第四章 比色分析及分光光度法

第四章比色分析及分光光度法

Colorimetric and Spectrophotometric Analysis

§1 概述

许多物质本身具有明显的颜色，例如KMnO4溶液显紫色，K2Cr2O7溶液显橙色等。另外，有些物质本身并无颜色，或者颜色并不明显，可是当它们与某些化学试剂反应后，则可以生成有明显颜色的物质，例如Fe3+本身具有黄色，当与一定量的KSCN试剂反应后，生成的Fe(SCN)3具有血红色；浅蓝色的Cu2+与氨水作用后，则生成深蓝色的Cu(NH3) 42+。当这些有色物质溶液的浓度改变时，溶液颜色的深浅液会改变。浓度越大，颜色越深；浓度越小，颜色越浅。因此，可以肯定地说，溶液颜色的深浅与有色物质的含量之间有一定的关系。在分析化学中，把这种基于比较有色物质溶液的颜色深浅以确定物质含量的分析方法称为比色分析。

实践证明，无论物质有无颜色，当一定波长的光通过该物质的溶液中时，根据物质对光的吸收程度，也可以确定该物质的含量。这种方法称为分光光度法。目前的比色分析常用分光光度计将光源变为单色光，并选择对待测物质具有最大吸收的单色光进行比色测定。

比色分析法、分光光度法与前面所讲的容量分析法、重量分析法相比，具有以下优点：1.灵敏度高比色分析法和分光光度法测定物质的浓度，下限一般可以达到10-5～10-6 mol/L，可以测定相当于含量0.001～0.0001%的微量组分。如果将被测物质加以富集，灵敏度还可以提高。

2.准确度高一般比色分析的相对误差为5～20%，分光光度法的相对误差为2～5%，其准确度虽不如容量分析及重量分析，但对微量组分来说，这个灵敏度还是可以的，因为微量组分用容量分析及重量法已无法测定，更谈不上准确了。例如1滴KMnO4滴入100mL水中时，仍可得到明显的适于比色分析的颜色，但这一滴溶液在滴定分析中只相当于它的误差的大小，根本无法进行准确测定。由此看来，比色法的准确度较高，可进行微量组分的分析。

3.操作简便，测定速度快比色法和分光光度法的仪器设备都简单，操作方便。进行分析时，试样处理成溶液后，一般只经历显色和比色两个步骤，就可得出分析结果。近年来，由于新的灵敏度高、选择性好的显色剂和掩蔽剂不断出现，使得一些干扰物可以不经分离，既可以进行测定。在生产过程的分析中，一般只要几分钟就可以得出结果，对于生产中的快速分析，起了很大的作用。

4.应用广泛几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用比色法和分光光度法进行测定，由此可见，比色及分光光度法应用范围之广泛。在环境监测中，适用最多的也是分光光度法，绝大多数污染物都可以用分光光度法测定，大多数中小型实验室都可以配备分光光度计，因此不受仪器设备条件的限制。

§2 比色分析及分光光度法的基本原理

一、光的基本性质

光是一种电磁波，按波长的顺序排列，有：

名称波长

X射线0.1～10nm

紫外线10～400nm

可见光400～780nm

红外线780nm～1000μm

无线电波1～1000m

二、物质的颜色与光的选择性吸收

如果我们把具有不同颜色的各种物体放置在黑暗处，则什么颜色都看不到。可见，物质呈现的颜色与光有着密切的关系。一种物质呈现何种颜色，是与光的组成和物质本身的结构有关的。

1.光的组成：

从光本身来说，有些波长的光线，作用与人的眼睛而引起了颜色的感觉。我们把人眼能看见的光叫做可见光。其波长范围在400～780nm之间。

白光是由各种不同颜色的光按一定的比例混合而成的。如果让一束白光通过三棱镜，就会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，每种颜色的光都具有一定的波长范围，我们把只具有一种颜色的光叫单色光，而把白光叫做复合光。

七种单色光可以混合成白光，如果把适当颜色的两种单色光按一定比例混合，也可以成为白光，这两种单色光叫互补色，如图。处于直线关系的两种单色光互为互补色，如绿色和紫色互补，可以组成白光。

红

橙黄

绿青

青蓝蓝

紫

2.物质的结构：

对固体物质来说，当白光照射到物质上时，物质对不同波长的光线吸收、反射、透射、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，则显黑色；如果物质对各种波长的光完全反射，则显白色。如果物质选择性地吸收某些波长的光，则该物质的颜色由它所反射或投射的光的颜色来决定。

对溶液来说，其颜色是由于溶液中的物质（分子、离子）选择性地吸收某些颜色的光引起的。如果光全部透射，则溶液是无色透明的；如果只让一部分波长的光透过，其他波长的光被吸收，则溶液就呈现透过光的颜色，即，溶液呈现的颜色是它吸收光的互补色。如，CuSO 4溶液在600nm 处有吸收峰，此波长下吸收的是黄光，其互补色为蓝色，因此我们看到的CuSO 4溶液呈现出蓝色。

如果测量某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以λ为横坐标，以A （absorption ）为纵坐标，可得到一条曲线——光吸收曲线。 例：KMnO 4溶液的光吸收曲线（见教材）

讨论：1.在可见光范围内，KMnO 4溶液对波长525nm 的绿光吸收最大，而对紫色和红色光吸收最弱，溶液呈现紫色。光吸收程度最大处的波长——最大吸收波长λmax 。

2.浓度不同时，光吸收曲线形状相同，最大吸收波长不变。

3. 浓度不同时，相应的吸光度大小不同。浓度越大，吸光度越大，比色就是以此为依据的。

三、 光吸收定律 mber 定律

当溶液的浓度一定时，光的吸收程度与液层厚度成正比——Lamber 定律。 C 一定，L k I

I A 10

lg ==

吸光度 入射光强

透射光强 比例常数

液层厚度

2.Beer 定律

（如果吸光物质溶于不吸光的溶剂中），当液层厚度一定时，光的吸收程度和吸光物质的浓度成正比——Beer 定律。

C k I

I A L 20

lg

==一定， mber —Beer 定律

如果要求同时考虑溶液浓度C 和液层厚度L 对光吸收(A)的影响，可将上述两定律合并，即Lamber —Beer 定律。

当一束单色光通过均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓度、厚度的乘积成正比——Lamber —Beer 定律。

kCL I

I A ==0

lg

式中：k —比例系数，与入射光的波长、物质的性质、溶液温度有关。

I I

T 入射光强度透射光强度透光率=

kCL T A =-=∴lg

0%,1001,0====A T I I 溶液无吸收，

4.吸光吸数、摩尔吸光吸数

kCL A =

式中k 的单位随C 、L 单位不同而不同。

浓度C g/L mol/L 液层厚度L Cm Cm 比例常数k 吸光系数 a(L/g·Cm)

摩尔吸光系数 ε(L/mol·Cm)

L —B 定律

aCL A =

CL A ε=

例：已知Fe 2+

的浓度为500μg/L ，用邻二氮菲比色法测Fe 2+

，比色皿长度L 为2Cm ，在波长508nm 处测得吸光度A 为0.19，计算摩尔吸光系数。 解：L mol L g C Fe /109.885

.55/10500662--⨯=⨯=+

CL A ε=

)/(101.12

109.819.04

6

Cm mol L CL A ⋅⨯=⨯⨯==

-ε