水分析化学-第7章--分光光度法

第7章分光光度法目录7.1光吸收的基本定律7.2比色和分光光度法7.3显色反应及其影响因素7.4光度测量误差和测量条件的选择7.5分光光度法的应用7.1光吸收的基本定律7.1.1物质对光的选择性吸收1.光的基本性质光是一种电磁波，具有波粒二象性。根据波长的不同分为：紫外光谱区(10～400nm)，可见光谱区(400～760nm)和红外光谱区(760～3×105nm)。复合光：由不同波长的光组成的光。单色光：具有单一波长的光称。只要把特定颜色的两种光，按一定比例混合，可以得到白光，这两种特定颜色的光为互补光。射线x射线紫外光红外光微波无线电波10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm4电磁波谱可见光远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）10nm~200nm200nm~380nm380nm~780nm780nm~2.5m2.5m~50m50m~300m2.物质对光的选择性吸收各种物质会呈现不同的颜色，其原因是物质对不同波长的光选择性吸收的结果。7.1光吸收的基本定律完全吸收完全透过各种光部分均匀被吸收复合光玻璃在可见光区是透明的；石英在紫外光区是透明的黑体物体选择性吸收某种光物体呈现其互补光颜色入射光I0透射光It透明2.物质对光的选择性吸收物质分子对可见光的吸收必须符合普朗克条件：只有当入射光能量与物质分子能级间的能量差△E相等时，才会被吸收。3.光吸收曲线光吸收曲线或吸收光谱曲线：以波长为横坐标，吸光度A为纵坐标，描述物质对光吸收情况的曲线。hcEhv7.1光吸收的基本定律例：Cr2O72-、MnO4-的特征吸收光谱300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350最大吸收波长λmax：最大吸收峰对应的波长7.1光吸收的基本定律7.1.2溶液的吸光定律1.朗伯－比尔定律—光吸收的基本定律透光度T：透过光强度It与入射光强度I0之比：T取值为0.0%~100.0%；全部吸收：T=0.0%；全部透射，T=100.0%朗伯-比尔光吸收定律：当一束平行单色光通过均匀的样品时，溶液的吸光度T与吸光物质的浓度、吸收层厚度成正比。公式：或0tITI入射光I0透射光ItLcLIIT100tcLATlg-7.1.2溶液的吸光定律2.吸光度（A）与透光率（T）的关系cLATlg-cLAT--10101.00.50ACA100500T%TT=0.0%A=∞T=100.0%A=0.0A=0.434T=36.8%吸光度适宜的取值范围：0.2~0.8ε表示溶液浓度为lmol/L，液层厚度为lcm时溶液的吸光度。ε：吸光物质在一定条件下的特征常数。ε值与物质的性质、入射光波长、温度等有关。L：吸光液层的厚度，光程，cm。c：吸光物质的浓度，g/L或mol/L。7.1.2溶液的吸光定律3.朗伯比尔定律的局限性定律本身的局限性：只适于稀溶液0.01mol/L化学偏离：被分析物质与溶剂发生缔合、离解、溶剂化反应，产生不同的吸收光谱仪器偏离：单色光不纯引起7.1.2溶液的吸光定律4.朗伯比尔定律的适用条件1)单色光：应选用max处或肩峰处测定，此时干扰组分、溶剂等不吸收或有很弱的吸收2)吸光质点形式不变离解、络合、缔合会破坏线性关系，应控制条件(酸度、浓度、介质等)。3)稀溶液：浓度增大，分子之间作用增强7.1.2溶液的吸光定律5.朗伯比尔定律在定量分析中的应用：吸光度的测定除被测组分对波长为的光有吸收外，还有其他干扰吸收：1)吸收池对光的反射、吸收；2)样品中样品基体、显色剂(或其它试剂）和共存组分对光的吸收消除措施：用参比溶液调T=100%（A=0），再测样品溶液的吸光度，即消除了吸收池对光的吸收、反射，溶剂、试剂对光的吸收等。7.1.2溶液的吸光定律CLIIAt0lg001221=lg=lg=-=lgIIIAAAAAIII参参比液比试试液参比溶液的选择：7.1.2溶液的吸光定律种类溶剂空白：纯溶剂（扣除吸收池干扰）适用于样品基体、共存组分和显色剂均无色情况试剂空白：纯溶剂+显色剂+其他试剂，适用于样品基体、共存组分无色，显色剂等均有色样品空白：待测试样溶液，适用于显色剂无色，共存组分、样品基体有色空白溶液：显色剂+待测试样+待测组分的掩蔽剂，适用于显色剂、样品基体、共存组分均有色7.2比色法和分光光度法比色法和分光光度法特点：1)灵敏度高：测定下限可达10-3～10-6mol·L-1，10-4%～10-5%2)准确度能够满足微量组分的测定要求：相对误差2～5%3)操作简便快速4)应用广泛7.2比色法和分光光度法7.2.1目视比色法用眼睛直接比较标准溶液和待测溶液颜色的深浅，来确定被测物质含量的方法叫目视比色法，常用的方法标准色阶法。优点：不需要特殊的设备，操作简单、灵活，灵敏度较高等。缺点：准确度不高标准系列C0C1C2C3C4C5观察方向7.2.1目视比色法1.标准色阶法例：铂钴标准比色法测水的真色用氯铂酸钾与氯化钻配成标准色列，再与水样进行目视比色确定水样的色度。规定每升水中含有1mg铂(以六氯铂酸的形式)和0.5mg钴（2mgCoCl2·6H2O）所具有的颜色，称为1度。铂钴标准比色法适用于较清洁的、带有黄色色调的天然水和饮用水的测定。2.稀释倍数法适用于受工业废水污染的地面水和工业废水颜色的测定。7.2.2分光光度法1.原理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，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。特点：1）入射光是纯度较高的单色光，分析结果的准确度高；2）可进行多组分的测定；3）应用范围可扩展到紫外光和红外光区2.分光光度计的组成分类：单光束分光光度计和双光束分光光度计工作波长：紫外可见分光光度计，红外分光光度计分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器和显示装置构成。优点：灵敏、准确、快速及选择性好7.2.2分光光度法(1)光源：钨灯、氢灯、氘灯。(2)单色器：由棱镜和光栅等色散元件及狭缝和透镜等组成。(3)吸收池：即比色皿，用于盛吸收试液，由玻璃或石英制成(4)检测器：光电管、光电倍增管。(5)显示装置：检流计、微安表、数字显示记录仪。7.2.2分光光度法7.3显色反应及其影响因素7.3.1显色反应和显色剂1.显色反应：将待测组分转化成有色化合物的反应。选择显色反应应遵循的原则：(1)选择性好，干扰少或干扰容易消除；(2)灵敏度高，一般在104~105L/(mol•cm)之间；(3)有色化合物的组成要恒定，化学性质要稳定；(4)有色化合物和显色剂之间的颜色差别要大；(5)显色条件易于控制，以便提高重现性和方法的精密度。2.显色剂无机显色剂：应用较少。有机显色剂：有机显色剂分子中含有生色团和助色团。生色团是某些含不饱和键的基团，基团中的π电子被激发时需能量较小，可吸收波长200nm以上的可见光而显色。助色团是含孤对电子的基团，与生色团上的不饱和键作用，使颜色加深。常用的有机显色剂有偶氮类显色剂和三苯甲烷显色剂7.3显色反应及其影响因素7.3.2影响显色反应的因素1.溶液的酸度：影响显色剂的平衡浓度和颜色，影响被测金属离子的存在状态，影响络合物的组成。2.显色剂的用量：显色剂的加入量要适宜，通过实验来确定显色剂的用量。3.显色反应时间：制作吸光度-时间曲线确定适宜时间。4.显色反应温度：大多在室温下进行。适宜温度由实验确定。5.溶剂：通过降低有色化合物的解离度，提高显色反应的灵敏度。溶剂还可提高显色反应的速率，影响有色络合物的溶解度和组成等。6.干扰及其消除方法7.4光度测量误差和测量条件的选择7.4.1测量条件的选择1.测量波长的选择根据吸收曲线，选择被测物质的最大吸收波长。2.吸光度范围的选择标准溶液和被测试液的吸光度在0.2~0.8范围内。3.参比溶液的选择选择参比溶液的原则：①当试液及显色剂均无色时，以蒸馏水作参比溶液；②当显色剂为无色，被测试液中存在其他有色离子时，用不加显色剂的被测试液作参比溶液；③当显色剂有颜色时，可选择不加试样溶液的试剂空白作参比溶液。④当显色剂和试液均有颜色时，可将一份试液加入适当掩蔽剂掩蔽被测组分，而显色剂及其他试剂均按试液测定方法加入，以此溶液作为参比溶液。⑤改变试剂加入顺序，使被测组分不发生显色反应，可以此溶液作为参比溶液。7.4光度测量误差和测量条件的选择4.标准曲线的制作以标准溶液中待测组分的含量为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得到一条通过原点的直线，称为标准曲线。例：水中氨氮的测定——纳氏试剂分光光度法标准曲线的绘制：吸取0、0.50、1.00、3.00、5.00、7.00和10.00mL铵标准使用液（0.010mgNH4+-N/mL）于50mL比色管中，用无氨水稀释至标线，加1.0mL酒石酸钾钠溶液，混匀。加1.5mL纳氏试剂，混匀。放置10min，在波长420nm处，用光程2cm比色皿，以无氨水为参比，测量吸光度。经空白校正后，绘制标准曲线。7.4光度测量误差和测量条件的选择7.4光度测量误差和测量条件的选择y=0.2797x+0.0002R2=100.020.040.060.080.10.1200.10.20.30.4A420氨氮质量/mg氨氮标准曲线7.4.2对朗伯比尔定律的偏离1.非单色光引起的偏离2.由溶液本身的原因引起的偏离7.4.3仪器的测量误差在T=15％～65％(A=0.8～0.2)范围内，测量的相对误差变化非常小，且与最小误差很接近。7.5分光光度法在水质分析中的应用7.5.1浊度的测定测定浊度的方法有分光光度法、目视比浊法等。分光光度法适用于饮用水、天然水浊度的测定，最低检测浊度为3度。目视比浊法适用于饮用水和水源水等低浊度的水，最低检测浊度为1度。7.5.2废水中Cd2+的测定——双硫腙分光光度法双硫腙分光光度法是利用镉离子在强碱性条件下与双硫腙生成红色螯合物，用三氯甲烷萃取分离后，于518nm波长处测其吸光度，与标准溶液比较定量。7.5分光光度法在水质分析中的应用7.5分光光度法在水质分析中的应用7.5.3水中铬的测定——二苯碳酰二肼分光光度法清洁的水样可直接用二苯碳酰二肼分光光度法测六价铬。如测总铬，用高锰酸钾将三价铬氧化成六价铬，再用二苯碳酰二肼分光光度法测定。在酸性介质中，六价铬与二苯碳酰二肼(DPC)反应，生成紫红色络合物，其色度在一定浓度范围内与含量成正比，于最大吸收波长540nm处进行比色测定，利用标准曲线法确定水样中铬的含量。7.5.4水中氰化物的测定预处理：将水样在酸性介质中进行蒸馏，把能形成氰化氢的氰化物(全部简单氰化物和部分络合氰化物)蒸出，使之与干扰组分分离。异烟酸一吡唑啉酮分光光度法：介质：中性异烟酸—巴比妥酸分光光度法：介质：弱酸性7.5分光光度法在水质分析中的应用7.5.5水中含氮化合物的测定1.氨氮的测定(NH4+-N)：纳氏试剂分光光度法2.亚硝酸盐氮(NO2--N)：N—(1—萘基)—乙二胺分光光度法3.硝酸盐氮的测定(NO3--N)：酚二磺酸分光光度法和紫外分光光度法4.总氮(TN)：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法；分别测定有机氮和无机氮化合物（包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮）后进行加和方法。7.5分光光度法在水质分析中的应用7.5.6水中挥发酚的测定：4—氨基安替比林分光光度法方法酚类化合物在pH值10.0±0.2的溶液中，在铁氰化钾氧化剂的存在下，4—氨基安替比林与酚类化合物生成红色的安替比林染料可被三氯甲烷所萃取，在460nm波长处比色定量。显色反应受苯环上取代基的种类、位置、数目等影响。显色时必须严格控制pH值。7.5分