第二章 比色分析与分光光度分析

注意！
定量分析时，在max处测定A，其灵敏度最高，因此吸收曲线 是吸光光度法选择测量波长的重要依据。
二、 光吸收基本定律: Lambert-Beer定律
当一束平行单色光，通过一均匀的溶液后，光的强度会减弱 。
入射光 I0
透射光 It
I0 =
入射光强度
Ia +
吸收光强度
It
透过光强度
1.透光度T （透射比）Transmittance It 定义透光度： T I0
四、偏离朗伯—比耳定律的原因
用标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现当溶液浓度较 高时标准曲线常发生弯曲，这种现象称为对朗伯—比耳定律的
偏离。
引起这种偏离的因素：
（1）物理性因素，即仪器
的非理想引起的； （2）化学性因素。
1.物理性因素
吸收定律成立的前提条件之一是入射光为单色光，但实际 上难以获得真正的纯单色光。 分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带，而复合光可导 致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。 在实际工作中，为了避免非单色光带来的影响，一般选用 峰值波长进行测定。 选用峰值波长，也可以得到较高的灵敏度。

随着近代测试仪器的发展，目前已普遍采用分光光度计进行 比色分析，应用分光光度计的分析方法称为分光光度法。
通过深入研究，人们发现：

物质呈现不同的颜色其本质是对光的选择性吸收； 颜色深浅随浓度而变化是对光的吸收程度不同。

一、吸光光度法定义
吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立
起来的分析方法。
绿 蓝绿
黄绿 黄
绿蓝
橙
蓝
红
紫
紫红
图中处于对角线上的两种单色光为互补色光。
例如蓝色光和黄色光、绿色光和紫红色光互补等
3. 光的选择性吸收和溶液的颜色
一种物质呈现何种颜色，与入射光组成和物质本身的结构
有关,而溶液呈现不同的颜色是由于溶液中的吸光质点(离子或 分子)选择性地吸收某种颜色的光而引起的。 常见的有下列三种情况：
102 nm 104 nm
紫 外 光 红 外 光
Байду номын сангаас
0.1 cm 10cm
微 波
103 cm
105 cm
无 线 电 波
可
见
光
2.关于光的几个术语
可见光：人眼能感觉到的那一小段光，波长范围约400～ 760nm 单色光：单一波长的光组成，单色光其实是一种理想的 “单色”，实际上含有少量其它波长的色光 复合光：由不同波长的光组合而成的光 互补色光：两种适当颜色的单色光按一定强度比例混合可得到 白光，这两种单色光称为互补色光。
4.显色剂
无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。
有机显色剂：种类繁多 偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物后，颜 色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选 择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂Ⅲ、PAR等。 三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等
二、显色条件的选择
M + R H+ HnR MR
A （样品）- A （参比）= A （MR）= kbc
1.选择适当的入射波长
一般应该选择λ max为入射光波长。
如果λ max处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度 稍低但能避免干扰的入射光波长。
2.控制适宜的吸光度范围
浓度测量值的相对误差（Δc/c）不仅与仪器的透光度误 差ΔT 有关，而且与其透光度读数T 的值也有关。
§2-2 吸光光度法的基本原理
内容提要
一、物质对光的选择性吸收 二、 光吸收基本定律 — Lambert-Beer定律 三、朗伯-比尔定律的分析应用—溶液浓度的测定方法 四、偏离朗伯—比耳定律的原因
一、物质对光的选择性吸收 1.光的基本性质
光是一种电磁波
电磁波谱

10-2 nm 10 nm
射 线 x 射 线
A＝ b c
的单位: L· -1· -1 mol cm
三、朗伯-比尔定律的分析应用—溶液浓度的测定方法 A＝ bc 或 A＝a b ρ 工作曲线法：
测定试样中某组分 含量时，先配制一系列 该组分的标准溶液，按 所需条件显色后，在选 定的波长和吸收池厚度 下，分别测定它们的吸 光度A。 以A为纵坐标，浓度c(ρ)为横坐标，绘制的A- c(ρ)曲线称为 工作曲线。
有色 物质
显色剂：将待测组分转变为有色物质的化学试剂
一、对显色反应的要求
M + R MR
1.选择显色反应时，应考虑的因素 灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂
在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收
波长之差：“对比度”，要求△ > 60nm。
2.配位显色反应
当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常
溶液中CrO42-、 Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。 故此时溶液pH 对测定有重要影响。
故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液
§2-3 显色反应及显色条件的选择
可见光区的吸光光度分析，首先要利用显色反应 将待测组分转变为有色物质，然后进行测定。 显色反应：
被测组 分
显色剂 M + R MR
T 取值为0.0 ~ 1.0
全部吸收 ~~~~ 全部透射
2.吸光度A (Absorbance） 定义吸光度 ： A 取值为 0.0 ~∞
全部透射~~~全部吸收
I0 A lg It
二者关系为： A = lg(1/T) = -lgT
3.光吸收基本定律——朗伯-比尔定律
朗伯和比尔分别研究了吸光度与液层厚度和吸光度与浓度之 间的定量关系，合称朗伯-比尔定律，其数学表达式为：
2.化学性因素
溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学 平衡时，使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。

当溶液浓度c >10-2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相 互作用，直接影响了对光的吸收。

例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： 2 CrO42- ＋2H＋ = Cr2O72- ＋H2O
光谱示意
完全吸收
复合光
表观现象示意
完全透过
吸收黄色光
物质呈现颜色与吸收光波长的关系见下表。
不同颜色的可见光波长及其互补光
/nm 400 ～ 450 450 ～ 480 480 ～ 490 490 ～ 500 500 ～ 560 560 ～ 580 580 ～ 610 610 ～ 650 650 ～ 760 颜色 紫 蓝 绿蓝 蓝绿 绿 黄绿 黄 橙 红 互补光 黄绿 黄 橙 红 红紫 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
0.80 0.60
A
0.40
0.20
0.00
0
1.0 2.0
3.0 4.0 ρ(mg/mL)
样品的测定
A
在相同条件下测定 样品溶液的吸光度， 从工作曲线上查得样
0.80 Ax 0.60
*
0.40
0.20
品溶液的浓度，进而
计算试样中待测组分 的含量。
0.00
cx 0 1.0 2.0 3.0 4.0 ρ(mg/mL)
四种不同浓度KMnO4溶液的吸收曲线
Cr2O72-、MnO4-的吸收曲线
350 1.0 0.8 Absorbance 0.6 0.4 0.2 300 Cr2O72-
525 545
MnO4-
350
400
500
600
700
/nm
从图中可以看出：
①吸光度最大处的波长称为最大吸收波长，用λmax表示， 例如的KMnO4溶液的 λmax =525nm。 ②同一物质的吸收曲线相似， max不变；不同物质吸收曲线 的形状和max 均不相同，据此可作为物质定性分析的依据 ③同一物质不同浓度的溶液，在一定波长处吸光度随溶液 浓度的增加而增大 ——定量分析的依据
①当白光通过某一均匀溶液时，如果各种波长光几乎全部被吸 收，则溶液呈黑色。 ②如果入射光全部透过（不吸收），则溶液无色透明。 ③如果对某种色光产生选择性吸收，则溶液呈现透射光的颜 色，即溶液呈现的是它吸收光的互补色光的颜色。如硫酸铜
溶液选择性地吸收了白色光中的黄色光，所以呈现蓝色。
溶液的颜色与光吸收的关系
OHM（OH）n
影响因素

显色剂用量 酸度 温度 显色时间 溶剂 溶液中共存离子
1. 显色剂用量
为使显色反应完全，需加入过量的显色剂，但有时显色剂
太多，引起副反应，用量通过实验选择。 固定c(M)、pH，改变c（R）：
c(R)
c(R)
c(R)
2.显色反应酸度 酸度对显色反应有影响，要控制合适的酸度，通过实验确定。
比色分析法——目测
二、吸光光度法特点
1. 灵敏度高：常用于测定试样中质量分数为（10-2～10-8）的微 量或痕量组分。 2. 准确度高：一般分光光度法的相对误差2～5％，能够满足 微量组分的测定要求。 3. 仪器简单，操作简便、快速 4. 应用广泛 几乎所有的无机离子和许多有机化合物都能直接或间接用 吸光光度法测定。 在化工、医药、冶金、环境保护、地质等诸多领域已成 为必不可少的测试手段之一。
5.溶液中共存离子的影响
共存离子有色或显色剂反应生成有色物质干 扰测定，需设法消除或提前分离之。
三、共存离子干扰的消除
1.加入掩蔽剂
选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩 蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分 的测定。 例：测定Ti4＋，可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色) 成为Fe(PO４)23-(无色)，消除Fe3+的干扰；又如用铬天菁S 光度法测定Al3+时，加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为 Fe2+，消除Fe3+的干扰。
应控制A：0.2~0.8之间。控制方法：
1）控制溶液浓度 A>0.8时，稀释后测量；A<0.2时，扩大取 样量或浓缩后测量。
固定c(M)、 c(R)，改变pH
pH
3. 显色温度及显色时间
显色反应要在合适的温度下进行；有的显色反应瞬间完成， 有的需要放置一定时间。有的放置时间太长不稳定，通过实验 选择。 固定c(M)、 c(R) 、 pH，改变温度和时间 A 50℃
25℃
t /min
4.溶剂
有时在显色反应中加入有机溶剂，可提高显色 反应的灵敏度。
互补色光和各种颜色光的波长范围，可作为光度测定时选择 测量波长的参考
4.吸收曲线
若以不同波长的光照 射某一溶液，并测量每 一波长下溶液对光的吸 收程度（即吸光度A）， 以吸光度为纵坐标，相 应波长为横坐标，所得 A-λ曲线，称为吸收曲线。 它更清楚地描述了物质 对光的吸收情况。
任何一种溶液对不同波长光的吸收程度是不一样的。
吸光质点浓度
A=lg(I0/It)=kbc
吸光度 吸收层厚度(cm)
物理意义: 当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质 时，其吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正 比——吸光光度法定量分析的理论基础
4. 吸光系数与摩尔吸光系数
A=kb c
K 比例常数 物质的性质 入射光波长 温度
K的取值与浓度的单位有关 ①当c的单位为g· -1时，比例常数用a 表示，称为吸光系数 L A＝a b ρ a 的单位: L·-1· -1 g cm ②当c的单位用mol· -1时，比例常数用 表示,称为摩尔吸光系数 L
2.选择适当的显色反应条件
3.分离干扰离子
四、测量条件的选择
吸光度的测量：将被测溶液盛放在吸收池中，放入分光光度 计光路中。 如图所示：
入射光 I0
透射光 It
A=lg(I0/It)

MR吸收 试样中其他成分吸收
溶剂和试剂吸收
吸收池对光的反射和吸收
A （样品） = A （MR） + A （干扰）+ A （吸收池） 为了使吸光度真正反映待测组分的浓度，需扣除非待测 组分的影响——使用参比溶液 参比溶液：将不含待测离子的溶液或试剂加入一比色皿 中，试液放入另一比色皿中，再调节仪器，使不含待测离子 溶液处于T=100%（A=0）处，此种溶液为参比溶液。 目的是为了消除由于比色皿、溶剂及试剂对入射光的 反射和吸收等带来的误差。 A （参比） = A （干扰）+ A （池）=0
会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外—可见吸收 光谱。
3.氧化还原显色反应
某些元素的氧化态，如Mn（Ⅶ）、Cr（Ⅵ）在紫外或
可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行 显色后测定。 例如：钢中微量锰的测定，Mn2＋不能直接进行光度测 定 2 Mn2＋ ＋5 S2O82-＋8 H2O =2 MnO4＋ + 10 SO42-＋ 16H+ 将Mn2＋ 氧化成紫红色的MnO4＋后，在525 nm处进行测 定。
第二章 比色分析与 分光光度分析
§ 2-1 吸光光度法

KMnO4水溶液呈深紫色，K2CrO4溶液呈黄色，CuSO4溶液
呈蓝色……当这些有色物质溶液的浓度发生变化时，溶液颜
色的深浅也随之改变，浓度越大，颜色越深----可以通过比较 溶液颜色的深浅来测定物质的含量。

这种基于比较溶液颜色的深浅进行定量分析的方法，称为 目视比色法。