分光光度分析法

1、重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日第第1212章章 分光光度法分光光度法12.1 概述 12.1.1定義 分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，包括比色法、可見及紫外分光光度法及紅外光譜法等。本章重點討論可見光區(qū)的分光光度法。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.1.2 分光光度法的特點 a 靈敏度高。常用于測定試樣中質量分數(shù)為1%10-5的微量組分，甚至可測定低至質量分數(shù)為10-610-8的痕量組分。 b 準確度較高。目視比色法的相對誤差為5%10%，分光光度法為2%5%。 c 應用廣泛。幾乎所有的無機

2、離子和許多有機化合物都可以直接或間接地用目視比色法或分光光度法進行測定。 d 儀器簡單、操作簡便、快速。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.1.3 溶液的顏色與光吸收的關系 光是一種電磁波。根據(jù)波長或頻率排列，得到如表的電磁波譜表。 重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日相關概念*吸收光譜：原子吸收光譜和分子吸收光譜。是因物質對不同波長的光具有選擇性吸收作用而產生的。* 單色光：具同一波長的光。* 復合光：由不同波長組成的光。*波段：各種色光的波長范圍不同。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日*

3、 互補色光：按一定比例混合，得到白光。* 物質的顏色是因物質對不同波長的光具有選擇性吸收作用而產生的。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 吸收光譜曲線或光吸收曲線：以波長為橫坐標，吸光度為縱坐標作圖。* 最大吸收波長：光吸收程度最大充處的波長，用max表示。* 吸光度A(也稱消光度E或光密度D)：溶液對光的吸收程度。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 在可見光，KMnO4溶液對波長525 nm附近綠色光的吸收最強，而對紫色和紅色的吸收很弱。max=525 nm。 濃度不同時，光吸收曲線形狀相同，max不變，吸光度不同。重慶大

4、學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.2 光吸收基本定律12.2.1 朗伯-比爾定律 當一束平行單色光通過任何均勻、非散射的固體、液體或氣體介質時，一部分被吸收，一部分透過介質，一部分被器皿的表面反射。如圖所示，設入射光強度為I0 ，吸收光強度為Ia，透過光強度為It，反射光強度為Ir。rtaIIII0重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 在分光光度分析法中，試液和空白溶液分別置于同樣質料及厚度的吸收池中，然后讓強度為I0的單色光分別通過這兩個吸收池，再測量其透過光的強度。此時反射光強度基本上是不變的，且其影響可以相互抵消。taII

5、I0透光度或透光率 透過光強度It與入射光強度Io之比稱為透光度或透光率，用T表示溶液的透光度愈大，表示它對光的吸收愈小透光度愈大，表示它對光的吸收愈小; ;相相反，透光度愈小，表示它對光的吸收愈大反，透光度愈小，表示它對光的吸收愈大。0IITt重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 朗伯(Lambert J H)和比爾(Beer A)分別于1760和1852年研究了光的吸收與溶液層的厚度及溶液濃度的定量關系，二者結合稱為朗伯-比爾定律，也稱為光的吸收定律。 當一束強度為I0的平行單色光垂直照射到長度為b的液層、濃度為c的溶液時，由于溶液中吸光質點(分子或離子)的

6、吸收，通過溶液后光的強度減弱為I：KbcIIAo lgTIIAo1lglg定量分析的理論基礎定量分析的理論基礎。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 比例常數(shù)K與吸光物質的性質、入射光波長及溫度等因素有關。 含有多種吸光物質的溶液，如果各吸光物質對某一波長的單色光均有吸收作用，且各吸光物質的吸光質點之間相互不發(fā)生化學反應，則：nAAAA 21總這一規(guī)律稱吸光度的加和性吸光度的加和性。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 摩爾吸收系數(shù) 當濃度c用molL-1，液層厚度b用cm為單位表示，則K用另一符號來表示。稱為摩爾吸收系數(shù)，單位

7、為Lmol-lcm-1，它表示物質的量濃度為表示物質的量濃度為l molL-1，液層厚，液層厚度為度為l cm時溶液的吸光度。時溶液的吸光度。bcA12.2.2 摩爾吸收系數(shù)和桑德爾靈敏度重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 例例 濃度為濃度為25.5g/50mL的的Cu2+溶液，用雙環(huán)已酮草溶液，用雙環(huán)已酮草酰二腙光度法測定，在波長酰二腙光度法測定，在波長600nm處用處用2cm比色皿測量比色皿測量A=0.297，計算摩爾吸光系數(shù)。，計算摩爾吸光系數(shù)。解：解：114616362.109 . 12100 . 8297. 0.100 . 855.631050105

8、 .25cmmolLbcALmolCu重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 桑德爾(Sandell)靈敏度(靈敏度指數(shù)) S 指當儀器的檢測極限A=0.001時，單位截面積光程內所能檢測出來的吸光物質的最低含量，其單位為gcm-2，S與及吸光物質摩爾質量M的關系為：21000/ ? :cmmolcbScmgcbMMcb)/(?10101000236)/(10001. 010233cmgMMcbMS桑德爾靈敏度越小，表示顯色反應越靈敏。桑德爾靈敏度越小，表示顯色反應越靈敏。 001. 0cb重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12

9、.3 光度分析的方法和儀器12.3.1 目視比色法 用眼睛觀察、從管口垂直向下觀察（比色管），比較待測溶液和標準溶液顏色的深淺，以確定物質含量的方法。 優(yōu)點是儀器簡單，操作簡便，適宜于大批試樣的分析。靈敏度高，因為是在復合光-白光下進行測定，故某些顯色反應不符合朗伯-比爾定律時，仍可用該法進行測定。 主要缺點是準確度不高，標準系列不能久存，需要在測定時臨時配制。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.3.2 標準曲線法 借助分光光度計來測量一系列標準溶液的吸光度，繪制標準曲線，根據(jù)被測試液的吸光度，從標準曲線上求得被測物質的濃度或含量。 1 2 3 4 5 1

10、 2 3 4 5 樣品樣品標液標液 C C1 1 C C2 2 C C3 3 C C4 4 C C5 5 C CX X A A A A1 1 A A2 2 A A3 3 A A4 4 A A5 5 A AX X 特點：入射光是純度較高的單色光，故使偏離朗伯-比爾定律的情況大為減少，標準曲線直線部分的范圍更大，分析結果的準確度較高。ACXAX重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 12.3.3 比較法：比較法： 在一定條件下，配制標準溶液和樣品溶液，在一定條件下，配制標準溶液和樣品溶液， 在在max下測下測 A 標準溶液標準溶液 As=CsL 被測溶液被測溶液 Ax

11、=CxL Cx=CsAx/As 注意：注意： Cs 與與 Cx大致相當大致相當重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日1為選好的測定波長，一般為待測物質的max2為選好的參比波長，一般為待測物質的min測得的是樣品在兩種波長1和2處的吸光度之差A， A為扣除了背景吸收的吸光度 A=A1 -A2= （1 - 2） CL優(yōu)點：（1）大大提高了測定準確度，可完全扣除背景（2）可用于微量組分的測定（3）可用于混濁液和多組分混合物的定量測定12.3.4 扣除法扣除法重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日EFA1測2 參 a b 12.3.5多組分

12、定量方法 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一試樣中測定多個組份。設X,Y 組份在波長 1 和 2 處的摩爾吸光系數(shù) 可由已知濃度的 X, Y 純溶液測得。解上述方程組可求得 cx 及 cy。 yyxxyxyyxxyxlclcAlclcA222111重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.3.6 分光光度計及其基本部件 分光光度計的基本部件:光源、單色器、樣品池（比色皿）、檢測器和顯示裝置。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日*光源光源的作用是提供輻射-連續(xù)復合光n可見光區(qū) 鎢燈 320-2500nm 優(yōu)點：發(fā)射強度大、使用壽命

13、長n紫外光區(qū) 氫燈或氘燈 180-375nm 氘燈的發(fā)射強度比氫燈大4倍 玻璃對這一波長有強吸收，必須用石英光窗。 紫外-可見分光光度計同時具有可見和紫外兩種光源。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 單色器 單色器的作用是將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。分為棱鏡和光柵。 * 比色皿也稱吸收池或樣品池。用于盛放試液的容器。 它是由無色透明、耐腐蝕、化學性質相同、厚度相等的玻璃或石英制成，按其厚度分為0.5cm，lcm，2cm，3cm和5cm。 使用比色皿時應注意保持清潔、透明，避免磨損透光面。 紫外光只能用石英比色皿； 可見光可用石英或玻璃比色皿。重慶

14、大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 檢測器 接受從比色皿發(fā)出的透射光并轉換成電信號進行測量。分為光電管和光電倍增管。* 顯示裝置 作用是把放大的信號以吸光度A或透射比T的光度分析法的設計方式顯示或記錄下來。分光光度計常用的顯示裝置是檢流計、微安表、數(shù)字顯示記錄儀。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 12.4 顯色反應和顯色條件12.4.1 顯色反應 待測物質本身有較深的顏色，直接測定； 待測物質是無色或很淺的顏色，需要選適當?shù)脑噭┡c被測離子反應生成有色化合物再進行測定，此反應稱為顯色反應，所用的試劑稱為顯色劑。 按顯色反應的類型

15、來分，主要有氧化還原反應和絡合反應兩大類，而絡合反應是最主要的。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（1） 顯色反應的選擇A 選擇性好，干擾少，或干擾容易消除;靈敏度高，有色有色物質的物質的應大于應大于104。B 有色化合物的組成恒定，符合一定的化學式。C 有色化合物的化學性質穩(wěn)定，至少保證在測量過程中溶液的吸光度基本恒定。這就要求有色化合物不容易受外界環(huán)境條件的影響。D 有色化合物與顯色劑之間的顏色差別要大，即顯色劑對光的吸收與絡合物的吸收有明顯區(qū)別，要求兩者的要求兩者的吸收峰波長之差吸收峰波長之差(稱為對比度稱為對比度)大于大于60 nm。重慶大學化學化工學

16、院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（2）顯色劑 無機顯色劑不多，因為生成的絡合物不穩(wěn)定，靈敏度和選擇性也不高。如用KSCN顯色測鐵、鉬、鎢和鈮；用鉬酸銨顯色測硅、磷和釩;用H2O2顯色測鈦等(Ti4+能與過氧化氫反應產生橙黃色)。 重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日A 磺基水楊酸 OO型螯合劑，可與很多高價金屬離子生成穩(wěn)定的螯合物，主要用于測Fe3+。B 丁二酮肟 NN型螯合顯色劑，用于測定Ni2+。C 1，10-鄰二氮菲 NN型螯合顯色劑，測微量Fe2+。D 二苯硫腙 含S顯色劑，萃取光度測定Cu2+，Pb2+，Zn2+，Cd2+，Hg2+等

17、。E 偶氮胂(鈾試劑) 偶氮類螯合劑，強酸性溶液中測Th(),Zr()，U()等；在弱酸性溶液中測稀土金屬離子。F F 鉻天青S 三苯甲烷類顯色劑，測定Al3+。G 結晶紫 三苯甲烷類堿性染料，測定Tl3+。有機顯色劑重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 實驗條件包括：溶液酸度，顯色劑用量，試劑加入順序，顯色時間，顯色溫度，有機絡合物的穩(wěn)定性及共存離子的干擾等。12.4.2 顯色條件的選擇（1）溶液的酸度 M+HRMR+H+* 影響顯色劑的平衡濃度和顏色* 影響被測金屬離子的存在狀態(tài)* 影響絡合物的組成 * pH與吸光度關系曲線確定pH范圍。重慶大學化學化工學院

18、耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（2）顯色劑的用量 M(被測組分)+R(顯色劑) MR(有色絡合物) 為使顯色反應進行完全，需加入過量的顯色劑。但顯色劑不是越多越好。有些顯色反應，顯色劑加人太多，反而會引起副反應，對測定不利。在實際工作中根據(jù)實驗結果來確定顯色劑的用量。 重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（3）顯色反應時間 有些顯色反應瞬間完成，溶液顏色很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，并在較長時間內保持不變; 有些顯色反應雖能迅速完成，但有色絡合物的顏色很快開始褪色; 有些顯色反應進行緩慢，溶液顏色需經(jīng)一段時間后才穩(wěn)定。制作吸光度-時間曲線確定適宜時間。（4

19、）顯色反應溫度 顯色反應大多在室溫下進行。但是，有些顯色反應必需加熱至一定溫度完成。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（5）溶劑 有機溶劑降低有色化合物的解離度，提高顯色反應的靈敏度。如在Fe(SCN)3的溶液中加入丙酮顏色加深。 溶劑還可能提高顯色反應的速率，影響有色絡合物的溶解度和組成等。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（6）干擾及其消除方法 試樣中存在干擾物質會影響被測組分的測定： 例如干擾物質本身有顏色或與顯色劑反應，在測量條件下也有吸收，造成正干擾。 干擾物質與被測組分反應或與顯色劑反應，使顯色反應不完全，也會造成

20、干擾。 干擾物質在測量條件下從溶液中析出，便溶液變混濁，無法準確測定溶液的吸光度。 為消除以上原因引起的干擾，可采取以下幾種方法。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日a. 控制溶液酸度b. 加入掩蔽劑 選取的條件是掩蔽劑不與待測離子作用，掩蔽劑以及它與干擾物質形成的絡合物的顏色應不干擾待測離子的測定；c. 利用氧化還原反應，改變干擾離子的價態(tài)； d. 利用校正系數(shù)；e. 用參比溶液消除顯色劑和某些共存有色離子的干擾；f. 選擇適當?shù)牟ㄩL；g.當溶液中存在有消耗顯色劑的干擾離子時，可通過增加顯色劑的用量來消除干擾；h. 分離 以上方法均不奏效時，采用預先分離的方法

21、。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 在分光光度分析中，儀器測量不準確也是誤差的主要來源。任何光度計都有一定的測量誤差。這些誤差可能來源于光源不穩(wěn)定，實驗條件偶然變動，讀數(shù)不準確等。 在光度計中，透射比的標尺刻度均勻。吸光度標尺刻度不均勻。對于同一儀器，讀數(shù)的波動對透射比為一定值；而對吸光度讀數(shù)波動則不再為定值。吸光度越大，讀數(shù)波動所引起的吸光度誤差也越大。12.5 儀器測量測量誤差和測量條件12.5.1 儀器測量誤差重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 透光率很小或很大時，濃度測量誤差都較大。 當當T=0.01，作圖或對上式再

22、求導，可求得：，作圖或對上式再求導，可求得：當當A=0.434(或透光率或透光率T=36.8%)時，測量的相對誤差最小。時，測量的相對誤差最小。 一般情況下使待測溶液的透光率T在15%65%之間，或使吸光度A在0.20.8之間，來保證測量的相對誤差較小。 TAlg將此式對將此式對T T微分：微分：TTTTA434. 0)(ln434. 0lg兩邊同除以兩邊同除以A A，得：，得：ccTTTTATAA)lg434. 0()434. 0(重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（1）測量波長的選擇 為了使測定結果有較高的靈敏度，應選擇被測物質的最大吸收波長的光作為入射光

23、，這稱為“最大吸收原則”。選用這種波長的光進行分析，不僅靈敏度高，且能減少或消除由非單色光引起的對朗伯-比爾定律的偏離。 但是，在最大吸收波長處有其他吸光物質干擾測定時，則可選另一靈敏度稍低，但能避免干擾的入射光波長。12.5.2 測量條件的選擇重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日 例 丁二酮肟光度法測鋼中鎳，絡合物丁二酮肟鎳的最大吸收波長為470 nm，但試樣中的鐵用酒石酸鈉掩蔽后，在470 nm處也有一定吸收，干擾鎳的測定。為避免鐵的干擾，可以選擇波長 520 nm進行測定，雖然測鎳的靈敏度有所降低，但酒石酸鐵不干擾鎳的測定。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉

24、樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（2）吸光度范圍的選擇 從儀器測量誤差的角度來看，為使測量結果得到較高準確度，一般控制標準溶液和被測試液的吸光度在一般控制標準溶液和被測試液的吸光度在0.20.80.20.8范圍內。范圍內?？赏ㄟ^控制溶液的濃度或選擇不同厚度的吸收池來達到目的。(3) 參比溶液的選擇 利用參比溶液來調節(jié)儀器的零點，可消除由吸收池壁及溶劑對入射光的反射和吸收帶來的誤差，扣除干擾的影響。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日參比溶液選擇： a 試液及顯色劑均無色，蒸餾水作參比溶液； b 顯色劑為無色，被測試液中存在其他有色離子，用不加顯色劑的被測試液

25、作參比溶液； c 顯色劑有顏色，被測試液無色，可選擇不加試樣溶液的試劑空白作參比溶液。 d 顯色劑和試液均有顏色，可加入適當掩蔽劑，將被測組分掩蔽起來，使之不再與顯色劑作用，而顯色劑及其他試劑均按試液測定方法加入，以此作為參比溶液，這樣就可以消除顯色劑和一些共存組分的干擾。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日(4)標準曲線的制作 有時標準曲線不通過原點 可能是由于參比溶液選擇不當，吸收池厚度不等，吸收池位置不妥，吸收池透光面不清潔等原因所引起的。若有色絡合物的解離度較大，特別是當溶液中還有其他絡合劑時，常便被測物質在低濃度時顯色不完全。找出原因，盡量加以避免。重

26、慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日12.5.3 對朗伯-比爾定律的偏離 在分光光度分析中，經(jīng)常出現(xiàn)標準曲線不呈直線的情況，特別是當吸光物質濃度較高時，明顯地看到通過原點向濃度軸彎曲的現(xiàn)象(吸光度軸彎曲)。這種情況稱為偏離朗伯-比爾定律。若在曲線彎曲部分進行定量，將會引起較大的誤差。 偏離朗伯比爾定律的原因主要是儀器或溶液的實際條件與朗伯-比爾定律所要求的理想條件不一致。重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日（1）非單色光引起的偏離 * * 朗伯-比爾定律只適用于單色光，但由于單色器色散能力的限制和出口狹縫需要保持一定的寬度，所以目前各種分光光度計得到的入射光實際上都是具有某一波段的復合光。由于物質對不同波長光的吸收程度的不同，因而導致對朗伯比爾定律的偏離。較平坦較平坦不平坦不平坦重慶大學化學化工學院耐勞苦 尚儉樸 勤學業(yè) 愛國家2022年5月9日* 克服非單色光引起的偏離的措施 使用比較好的單色器，從而獲得純度較高的 “單色光”，使標準曲線有較寬的線性范圍。 入射光波長選擇在被測物質的最大吸收處，保證測定有較高的靈敏度，此處的吸收曲線較為平坦，在此最大吸收波長附近各波長的光的值大體相等，由于非單色光引起的偏離要比在其他波長處小得多。 測定時應選擇適當?shù)臐舛确秶?，使吸光度讀數(shù)在標準曲線的線性范圍內。重慶大學化學化