分光光度法、

2、分光光度法2光电比色法目视比色法、比色法1 不同的物质对光的吸收不一样，而呈现出不同的颜色，而颜色的深浅与物质的浓度有很大的关系。20.1.1 光度分析的分类及特点光度分析的分类及特点定量分析的依据：定量分析的依据：在选定波长下，被测溶液对光的吸收程度与溶液中吸光组分的浓度有简单的定量关系。*二、特点二、特点1、灵敏度高。（、灵敏度高。（110- -3、10- -510- -6 molL-1）2、准确度高。相对误差约为、准确度高。相对误差约为2%5%。3、操作简单，快速。、操作简单，快速。4、应用广泛、应用广泛 。5、 可用于化学平衡等的研究。可用于化学平衡等的研究。*20.1.2 物质对光的

3、选择性吸收物质对光的选择性吸收1、光的基本性质、光的基本性质 电磁辐射具有电磁辐射具有波粒二象性波粒二象性，能以巨大速度通过空间，不，能以巨大速度通过空间，不需要以任何物质作为传播媒介的一种能量。需要以任何物质作为传播媒介的一种能量。 它包括它包括无线电波、微波、红外光、紫外可见光以及无线电波、微波、红外光、紫外可见光以及X X射线射线和和 射线射线等形式。等形式。*电磁辐射的波动性 经典物理学认为电磁辐射是在空间传播着的经典物理学认为电磁辐射是在空间传播着的交变电场和磁交变电场和磁场场，可以用，可以用电场矢量电场矢量E和磁场矢量和磁场矢量B来表示描述，如下图所示。来表示描述，如下图所示。单色

4、平面偏振光的传播B传播方向传播方向Exyzy 电磁场垂直于波的传播方向做周期性变化，即电场E在Y轴方向变化，磁场B在Z轴方向变化。多数情况下，都是电场同物质中电子相互作用的结果，只考虑电矢量就可以描述光的性质，只有讨论磁共振时才用到磁矢量。*电磁波具有波的性质，用以下的电磁波具有波的性质，用以下的波参数波参数来描述来描述 周期周期T T： 相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的相邻两个波峰或波谷通过空间某一固定点所需要的时间间隔称为波的周期，单位为时间间隔称为波的周期，单位为s s（秒）（秒）频率频率 ：单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波谷的单位时间内通过传播方向上某一点的波峰或波

5、谷的数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位为数目，即单位时间内电磁场振动的次数称为频率，单位为HzHz，即即s s-1-1（1/1/秒）。频率为周期的倒数，即。秒）。频率为周期的倒数，即。 =1/=1/T T波长波长： 相邻两个波峰或波谷间的直线距离称为波长。若电相邻两个波峰或波谷间的直线距离称为波长。若电磁波的传播速度为磁波的传播速度为c c，则，则 = =c c/ / 。不同的电磁波谱区可采用不不同的电磁波谱区可采用不同的波长单位，分别为同的波长单位，分别为m m（米）、（米）、cmcm（厘米，等于（厘米，等于1010-2-2m m）、）、mm（微米，等于（微米，等于1010-6

6、-6m m）、）、nmnm（纳米，等于（纳米，等于1010-9-9m m）。）。* 波数波数 每厘米长度内含有波长的数目称为波数，单位为每厘米长度内含有波长的数目称为波数，单位为cmcm-1-1，波数是波长的倒数，可表示为，波数是波长的倒数，可表示为: : = 1/ 传播速率传播速率 传播的速率等于传播的速率等于频率乘以波长频率乘以波长，即，即 = 。在在真真空中空中所有电磁辐射的传播速度都相同，等于光速所有电磁辐射的传播速度都相同，等于光速( (2.9979241010 cm s-1)。 *电磁辐射的粒子性 根据量子理论，电磁辐射是在空间高速运动的光量子(或称光子)流。可以用每个光子所具有的

7、能量(E)来表征，单位为ev或J. 普朗克方程将电磁辐射的波动性和微粒性联系在一起。 E=h=hc/= hc E E代表每个光子的能量；代表每个光子的能量；h h为普朗克常量为普朗克常量, ,h=6.62610-34Js 辐射的频率越高(波长越小)，光子的能量就越高;光量子的能量和波数成正比。*希腊字母读法*电磁波谱：电磁波谱：电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量)大小的顺序排列就得到电磁波谱。*光谱法按照光谱法按照电磁辐射和物质相互作用的结果电磁辐射和物质相互作用的结果可以分为可以分为发射发射、吸收吸收和和拉曼散射光谱拉曼散射光谱。n发射光谱法：发射光谱法：当被激发的原子、分子、离子回到低能

8、态时，以光的形式辐射释放能量，产生发射光谱。通过测定待测物质的发射光谱来进行分析的方法称为发射光谱法。n吸收光谱法：吸收光谱法：当辐射通过试样时，试样中的粒子会选择性地吸收某种频率的辐射能，从低能级跃迁至高能级，利用待测物质与电磁辐射相互作用时产生的特征吸收光谱来进行分析的方法称为吸收光光谱法。*n吸收光谱法：吸收光谱法：当辐射通过试样时，试样中的粒子会选择性地吸收某种频率的辐射能，从低能级跃迁至高能级，利用待测物质与电磁辐射相互作用时产生的特征吸收光谱来进行分析的方法称为吸收光光谱法。n拉曼光谱法：拉曼光谱法：当单色光照射到透明试样时，会有以一部分光按不同的角度散射开来，如果散射光与入射光的

9、波长不同（入射光子与溶液中试样分子间的非弹性碰撞发生能量交换），这种散射称为拉曼散射，根据拉曼散射光谱而建立起来的分析方法称为拉曼光谱法。*吸收光谱吸收光谱:当光通过透明的物质时，具有某种能量的光子被吸收，而另外能量的光子不被吸收。光子是否被物质吸收，既光子是否被物质吸收，既决定于光子的能量，又决定于物质的内部结构。决定于光子的能量，又决定于物质的内部结构。 电子能量电子能量E Ee e 振动能量振动能量E Ev v 转动能量转动能量E Er re+ v+ r e v r*（1）电子光谱：电子光谱： Ee120eV，紫外可见光谱，紫外可见光谱（2）振动光谱：振动光谱： Ev0.051 eV，红

10、外光区，又，红外光区，又称红外光谱，包含转动，故又称振转光谱称红外光谱，包含转动，故又称振转光谱（3）转动光谱：转动光谱： Er0.0050.05 eV，远红外区，远红外区分子光谱的类型分子光谱的类型nE=E2-E1=h=hc/= hc*2、物质对光的选择性吸收、物质对光的选择性吸收 仅当照射光的光子的能量与被照射物质粒子的基态和激发态的能级差相当时才能被光吸收。 hhEEE21基态基态 激发态激发态 E1 E2M + h M *M + 热M + 荧光或磷光分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同。分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同。* 两种颜色的光若按适当比例混合，可以形成

11、白光，两种颜色的光若按适当比例混合，可以形成白光，这两种光称为这两种光称为互补色光互补色光。 日常生活中肉眼所见到的日常生活中肉眼所见到的白光白光，如，如日光日光等是由红、橙、黄等是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等光按适当的强度比例混合而成的，是在、绿、青、蓝、紫等光按适当的强度比例混合而成的，是在400750nm范围的一种复合光。范围的一种复合光。具有同一波长的光称为具有同一波长的光称为单色光单色光。(由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成) 不同波长组成的光称为不同波长组成的光称为复合光复合光。* 光的互补性：光的互补性：红红橙橙黄黄绿绿青青青蓝青蓝蓝蓝紫紫*光吸收示意图b：液槽厚

12、度；I0：入射光；It：透射光；Ia：吸收光I0ItIab实验证明实验证明：溶液的颜色是由于溶液中的物质吸收了某一波长：溶液的颜色是由于溶液中的物质吸收了某一波长的光所造成的。的光所造成的。 吸收黄色光，溶液呈蓝色吸收黄色光，溶液呈蓝色 吸收蓝色光，溶液呈黄色吸收蓝色光，溶液呈黄色*表表9-1 物质颜色与吸收光颜色的互补关系物质颜色与吸收光颜色的互补关系*3、吸收曲线、吸收曲线吸收曲线吸收曲线是溶液对是溶液对不同波长不同波长的光的吸收程度的形象化描述。的光的吸收程度的形象化描述。分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同。分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同。如果将不同波长的光通

13、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。*吸收曲线的讨论：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最大吸收波长max。（2）对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。（3）吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性定性分析的依据分析的依据之一。*（4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据定量分析的依据。*20.2 光的吸收基本定律光的吸收

14、基本定律 朗伯朗伯-比尔定律比尔定律20.2.1 朗伯朗伯比耳定律比耳定律（Larnbert-Beer）1729年波格建立了吸光度与吸收介质厚度之间的关系。1760年朗伯用数学方法表达了这一关系。1852年比耳确定了吸光度与溶液浓度及液层厚度之间的关系。*bcIIAt0lgI0：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。I0ItIab 物理意义：物理意义：当一平行单色光垂直通过一均匀的、非散射的溶液时，溶液对光的吸收程度与吸光物质的浓度c及液层厚度b成正比。* 吸光度测量中，也用透光度T表示0IITtbcTTA

15、lg1lg透过光强度越大， T值越大。*二、吸光系数和摩尔吸光系数二、吸光系数和摩尔吸光系数（1）吸光系数）吸光系数a（2）摩尔吸光系数）摩尔吸光系数 当当c用用g/L表示，表示，b用用cm表示时，表示时，K用用a表示，称为吸光系数，表示，称为吸光系数，单位为单位为 Lg -1cm-1 ，则：，则：A = a b c 当当c用用molL-1表示，表示，b用用cm表示时，表示时，K用用表示，称为摩尔吸光系表示，称为摩尔吸光系数，单位为数，单位为Lmol -1cm-1。 A =b ccbIIA 0lg 物理意义：当吸光物质的浓度为1molL-1，溶液的液层厚度为1cm时，溶液对特征波长光的吸收程度

16、。*摩尔吸光系数摩尔吸光系数：（1 1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数特征常数；（2 2）不随浓度不随浓度c c和液层厚度和液层厚度b b的改变而改变的改变而改变。在温度和波长等条在温度和波长等条件一定时，件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；关；（3）同一吸光物质在不同波长下的）同一吸光物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收值是不同的。在最大吸收波长波长max处的摩尔吸光系数，常以处的摩尔吸光系数，常以max表示。表示。max表明了该表明了该吸收吸收物质最大限度的吸光能力物质最大限度的吸光

17、能力，也反映了光度法测定该物质可能达也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。到的最大灵敏度。 *(4)(4)max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质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。的灵敏度越高。 104反应灵敏度反应灵敏度低低104 5104反应灵敏度反应灵敏度中中5104 105反应灵敏度反应灵敏度超高超高（5）可作为）可作为定性鉴定定性鉴定的参数；的参数；*)(2cmg 桑德尔灵敏度桑德尔灵敏度S：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， S

18、 = M/ * 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。1145101 . 1108 . 12390. 0cmmolLbcA153108 . 185.55100 . 1Lmolc* 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 。 解：解：已知铅的相对原子质量为 207.

19、216107 . 7502 .20708. 0Lmolc28. 0%53lglgTA1146108 . 1107 . 7228. 0cmmolLbcAk*20.2.2 吸光度的加和性吸光度的加和性nnnbcbcbcAAAA221121总 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。* 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。20

20、.2.3 对朗伯对朗伯-比尔定律的偏离比尔定律的偏离*1 1、比尔定律的局限性、比尔定律的局限性 比耳定律假设吸光质点是独立的，彼此间无相互影响。而在高浓度时，溶液中各种粒子可能产生相互的影响，从而改变了它对光的吸收能力， 发生变化。这种影响的程度同浓度有关系，所以使吸光度A与浓度c之间的线性关系发生了偏离。仅在稀溶液(c 12 Fe(OH)3棕橙色棕橙色 沉淀沉淀黄色黄色紫红色紫红色磺基水杨酸与三价铁磺基水杨酸与三价铁* 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。pHA吸光度与pH关系曲线* 3显色时的温度和时间显色时的

21、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,有些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。 *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。* 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，可提高灵敏度。 有些配合物易溶于有机溶剂，可以用适当的溶剂将其萃取出来，再测定萃取液的吸光度。优点：优点：（1）分离了杂质，

22、提高了选择性；（2）萃取后有色物质被浓缩，同时降低解离度，提高了灵敏度。（3）方法比较简单、方便、快速。*5、干扰离子的影响及消除、干扰离子的影响及消除影响主要表现在：影响主要表现在：干扰离子本身有颜色。 与试剂生成有色配合物。 与试剂形成无色配合物而消耗显色剂。 与被测离子生成离解度小的化合物。常用消除干扰的方法：常用消除干扰的方法：控制酸度 利用掩蔽反应 采用萃取光度法 利用新的显色反应分离干扰离子：分离干扰离子：利用沉淀、蒸馏、离子交换、吸附萃取法 选择适当的波长*Co2+, Fe3+Co2+FeF63-Co(SCN)2 (蓝蓝)NaFSCNCo2+Fe2+,Sn4+(2)Sn2+Co(

23、SCN)2SCNFe3+, Cu2+FeSSal（紫红）（紫红）Cu2+pH 2.5SSal测测Fe3:(控制控制pH)测测Co2 :(掩蔽法掩蔽法)*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 原则：灵敏度最高，干扰最小。原则：灵敏度最高，干扰最小。 20.5.1 入射波长的选择入射波长的选择 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

24、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*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。*bcAbdcdAcdcAdA

25、TTAln434. 0lgTdTdA434.0cdcTTdTAdAln100ln100%TTdTcdcRE * 测量误差不仅与仪器的透射比误差T 有关，而且与其透射比读数T 的值也有关。100ln%TTTRE最佳读数范围：最佳读数范围： T 在在 10%70% 之间时之间时, 浓度相浓度相对误差较小。即对误差较小。即A在在1.00.15之间。之间。何值时误差最小？何值时误差最小？ T 36.8%, A 0.434* 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。 *A总总A

26、试剂试剂A显色剂显色剂A干扰干扰A络合物络合物溶剂溶剂 缓冲剂缓冲剂干扰干扰干扰与显色干扰与显色剂形成络合物剂形成络合物被测物与显被测物与显色剂生成色剂生成20.5.3 参比溶液的选择参比溶液的选择 为什么需要使用参比溶液？为什么需要使用参比溶液？ 测得的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。测得的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。* 选择参比溶液所遵循的一般原则：选择参比溶液所遵循的一般原则：1、若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他、若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其他所加试剂均无吸收，用所加试剂均无吸收，用纯溶剂纯溶剂（水）作参比溶液；（水）作参比溶液；2、若显色剂

27、或其他所加试剂在测定波长处略有吸收、若显色剂或其他所加试剂在测定波长处略有吸收, 而试液本而试液本身无吸收，用身无吸收，用“试剂空白试剂空白”(不加试样溶液不加试样溶液)作参比溶液；作参比溶液； 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。*3 3、若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无、若待测试液在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，吸收，则可用则可用“试样空白试样空白”( (不加显色剂不加显色剂) )作参比溶液作参比溶液；4 4、若显色剂、试液中其他组分在测量波长处有吸收、若显色剂、试液中其他组分在测量波长处

28、有吸收, ,则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。显色剂，作为参比溶液。*测定条件的选择测定条件的选择 (1)选择合适波长的入射光。选择合适波长的入射光。( 最大最大) (2)控制吸光度在适宜的范围内控制吸光度在适宜的范围内(A = 0.2-0.7)。 (3) 控制试样的量或溶液的稀释程度来控制溶液度。控制试样的量或溶液的稀释程度来控制溶液度。 (4) 选择不同厚度的比色皿。选择不同厚度的比色皿。 (5)选择适当的参比溶液。选择适当的参比溶液。*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

29、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试试标试标ccAA*20.6 吸光光度法的应用吸光光度法的应用20.6.1 试样中微量组分的测定试样中微量组分的测定1、单组分的测定、单组分的测定 标准比较法标准比较法: 同条件下分别测定未知液与标准溶液的吸光度同条件下分别测定未知液与标准溶液的吸光度Ax和和A标标，根，根

30、据朗伯据朗伯-比尔定律，应有下式：比尔定律，应有下式：xxAbc标标cbA标标cAAcxx*(1)(1)、标准工作曲线法、标准工作曲线法 先配制一系列标准溶先配制一系列标准溶液，在最大吸收波长处，液，在最大吸收波长处，测出它们的吸光度，作图，测出它们的吸光度，作图，同条件测未知液的吸光度，同条件测未知液的吸光度，从图中查出未知液的浓度。从图中查出未知液的浓度。cA标准工作曲线图标准工作曲线图Axcxc1c2c3c4c5A1A2A3A4A5*2、多组分的同时测定、多组分的同时测定 各组分的吸收曲线不重叠各组分的吸收曲线不重叠 yy2xx22yy1xx11bcbcAbcbcA 各组分的吸收曲线互有重叠各组分的吸收曲线互有重叠*20.6.2 高含量组分的测定高含量组分的测定示差法示差法设：待测溶液浓度为设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为标准溶液浓度为cs(cs cx)。则：则：Ax= b cx As = b cs Ar = =x s = b(cx cs ） = bc绘制绘制Ar c工作曲线，再根据工作曲线，再根据cx=cs+c计算试样浓度。计算试样