1、欢迎光临 分析化学精品课,第6章 吸光光度法 Absorption Photometry,6.1概述 6.2光度分析法的设计 6.3光度分析法的误差 6.4其他吸光光度法和光度分析的应用,6.1 概述,6.1.1 吸光光度法 6.1.2 光吸收的基本定律 6.1.3 比色法和吸光光度法及其仪器,定义：是基于被测物质的分子 对光 具有选择性吸收的特性而建立的分析方法。包括：比色法、可见及紫外吸光光度法及红外光谱法等。 本章我们重点讨论可见光区的吸光光度法。,6.1.1 吸光光度法,1.吸光光度法的特点,(一)灵敏度高 吸光光度法测定物质的浓度下限(最低浓度)一般可达1-10-3%的微量组分。对固
2、体试样一般可测到10-4%。 (二)准确度较高 相对误差为2-5%，但对微量成分来说，还是比较满意的，因为在这种情况下，滴定分析法和重量法也不够准确了，甚至无法进行测定。(三)操作简便，测定速度快(四)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吸光光度法进行测定。,光的电磁波性质,2.光的基本性质,光是一种电磁波。根据波长或频率排列，得到如表6-1所示的电磁波谱表。 表6-1 电磁波谱范围表,E：光子的能量（J, 焦耳）, ：光子的频率（Hz, 赫兹）, ：光子的波长（cm）,c：光速（2.99791010 cm.s-1）,h：Plank常数（6.625610-34 J.s 焦
3、耳. 秒）,3.吸收光谱产生的原理,原子吸收光谱： 由原子外层电子选择性地吸收某些波长的电磁波而引起的分子吸收光谱：由电子能级跃迁而产生的吸收光谱-带状光谱。由价电子跃迁而产生的分子光谱称为电子光谱红外吸收光谱：由分子振动能级(能量差约0.05l eV)和转动能级(能量差小于0.05 eV)的跃迁而产生的吸收光谱（带状光谱）。,4.分子吸收光谱复杂性,由于分子结构的复杂造成了分子光谱比较复杂：同一电子能级中由几个振动能级；而在同一振动能级中又有几个转动能级。在电子能级变化时，不可避免地伴随有分子振动和转动能级的变化，因此分子光谱比原子光谱复杂得多，成带状光谱。, 单色光（monochromat
4、ic light）：具有同一波长的光。 复合光（multiplex light）：由不同波长的光组合而成的光。 紫外光（ultraviolet light）：波长200400 nm。 可见光（visible light）：人眼能感觉到的光，波长在400750 nm。它是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成。 波段（wave band）：各种色光的波长范围不同。,5.名词术语, 互补色光（complementary color light）：按一定比例混合，得到一束白光（white light）的两种色光互称为互补色光。 吸收光谱曲线或光吸收曲线（ absorption cu
5、rve）：测量某物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长（）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标，绘制吸光度随波长的变化可得一曲线，此曲线即为吸收光谱。 最大吸收波长（maximum absorption wavelengh）：光吸收程度最大处的 波长，用max表示,光的互补:若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。,物质对光的吸收,物质的颜色与光的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,物质的颜色是因物质对不同波长的光具有选择性吸收作用而产生的。,从吸收曲线看吸收光与颜色的关系在可见光，KMnO4溶液对波
6、长 525 nm附近绿色光的吸收最强， 而对紫色和红色的吸收很弱。 max= 525 nm。 浓度不同时，光吸收曲线形状相同， max不变，吸光度(absorbance)不同。, 灵敏度高。常用于测定试样中质量分数为1%-10-5的微量组分。 准确度较高。目视比色法的相对误差为5%-10%；吸光光度法为2%-5%。 应用广，几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可以直接或间接用目视比色法或吸光光度法进行测定。 仪器简单、操作简便、快速。,6.目视比色法(colorimetry)吸光光度法的特点,当一束平行单色光通过任何均匀、非散射的固体、液体或气体介质时，一部分被吸收，一部分透过介质，一部分被器
7、皿的表面反射。如图6-3所示，设入射光强度为I0 ，吸收光强度为Ia，透过光强度为It，反射光强度为Ir。,6.1.2 光吸收的基本定律,在吸光光度分析法中，试液和空白溶液分别置于同样质料及厚度的吸收池中，然后让强度为I0的单色光分别通过这两个吸收池，再测量其透过光的强度。此时反射光强度基本上是不变的，且其影响可以相互抵消。入射光强与吸收和透过光强关系为下式,透过光强度It与人射光强度Io之比称为透射比或透光率（度），用T表示。溶液的透射比愈大，表示它对光的吸收愈小；相反，透射比愈小，表示它对光的吸收愈大。,1.透射比或透光率（度）Transmittance,透光率定义：,T 取值为0.0 %
8、 100.0 %,朗伯(Lambert J H)和比尔(Beer A)分别于1760和1852年研究了光的吸收与溶液层的厚度及溶液浓度的定量关系，二者结合称为朗伯-比尔定律，也称为光的吸收定律。当一束强度为I0的平行单色光垂直照射到长度为b的液层、浓度为c的溶液时，由于溶液中吸光质点(分子或离子)的吸收，通过溶液后光的强度减弱为I：,2.朗伯-比尔定律（Lambert-Beerslaw）, 朗伯-比尔定律表明：当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比。比例常数K与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。 吸光度的加和性：当某一波长的单色光通过一种
9、含有多种吸光物质的溶液时，溶液的总吸光度应等于各吸光物质的吸光度之和。这一规律称吸光度的加和性。,3.吸光度与透光率 Absorbance and transmittance,T ： 透光率,A： 吸光度,T,T = 0.0 %,A = ,T = 100.0 %,A = 0.0,A = 0.434,T = 36.8 %,4.摩尔吸收系数和桑德尔灵敏度,摩尔吸收系数 molar absorptivity当浓度c用molL-1，液层厚度b用cm为单位表示，则K用符号来表示。称为摩尔吸收系数，单位为Lmol-lcm-1，它表示物质的量浓度为l molL-1，液层厚度为l cm时溶液的吸光度。,桑德尔
10、(Sandell)灵敏度或称(灵敏度指数) 用S来表示。S是指当仪器的检测极限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小含量，其单位为gcm-2。,S与及吸光物质摩尔质量M的关系为：,1.目视比色法 colorimetry用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法。 优点：仪器简单，操作简便，适宜于大批试样的分析。灵敏度高，可在复合光-白光下进行测定，故某些显色反应不符合朗伯-比尔定律时，仍可用该法进行测定。 主要缺点：准确度不够高，标准系列不能久存，需要在测定时临时配制。,6.1.3 比色法和吸光光度法及其仪器,目视比色法,2.吸光光度法 Spectrophotom
11、etry 借助分光光度计来测量一系列标准溶液的吸光度，绘制标准曲线（工作曲线）， 根据被测试液的吸光度，从标准曲线上求得被测物质的浓度或含量。 标准曲线 Standard curve- calibrated curve工作曲线 working curve, 吸光光度法特点:(1) 入射光是纯度较高的单色光。偏离朗伯-比尔定律的情况大为减少，标准曲线直线部分的范围更大，分析结果的准确度较高。(2) 可任意选取某种波长的单色光，故利用吸光度的加和性，同时测定溶液中两种或两种以上的组分。(3) 许多无色物质，只要它们在紫外或红外光区域内有吸收峰，也可以测定。,3.两种方法比较,原理不同：吸光光度法与
12、目视比色法在上不同。吸光光度法是比较有色溶液对某一波长光的吸收情况，目视比色法则是比较透过光的强度。例如，测KMnO4的含量，吸光光度法测量的是KMnO4溶液对黄绿色光的吸收情况，目视比色法则是比较KMnO4溶液透过红紫色光的强度。,4. 分光光度计分光光度计可分为单光束和双光束两类。有数字显示的单光束、可见分光光度计（如722型）（recording spectrophotometer）。 基本部件 光源、单色器、比色皿、检测器和显示装置。,工作流程,光源,单色器,比色皿,光电转换,显示记录系统,光源 （light source）：用6-12 V钨灯tungsten lamp作可见光区的光源
13、，发出的连续光谱在60-800 nm 范围内。 另外还有氘灯 deuteriumlamp做光源，用于发射紫外光。, 单色器 monochromator： 其作用是将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。有棱镜prism和光栅grating两类。, 比色皿(coloritrough) 也称吸收池。用于盛放试液的容器。有玻璃和石英材料制作。按其厚度分为0.5 cm，l cm，2 cm，3 cm，5 cm，10 cm 。, 检测器 detector： 接受从比色皿发出的透射光并转换成电信号进行测量。分为光电管（phototube）和光电倍增管（photomultiplier）它的灵敏度比光电管高20
14、0多倍。适用波长范围为160700 nm。光电倍增管在现代的分光光度计中被广泛采用。早期也用光电池 （photocell）。, 显示记录系统 ： 其作用是把放大的信号以吸光度A或透射比T的光度分析法的设计方式显示或记录下来。分光光度计常用的显示装置是检流计、微安表、数字显示记录仪。,5.分光光度计的类型,可见分光光度计、紫外-可见分光光度计和红外分光光度计。(一)单光束分光光度计721、722、751型。(二)双光束分光光度计,单波长双光束分光光度计,6.2 光度分析法的设计,6.2.1 显色反应 6.2.2 显色条件的选择 6.2.3 测量波长和吸光度范围的选择 6.2.4 参比溶液的选择
15、6.2.5 吸光光度法的应用,6.2.1 显色反应,在分光光度分析中，将试样中被测组分转变成有色化合物的反应叫显色反应。显色反应可分两大类，即络合反应和氧化还原反应，而络合反应是最主要的显色反应。与被测组分化合成有色物质的试剂称为显色剂。,1.对显色反应要求,(1) 选择性要好。 (2)灵敏度要高。 (3)对比度要大。即如果显色剂有颜色，则有色化合物与显色剂的最大吸收波长的差别要大，一般要求在60nm以上。 (4)有色化合物的组成要恒定,化学性质要稳定。 (5)显色反应的条件要易于控制。,2.显色剂,(1)无机显色剂： 许多无机试剂能与金属离子起显色反应，如Cu2+与氨水形成深蓝色的络离子Cu
16、(NH4)42+，SCN-与Fe3+形成红色的络合物Fe(SCN)2+或Fe(SCN)63-等。但是多数无机显色剂的灵敏度和选择性都不高，其中性能较好，目前还有实用价值的有硫氰酸盐、钼酸铵、氨水和过氧化氢等。(2)有机显色剂：许多有机试剂，在一定条件下，能与金属离子生成有色的金属螯合物(具有环状结构的络合物)。,3.生色团、助色团,在有机化合物分子中，凡是包含有共轭双键的基团如NN、NO、NO2、对醌基、CO(羰基)、CS(硫羰基)等，一般都具有颜色，原因是这些基团中的电子被光激发时，只需要较小的能量，能吸收波长大于200nm的光，因此，称这些基团为生色团； 某些含有未共用电子对的基团如胺基N
17、H2，RHN，R2N(具有一对未共用电子对)，羟基-OH(具有两对末共用电子对)，以及卤代基F，Cl，Br，I等，它们与生色基团上的不饱和键互相作用，引起永久性的电荷移动，从而减小了分子的活化能促使试剂对光的最大吸收“红移” (向长波方向移动)，使试剂颜色加深，这些基团称为助色团。,6.2.2 显色反应条件的选择,1.显色剂的用量显色就是将被测组分转变成有色化合物，表示：M + R = MR (被测组分) (显色剂) (有色化合物)反应在一定程度上是可逆的。为了减少反应的可逆性，根据同离子效应，加入过量的显色剂是必要的，但也不能过量太多，否则会引起副反应，对测定反而不利。,2. 溶液的酸度,溶
18、液酸度对显色反应的影响很大，这是由于 溶液的酸度直接影响着金属离子和显色剂的存在形式以及有色络合物的组成和稳定性。因此，控制溶液适宜的酸度，是保证光度分析获得良好结果的重要条件之一。(1)酸度对被测物质存在状态的影响(2) 酸度对显色剂浓度和颜色的影响(3)对络合物组成和颜色的影响,3.时间和温度,显色反应的速度有快有慢。多数显色反应需要一定时间，溶液的颜色才能达到稳定程度。有些有色化合物放置一段时间后，由于空气的氧化，试剂的分解或挥发，光的照射等原因，使颜色减退。不同的显色反应需要不同的温度，应根据不同的情况选择适当的温度进行显色。温度对光的吸收及颜色的深浅也有一定的影响。合适显色温度也必须
19、通过实验确定,做A-C曲线即可求出。,4.有机溶剂和表面活性剂,溶剂对显色反应的影响表现在下列几方面。 （1）溶剂影响络合物的离解度 （2）溶剂改变络合物颜色的原因可能是各种溶剂分子的极性不同、介电常数不同，从而影响到络合物的稳定性，改变了络合物分子内部的状态或者形成不同的溶剂化物的结果。 （3）溶剂影响显色反应的速度表面活性剂的加入可以提高显色反应的灵敏度，增加有色化合物的稳定性。其作用原理一方面是胶束增溶，另一方面是可形成含有表面活性剂的多元络合物。,5.共存离子的干扰及消除,共存离子存在时对光度测定的影响有以下几种类型：(1) 与试剂生成有色络合物。(2)干扰离子本身有颜色。(3)与试剂
20、结合成无色络合物消耗大量试剂而使被测离子络合不完全。(4)与被测离子结合成离解度小的另一化合物。,消除干扰的方法,主要有以下方法：（1）控制酸度（2）加入掩蔽剂（3）采用萃取光度法 （4）在不同波长下测定两种显色配合物的吸光度，对它们进行同时测定。 （5）寻找新的显色反应 （6） 分离干扰离子此外，还可以通过选择适当的测量条件，消除干扰离子的影响。,6.吸光光度法的测量误差及测量条件的选择,光度分析法的误差来源有两方面，一方面是各种化学因素所引入的误差，另一方面是仪器精度不够，测量不准所引入的误差。 仪器测量误差仪器测量误差主要是指光源的发光强度不稳定，光电效应的非线性，电位计的非线性、杂散光
21、的影响、滤光片或单色器的质量差(谱带过宽)，比色皿的透光率不一致，透光率与吸光度的标尺不准等因素。,透射比的读数误差光度计的读数标尺上透射比T的刻度是均匀的，故透射比的读数误差T（绝对误差）与T本身的大小无关，对于一台给定仪器它基本上是常数，一般在0.002-0.01之间。,6.2.3 测量波长和吸光度范围的选择,1.测量波长的选择由于有色物质对光有选择性吸收，为了使测定结果有较高的灵敏度和准确度，必须选择溶液最大吸收波长的入射光。如果有干扰时，则选用灵敏度较低但能避兔干扰的入射光，就能获得满意的测定结果。 2.吸光度范围的控制吸光度在0.200.80时，测量的准确度较高。,6.2.4 参比溶
22、液的选择 1.当试液、试剂、显色剂均无色时，可用蒸馏水作参比液。 2.试剂和显色剂均无色时，而样品溶液中其他离子有色时，应采用不加显色剂的样品溶液作参比液。 3.试剂和显色剂均有颜色时，可将一份试液加入适当掩蔽剂，将被测组分掩蔽起来，使之不再与显色剂作用，然后把显色剂、试剂均按操作手续加入，以此做参比溶液，这样可以消除一些共存组分的干扰。,6.2.5 吸光光度法的应用,吸光光度法除了广泛地用于测定微量成分外，也能用于常量组分及多组分的测定。同时，还可以用于研究化学平衡、络合物组成的测定。 一、定量分析 （一）单组分的测定1.一般方法: A-c标准曲线法2.示差法: 它不是以c=0的试剂空白作参
23、比，而是以一个浓度比试液cx稍小的标准溶液cs作参比，然后再测定试液的吸光度。Af=Ax-As=b(cx-cs)=bc cx=cs+c,(二)多组分的同时测定,同时测定一种试样中的多种组分的基础是吸光度具有加合性，即总吸光度为各个组分吸光度的总和。,二、络合物组成和酸碱离解常数的测定,（一）络合物组成的测定1.摩尔比法应用分光光度法可以测定络合物的组成(络合比)和稳定常数。设络合反应为 M + nRMRn通常是固定金属离子M的浓度，逐渐增加络合剂的浓度。配位体为R，显然，R应是无色的或在选定的波长范围内无显著吸收。然后稀释至同一体积，得到RM为1，2，3的一系列溶液，配制相应的试剂空白，在一定
24、波长下，测定其吸光度，绘制曲线，用作图法求得络合比。,2.等摩尔连续变化法,此法是保持溶液中cM+cR为常数，连续改变cR/cM配制出一系列溶液。分别测量系列溶液的吸光度A，以A对cM/(cM+cM)作图，曲线折点对应的cR/cM值就等于络合比n。等摩尔连续变化法实用于络合比低、稳定性较高的络合物组成的测定。此外还可以测定络合物的不稳定常数。,（二）酸碱离解常数的测定,设有一元弱酸HB，按下式离解：HB =H+ + B-Ka=B-H+/HB配制三种分析浓度c=HB+B-相等，而pH不同的溶液。第一种溶液的pH在pKa附近，此时溶液中HB与B-共存，用1cm的吸收池在某一定的波长下，测量其吸光度：,第二种溶液是pH比pKa低两个以上单位的酸性溶液，此时弱酸几乎全部以HB型体存在，在上述波长下测得吸光度第三种溶液是pH比pKa高两个以上单位的碱性溶液，此时弱酸几乎全部以B-型体存在，在上述波长下测得吸光度,将上各式整理得：,本章讲授到此结束,谢谢！,
