基础化学徐春祥主编第十三章---吸光光度法

第一节吸光光度法的基本原理第二节光吸收的基本定律第三节吸光光度法分析条件的选择第四节分光光度计第五节可见吸光光度法的应用第十三章吸光光度法吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立的一种分析方法，包括比色法、可见吸光光度法、紫外吸光光度法和红外光谱法等。吸光光度法属于仪器分析方法，它所测定的是物质对光的吸收程度。吸光光度法主要具有以下特点：（1）测定的灵敏度高。常用于测量质量分数为10-3％~1％的微量组分，甚至可测定质量分数低至10-5％~10-4％的痕量组分。（2）测定的准确度较高。一般吸光光度法测定的相对误差为2％~5％，若使用精密仪器，相对误差可降至1％~2％，完全可以满足微量组分测定的要求。（3）仪器设备简单，操作简便、快速，选择性好。由于新的显色剂和掩蔽剂不断发现，提高了选择性，一般不需分离干扰物质就能进行测定。（4）应用广泛。几乎所有的无机离子和具有共轭双键的有机化合物都可以直接或间接地用吸光光度法进行测定。第一节吸光光度法的基本原理一、光的基本性质二、物质对光的选择性吸收三、吸收曲线一、光的基本性质光是一种电磁波，如果按波长或频率排列，有如下所示的电磁波谱。波谱名称波长范围分析方法γ射线0.005~0.17nm中子活化分析，穆斯堡尔谱法X射线0.1~10nmX射线光谱法远紫外10~200nm真空紫外光谱法近紫外200~400nm紫外光谱法可见光400~760nm比色法，可见吸光光度法近红外0.76~2.5红外光谱法中红外2.5~50红外光谱法远红外50~1000红外光谱法微波1~1000mm微波光谱法射频1~1000m核磁共振光谱法光具有波粒二相性。光的波长λ、频率、速率c、能量E之间的关系为：不同波长的光具有不同的能量，光的波长越短，光的能量就越大；光的波长越长，光的能量就越小。mmm/Ehvhc二、溶液对光的选择性吸收人的眼睛能感觉到的光称为可见光，其波长大约在400~760nm范围内。通常将具有同一波长的光称为单色光，由不同波长的单色光组合得到的光称为复合光。溶液之所以呈现不同的颜色，是由于溶液对不同波长的单色光选择吸收而产生的。当一束白光通过一有色溶液时，某种波长的单色光被溶液吸收，而其他波长的单色光透过溶液。因此，溶液呈现的颜色取决于透过光的颜色。物质的颜色吸收光物质的颜色吸收光颜色λ/nm颜色λ/nm黄绿紫400~450紫黄绿560~580黄蓝450~480蓝黄580~600橙绿蓝480~490绿蓝橙600~650红蓝绿490~500蓝绿红650~760紫红绿500~560如果将两种单色光按适当的比例混合后得到白光，则这种单色光称为互补色光。显然，透过光和吸收光是互补色光。物质的颜色与吸收光颜色的关系三、吸收曲线如果将不同波长的光通过一定浓度的某一溶液，分别测定溶液对各种波长的光的吸光度。以入射光的波长λ为横坐标，相应的吸光度A为纵坐标作图，可得到一条吸光度随波长变化的曲线，称为吸收曲线或吸收光谱。KMnO4的吸收曲线吸收曲线中吸光度最大时所对应的波长称为最大吸收波长。当溶液的浓度不同时，其吸收曲线的形状和的位置不变，只是同一波长下的吸光度随溶液浓度的变化而发生变化。吸收曲线是吸光光度法选择测定波长的重要依据。maxmax()第二节光吸收的基本定律一、Lambert-Beer定律二、偏离Lambert-Beer定律的原因一、Lambert-Beer定律吸光度和透光率的定义分别为：0lgIAI0ITI吸光度与透光率的关系为：defdefA=－lgT1760年，Lambert指出：一束平行单色光通过有色溶液后，光的吸收程度与溶液液层的厚度成正比。A=k1·d1982年，Beer指出：一束平行单色光通过有色溶液后，光的吸收程度与溶液的浓度成正比。A=k2·cB将Lambert定律和Beer定律合并起来，就得到Lambert-Beer定律。B=Adc例题若溶液的组成用质量浓度表示。Lambert-Beer定律可表示为：κ与a的关系为：溶液中含有多种吸光物质时，若吸光物质之间没有相互作用，则溶液吸光度等于各吸光物质的吸光度之和。BAadB=aM121122=+++=()iiiAAAAdccc二、偏离Lambert-Beer定律的原因根据Lambert-Beer定律，以A为纵坐标，以cB或ρB为横坐标作图，应得到一条通过原点的直线。但在实际测定中，常会出现标准曲线偏离直线的现象，曲线向上或向下发生弯曲，这种现象称为偏离Lambert-Beer定律。标准曲线的偏离1.非单色光引起的偏离假设入射光仅由波长为和的两种单色光组成，其强度分别为I01和I02，当通过浓度为cB，厚度为d的吸光物质溶液后，透射光的强度分别为I1和I2。引起偏离Lambert-Beer定律的原因有物理因素和化学因素两大类。（一）物理因素引起的偏离12对波长为的单色光：对波长为的单色光：0222lgIAdcI2B20210dcII2B0111B1lgIAdcI1B10110dcII12实际测定时，只能测得它们的总吸光度A总。由于总入射光强度为I01＋I02，总透射光强度为I1＋I2，故：01020102120102lglg1010dcdcIIIIAIIII1B2B总若κ1＝κ2＝κ，则有：B01020102lg()10dcIIAdcIIB总即总吸光度A总与浓度cB仍服从Lambert-Beer定律。此结论可能对应以下两种不同的情况：（1）很小，可近似认为，入射光近似为单色光，故A与cB仍成正比。（2）尽管较大，但在所选择的入射光波长范围附近吸收曲线较平坦，因此κ变化较小，故A与cB仍保持较好的线性关系。若较大时，不等于，则A与cB不成正比而偏离Lambert-Beer定律，与相差越大，偏离就越显著。211212122.非平行入射光引起的偏离若入射光束为非平行光，就不能保证光束全部垂直通过吸收池，可能导致光束通过吸收池的实际平均光程大于吸收池的厚度，使实际测得的吸光度大于理论值，从而导致与Beer定律产生正偏离。Lambert-3.介质不均匀引起的偏离若溶液中生成溶胶或发生浑浊，当入射光通过该溶液时，除一部分被吸光物质吸收外，还有一部分被溶胶粒子和粗分散粒子散射而损失，使透光率减小，实测的吸光度偏高，从而对Lambert-Beer定律产生正偏离。1.溶液浓度过高引起的偏离若吸光物质溶液的浓度较高时，吸光粒子之间的相互作用较强，改变了吸光粒子对光的吸收能力，使溶液的吸光度与溶液浓度之间的线性关系发生了偏离。2.化学反应引起的偏离Lambert-Beer定律中的浓度是指吸光物质的平衡浓度，而在实际工作中常用吸光物质的分析浓度来代替。当吸光物质的平衡浓度等于其分析浓度或与分析浓度成正比时，A与cB的关系服从Lambert-Beer定律。（二）化学因素引起的偏离被测吸光物质在溶液中常发生缔合、解离、互变异构、逐级配位等反应，形成新的化合物而改变了其平衡浓度与分析浓度之间的正比关系，从而导致偏离Lambert-Beer定律。第三节吸光光度法分析条件的选择一、显色反应及其条件二、测定波长的选择三、吸光度范围的选择四、参比溶液的选择一、显色反应及其条件可见光区的吸光光度法只能用于测定有色溶液。对无色溶液和颜色较浅的溶液进行测定时，必须加入一种能与被测组分反应生成颜色较深的有色化合物的试剂，然后再进行测定。将被测组分转变成有色化合物的化学反应称为显色反应，能与被测组分反应使之生成有色化合物的试剂称为显色剂。显色剂必须满足下述条件：（1）灵敏度要高：可见吸光光度法一般用于微量组分的测定，因此要求选择的显色剂能与待测组分生成摩尔吸收系数较大的有色化合物。生成的有色化合物的摩尔吸收系数越大，对入射光的吸收程度越大，测定的灵敏度就越高。（2）选择性要好：选用的显色剂最好只与待测组分发生显色反应，而与溶液中共存的其他干扰离子不显色，或者显色剂与被测组分所生成的有色化合物的颜色和显色剂与干扰离子所生成有色化合物的颜色有明显的不同。（3）显色剂与被测组分生成的有色化合物要有足够的稳定性，不易受外界条件的影响而发生变化。（4）显色剂与被测组分生成的有色化合物的组成要恒定，符合一定的化学式，否则测定的再现性就较差。（5）有色化合物与显色剂的最大吸收波长的差别要足够大，一般要求相差60nm以上。（二）显色条件的选择1.显色剂的用量显色剂的适宜用量常通过实验确定，其方法是取7~10个相同浓度的被测组分的溶液，并固定其他条件，然后分别在溶液中加入不同量的显色剂，逐一测定吸光度，绘制吸光度A与显色剂浓度cB的关系曲线。吸光度与显色剂用量的关系2.溶液的酸度溶液的酸度对显色反应的影响主要表现在以下三个方面：（1）溶液的酸度对被测组分存在状态的影响：大多数被测金属离子易水解，当溶液pH增大时，可能生成各种类型的氢氧基配合物，甚至生成氢氧化物沉淀，使显色反应不能进行完全。（2）溶液的酸度对显色剂的平衡浓度和颜色的影响：大多数显色剂是有机弱酸或有机弱碱，当溶液的pH变化时，将影响显色剂的平衡浓度，并影响显色反应的完全程度。另外，有一些显色剂本身就是酸碱指示剂，它们在不同pH的溶液中具有不同的结构，而产生不同的颜色，所以对显色反应也有影响。（3）溶液酸度对有色化合物组成的影响：在不同pH的溶液中，显色剂与待测离子形成的有色化合物的组成往往不同，其颜色也不同。必须控制合适的pH，才能获得好的分析结果。不同的显色反应的适宜pH是通过实验确定的。具体方法是:固定溶液中被测组分和显色剂的浓度，改变浓度的pH，测定此pH下溶液的吸光度，以pH为横坐标，以吸光度为纵坐标，作出pH与吸光度的关系曲线，从中可找出适宜的pH范围。pH与吸光度的关系曲线3.显色温度显色反应一般在室温下进行，但有些显色反应需要加热到一定温度时才能完成，而有些化合物当温度较高时又容易发生分解。对不同的显色反应，应通过实验找出各自的最佳温度范围。4.显色时间通过实验来确定合适的测定时间。实验的方法是配制一份待测溶液，从加入显色剂起计算时间，每隔几分钟测定一次吸光度，绘制A-t关系曲线，根据曲线选择合适的测定时间。二、测定波长的选择选择溶液具有最大吸收的波长λmax作为入射波长。在λmax处最大，使测定具有较高的灵敏度；同时，在λmax处的一个较小范围内，吸光度变化较小，不会偏离Lambert-Beer定律，也使测定具有较高的准确度。如果干扰物质在λmax处也有强烈吸收时，可选用非最大吸收处的波长，但应尽可能选择随波长改变而变化不大的区域内的波长。A三、吸光度范围的选择在吸光光度分析中，分光光度计的读数误差也是测定误差的主要来源之一。对于同一台仪器，透光率读数的绝对误差基本上为一定值。由于透光率T与试样溶液浓度cB之间为对数关系，因而在不同的透光率读数范围内，这一恒定误差所引起的浓度cB的测定的相对误差是不同的。TTB0.434ddlgdTTdcT以上两式相除：BBd0.434dlgcTcTT上式也可改写成：BBΔ0.434ΔlgcTcTT根据Lambert-Beer定律：Blg==TAdc当液层厚度d为定值时，将上式微分：不同透光率时测定浓度的相对误差ΔcB/cB(ΔT=0.01)T/%95908070605036.83020105220.610.75.64.03.32.92.72.83.24.36.513.0测定相对误差与透光率的关系BB(/)/%cc在T=36.8%（A=0.434）时，浓度测定的相对误差最小。在实际测定时，常将吸光度控制在0.2~0.7（T=20%~65%）之间，以减小浓度测定的相对误差。四、参比溶液的选择选择参比溶液的原则如下：（1）如果仅待测组分与显色剂的反应产物有吸收，可用纯溶剂作参比溶液。（2）如果显色剂或其他试剂略有吸收，可用不含待测组分的试剂溶液作参比溶液。（3）如果试样中的其他组分也有吸收，但不与显色剂反应，则当显