第六章光學(xué)法

2023/9/161第六章光學(xué)分析法2023/9/1626.5吸光度測(cè)量條件的選擇6.4顯色反應(yīng)和顯色條件的選擇6.3分光光度計(jì)6.2光吸收定律6.1概述6.6吸光光度光法的應(yīng)用2023/9/163化學(xué)分析與儀器分析方法比較化學(xué)分析：常量組分(>1%)，Er0.1%～0.2%

依據(jù)化學(xué)反應(yīng)，使用玻璃儀器，

準(zhǔn)確度高儀器分析：微量組分(<1%)，Er1%～5%

依據(jù)物理或物理化學(xué)性質(zhì),需要特殊的儀器，靈敏度高2023/9/164光學(xué)分析法光譜法：在光(或其它能量)的作用下，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行分析的方法。物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生量子化的能級(jí)躍遷非光譜法：不涉及物質(zhì)內(nèi)部能級(jí)的躍遷6.1概述光學(xué)分析法：基于物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)而建立起來(lái)的分析方法2023/9/165光譜法按照輻射的本質(zhì)分分子光譜法原子光譜法按照物質(zhì)與輻射能相互作用的結(jié)果分吸收發(fā)射散射等2023/9/1666.1.1光的基本性質(zhì)單色光：具有相同能量(相同波長(zhǎng))的光混合光：具有不同能量(不同波長(zhǎng))的光復(fù)合在一起(復(fù)合光)波粒二象性：波動(dòng)性、粒子性。一定波長(zhǎng)的光具有一定的能量，波長(zhǎng)越長(zhǎng)(頻率越低)，光量子的能量越低。日常所見(jiàn)到的白光，如日光等，由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等光按適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度比例混合而成的，在380～760nm范圍的一種復(fù)合光。光學(xué)光譜區(qū)2023/9/167遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)近紅外中紅外

遠(yuǎn)紅外(真空紫外)10nm~200nm200nm

~380nm380nm

~780nm780nm~2.5

m2.5

m

~50

m50

m

~300

m不同物質(zhì)為什么能表現(xiàn)出其特征的顏色？2023/9/168兩種顏色的光若按適當(dāng)比例混合，可以形成白光，這兩種光稱為互補(bǔ)色光。光的互補(bǔ)白光青藍(lán)青綠黃橙紅紫藍(lán)互補(bǔ)色光2023/9/169比色法：利用有色溶液顏色的深淺測(cè)定該溶液的濃度。目視比色法：用肉眼直接比較樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色深淺。分(吸)光光度法：用光電比色計(jì)或分光光度計(jì)測(cè)量溶液吸光度。分光光度法的特點(diǎn)：靈敏度高：10–3

–10–6mol.L–1。準(zhǔn)確度高：相對(duì)誤差2–5％。儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便。應(yīng)用范圍廣。6.2紫外–可見(jiàn)分光光度法2023/9/16106.2.1物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收溶液的顏色是由于均勻分布在溶液中的有色化合物的質(zhì)點(diǎn)選擇性的吸收了某種顏色的光所造成的。例：CuSO4溶液吸收黃光透過(guò)藍(lán)光白光→人眼CuSO4CuSO4溶液濃度越大，對(duì)黃色光的吸收越多，透過(guò)的藍(lán)色越強(qiáng)，溶液的藍(lán)色也越深。(一)物質(zhì)的顏色與光吸收的關(guān)系

在可見(jiàn)光區(qū)，不同波長(zhǎng)的光具有不同的顏色。一束白光通過(guò)棱鏡→色散成紅、橙、黃、綠……等顏色的光→具有不同的波長(zhǎng)。一束白光通過(guò)某一物質(zhì)或溶液時(shí)，由于物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收，某些波長(zhǎng)的光被吸收，另一些波長(zhǎng)的光則不被吸收而透過(guò)溶液。2023/9/1611溶液的顏色由透過(guò)光的波長(zhǎng)所決定(1)如果物質(zhì)把各種波長(zhǎng)的光完全都吸收，則呈現(xiàn)黑色；(2)如果完全反射，則呈現(xiàn)白色；(3)如果透過(guò)所有的光，則為無(wú)色透明溶液；(4)如果對(duì)各種波長(zhǎng)的光吸收程度差不多，則呈現(xiàn)灰色；(5)如果物質(zhì)選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的光，那么，這種物質(zhì)的顏色就由它所反射或透過(guò)光的顏色來(lái)決定。2023/9/1612用不同波長(zhǎng)(400–720nm)的光，照射某一吸光物質(zhì)的溶液；測(cè)吸光度(A)以

~A作圖，得一曲線直觀地表示出物質(zhì)對(duì)光的吸收特征。2023/9/1613測(cè)量某溶液對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的吸收程度，以波長(zhǎng)

為橫坐標(biāo)，吸光度A為縱坐標(biāo)作圖，得到的曲線。(二)吸收曲線(吸收光譜)2023/9/1614同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)λmax。(KMnO4的

max=525nm)不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。------物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。吸收曲線的討論2023/9/1615不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度A有差異，A隨濃度的增大而增大。------物質(zhì)定量分析的依據(jù)。在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。2023/9/16166.2.2光的吸收定律——朗伯–比爾定律一束平行單色光(強(qiáng)度Io)照射溶液時(shí)，光的一部分被吸收(強(qiáng)度Ia)

，一部分透過(guò)溶液(強(qiáng)度It)

，一部分被器皿的表面反射(強(qiáng)度Ir)

。Io=Ia+It+Ir則：I0IrItIa2023/9/1617吸光光度法測(cè)定時(shí)，都采用同樣質(zhì)量的比色皿，反射光強(qiáng)度Ir

基本不變，其影響可以相互抵消。分光光度法中：Io=Ia+It透光度或透光率(T)：透過(guò)光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度Io之比或溶液的透光度愈大→對(duì)光的吸收愈小→溶液濃度低；溶液的透光度愈小→對(duì)光的吸收愈大→溶液濃度高。2023/9/1618吸光度A：若光全部透過(guò)溶液，Io=It，A=0若光幾乎全被吸收，It≈0，A=∞吸光度A也可以用來(lái)衡量溶液中吸光物質(zhì)對(duì)波長(zhǎng)為λ的單色光的吸收程度，A值越大，吸收程度越大；反之亦然。2023/9/1619實(shí)驗(yàn)證明：若保持入射光的波長(zhǎng)不變，溶液對(duì)光吸收的程度與溶液的濃度、液層厚度有關(guān)。溶液對(duì)光的吸收定律數(shù)學(xué)表達(dá)式：A=K1

bK1：比例常數(shù)，與

、c、溫度有關(guān)。b：溶液厚度一、朗伯定律：當(dāng)、c、溫度一定時(shí)，溶液的吸光度與液層的厚度成正比。2023/9/1620二、比爾定律：當(dāng)

、b

和溫度一定時(shí)，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式：A=K2

c三、朗伯—比爾定律(同時(shí)考慮溶液濃度和液層厚度的影響)：一束平行單色光通過(guò)溶液，當(dāng)和溫度一定時(shí)，其吸光度與溶液的濃度和液層厚度成正比。數(shù)學(xué)表達(dá)式：

A=Kbc2023/9/1621單位：c：g·L–1，b：cm，K用a表示，稱為吸光系數(shù)，單位為L(zhǎng)·g.cm–1

，則：四、比例系數(shù)K1、吸光系數(shù)aA=abcA

是吸光物質(zhì)在一定的條件下的特性常數(shù)，與本性有關(guān)，與吸光物質(zhì)的濃度和液層厚度無(wú)關(guān)。2023/9/16222、摩爾吸光系數(shù)ε單位：c：mol·L–1，b：cm，K用ε表示，稱為摩爾吸光系數(shù)，單位為L(zhǎng)·mol.cm–1。則：A=εb

c(2)同一吸光物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的ε值是不同的。在最大吸收波長(zhǎng)λmax處的摩爾吸光系數(shù)(εmax)表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

(1)ε是吸收物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)，不隨濃度c和液層厚度b的改變而改變。在溫度和波長(zhǎng)等條件一定時(shí)，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測(cè)物濃度無(wú)關(guān)；2023/9/1623(3)εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測(cè)定該物質(zhì)的靈敏度越高。(4)ε在數(shù)值上等于濃度為1mol·L–1、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。ε<104靈敏度低104<ε<5×104靈敏度中5×104<ε<105靈敏度高ε>105靈敏度超高當(dāng)c=1mol·L–1，b=1cm時(shí),A=ε2023/9/1624(3)(1)T＝10–A

＝10–0.380＝0.417

(2)c=1.0

g.mL–1=1.0mg.L–1=1.0×10–3g.L–1

例：有一濃度為1.0

g.mL–1Fe2+的溶液，以鄰二氮菲顯色后，在比色皿厚度為2cm、波長(zhǎng)

510nm處測(cè)得吸光度為0.380，計(jì)算：(1)透光度T；(2)吸光系數(shù)a；(3)摩爾吸光系數(shù)

。解：計(jì)算依據(jù)A=εbc2023/9/1625注意：在吸光光度法中，A

、T、c

之間的關(guān)系：在一定范圍內(nèi)，A

與c成正比------光度法定量基礎(chǔ)；

T

與c

成指數(shù)關(guān)系：T=10–A------不作定量分析工作曲線。朗伯–比爾定律的適用條件1.單色光

應(yīng)選用

max處或肩峰處測(cè)定2.

吸光質(zhì)點(diǎn)形式不變離解、絡(luò)合、締合會(huì)破壞線性關(guān)系應(yīng)控制條件(酸度、濃度、介質(zhì)等)3.

稀溶液

濃度增大，分子之間作用增強(qiáng)2023/9/16262023/9/1627五、吸光度的加合性根據(jù)吸光度的加和性可以進(jìn)行多組分的測(cè)定以及某些化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)的測(cè)定。某波長(zhǎng)下，溶液中含有對(duì)該波長(zhǎng)的光產(chǎn)生吸收的多種物質(zhì)，那么溶液的總吸光度等于溶液中各個(gè)吸光物質(zhì)的吸光度之和A1=e1bc1A2=e2bc22023/9/1628偏離朗伯–比耳定律的原因

入射光為非單色光時(shí)的偏離：儀器的分光元件(單色器)很難得到真正的單色光，而是波長(zhǎng)范圍很窄的復(fù)合光帶，而比耳定律僅在入射光為單色光時(shí)才是正確的?；瘜W(xué)因素引起的偏離：①介質(zhì)不均勻(膠體、乳濁液、懸浮液)而產(chǎn)生折射、散射和反射，使透過(guò)光強(qiáng)減弱(A增大)；②吸光分子發(fā)生化學(xué)變化而改變濃度。朗伯–比爾定律本身的局限性：假設(shè)了吸光分子之間無(wú)相互作用，事實(shí)上，高濃度時(shí)分子間相互作用不可忽略2023/9/16296.3分光光度計(jì)及主要部件通過(guò)棱鏡或光柵得到一束近似的單色光。波長(zhǎng)可調(diào),選擇性好，準(zhǔn)確度高。光源單色器樣品池檢測(cè)器讀出系統(tǒng)分光光度計(jì)的主要部件光源：發(fā)出所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，有足夠的光強(qiáng)、穩(wěn)定。

可見(jiàn)光區(qū)：鎢燈，碘鎢燈(320～2500nm)

紫外區(qū)：氫燈，氘燈(180～375nm)單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。

棱鏡：玻璃350～3200nm，石英185～4000nm

光柵：波長(zhǎng)范圍寬,色散均勻，分辨性能好，使用方便2023/9/1630吸收池：(比色皿)用于盛待測(cè)及參比溶液。

可見(jiàn)光區(qū)：光學(xué)玻璃池

紫外區(qū)：石英池檢測(cè)器：利用光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)換成電流訊號(hào)。 光電池，光電管，光電倍增管指示器：

低檔儀器：刻度顯示

中高檔儀器：數(shù)字顯示，自動(dòng)掃描記錄2023/9/1631棱鏡：依據(jù)不同波長(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)折射率不同2023/9/1632單色器——棱鏡和光柵入射狹縫準(zhǔn)直透鏡棱鏡聚焦透鏡出射狹縫白光紅紫λ1λ2800600500400光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)量很大的等寬度等間距條痕(600、1200、2400條/mm)。2023/9/1633M1M2出射狹縫光屏透鏡平面透射光柵光柵衍射示意圖原理：利用光通過(guò)光柵時(shí)，發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。2023/9/1634光學(xué)系統(tǒng)的不同→分光光度計(jì)類型不同2023/9/16356.4顯色反應(yīng)和顯色條件的選擇顯色反應(yīng)和顯色劑利用顯色反應(yīng)把待測(cè)組分X

轉(zhuǎn)變?yōu)橛猩衔?，然后再進(jìn)行測(cè)定。顯色反應(yīng)：使試樣中的被測(cè)組分與化學(xué)試劑作用生成有色化合物的反應(yīng)。mX(待測(cè)物)＋nR(顯色劑)＝XmRn(有色化合物)顯色反應(yīng)主要有配位反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，其中絕大多數(shù)是配位反應(yīng)。2023/9/16366.4.1對(duì)顯色反應(yīng)的要求1、靈敏度高，選擇

較大的顯色反應(yīng)。避免共存組分干擾。2、選擇性好，顯色劑只與被測(cè)組分反應(yīng)。3、有色物組成固定，如：Fe3++磺基水楊酸→三磺基水楊酸鐵(黃色)(組成固定)Fe3++SCN–→FeSCN2+、Fe(SCN)2+……(組成不固定)2023/9/16374、有色物穩(wěn)定性高，其它離子干擾才小。如三磺基水楊酸鐵的Kf=1042,F–

、H3PO4

對(duì)它無(wú)干擾。5、顯色過(guò)程易于控制，而且有色化合物與顯色劑之間的顏色差別應(yīng)盡可能大。2023/9/16386.4.2顯色反應(yīng)條件的選擇1、顯色劑用量(c(M)、pH一定)

：

適當(dāng)過(guò)量。適宜的用量通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得c(R)c(R)c(R)Mo(SCN)32+

淺紅Mo(SCN)5

橙紅Mo(SCN)6–淺紅Fe(SCN)n3–n2、顯色反應(yīng)酸度(c(M)、c(R)一定)2023/9/1639pH影響顯色劑的平衡濃度影響顯色劑的顏色影響金屬離子的存在狀態(tài)影響某些配位化合物的組成

pH1<pH<pH22023/9/16405、溶劑：有機(jī)溶劑會(huì)降低有色物的離解度，從而提高顯色反應(yīng)的靈敏度。6、共存干擾離子的影響及消除：控制酸度，使干擾離子不顯色。加入掩蔽劑，如用SCN–測(cè)定Co2+時(shí)，F(xiàn)e3+有干擾，加入F–，F(xiàn)e3++6F–=FeF63–，F(xiàn)e3+

被掩蔽。改變干擾離子價(jià)態(tài)，測(cè)Ni2+

時(shí)，F(xiàn)e2+

有干擾，加入氧化劑，F(xiàn)e2+→Fe3+。分離干擾離子，用萃取、沉淀、電解、離子交換等方法。3、溫度：通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出適宜的溫度范圍。4、時(shí)間：在顏色穩(wěn)定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行比色測(cè)定。2023/9/1641分光光度法常用的顯色劑無(wú)機(jī)顯色劑有機(jī)顯色劑鉬酸銨法(測(cè)P、Si、W)過(guò)氧化氫法(測(cè)V5＋、Ti4＋)O，O給電子螯合劑：鉻天菁S(CAS)、苯基熒光酮(PF)O，N給電子螯合劑：偶氮胂III等N，N給電子基團(tuán)：鄰二氮雜菲(測(cè)Fe)等帶含硫基團(tuán)的螯合劑：雙硫腙(測(cè)Cu、Pb、Zn、Cd、Hg等)6.5光度分析測(cè)量條件的選擇測(cè)定波長(zhǎng)的選擇一般情況下選擇顯色配合物的最大吸收波長(zhǎng)；為避免干擾，有時(shí)也選擇干擾小的非最大吸收波長(zhǎng)。2023/9/1642比色池的選擇：通常使用1cm比色池；根據(jù)樣品濃度和顯色配合物的靈敏度高低，可以選用其它厚度的比色池。2023/9/1643參比溶液的選擇目的：消除池壁、溶劑、反應(yīng)試劑等對(duì)入射光的反射和吸收所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差；只有被測(cè)產(chǎn)物有吸收，其它反應(yīng)試劑均無(wú)吸收時(shí)，可用純?nèi)軇┳鰠⒈?；顯色劑或其它試劑有顏色時(shí)，用試劑空白做參比；干擾物質(zhì)也生成類似顯色產(chǎn)物時(shí)，參比溶液制備：在顯色之前先將被測(cè)物掩蔽起來(lái)，只讓干擾物質(zhì)顯色，該空白溶液做參比便可消除干擾。2023/9/1644光度分析中的測(cè)量誤差方法誤差(偏離朗伯–比爾定律)儀器測(cè)量誤差光源不穩(wěn);單色器分辨能力弱;比色皿透光度不一致;透光率與吸光度標(biāo)尺不準(zhǔn)等非單色光；吸光質(zhì)點(diǎn)間的相互作用；①非均勻溶液(散射作用等)；②化學(xué)反應(yīng)(吸光組分的締合、離解互變異構(gòu))；③濃度過(guò)高。2023/9/1645透光率讀數(shù)的準(zhǔn)確度是儀器精度的主要指標(biāo)。測(cè)定結(jié)果的精度常用濃度的相對(duì)誤差Δc/c表示。由讀數(shù)誤差(ΔT)計(jì)算濃度相對(duì)誤差公式：2023/9/1646濃度測(cè)量的相對(duì)誤差與T(或A)的關(guān)系p4511086420204060800.70.40.20.1AT%Er(36.8)0.434若透光率刻度的讀數(shù)的絕對(duì)誤差為?T=1%，用不同的T代入上式，可得相應(yīng)濃度測(cè)量的相對(duì)誤差?c/c，作圖。2023/9/16471、T

在15%～65%(A=0.2～0.8)范圍，相對(duì)誤差較小2、T=36.8%(A=0.434)，相對(duì)誤差最小為了減小濃度的相對(duì)誤差，提高測(cè)定的準(zhǔn)確度，實(shí)際工作中，應(yīng)控制T在15～65％,A在0.2~0.8之間(調(diào)c，b，

)光度計(jì)的讀數(shù)誤差一般為0.2～2％(ΔT)，由于T

與濃度c不是線性關(guān)系，故不同濃度時(shí)的ΔT

引起的誤差不同。2023/9/1648例：吸光光度法定量測(cè)定濃度為c

的溶液，如吸光度為0.434，假定透射比的測(cè)定誤差為0.05%，由儀器產(chǎn)生的相對(duì)誤差是多少？解：相對(duì)誤差Δc/c：已知ΔT=±0.05%，則：2023/9/1649測(cè)定條件的選擇選擇合適波長(zhǎng)的入射光；干擾最小，靈敏度最高；選擇原則：“吸收最大，干擾最小”靈敏度選擇性2023/9/1650300400500600700

/nm350525545Cr2O72–MnO4–1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72–、MnO4–的吸收光譜3502023/9/1651選擇合適的吸光度范圍(0.2~0.8)；控制試樣用量，稀釋度，比色皿的厚度等；選擇適當(dāng)?shù)膮⒈热芤?；消除由比色皿、溶劑、及試劑?duì)入射光的吸收和反射等帶來(lái)的誤差；溶劑空白；試液空白；試劑空白2023/9/1652紫外–可見(jiàn)光光度法定性分析依據(jù)——對(duì)不同物質(zhì)的溶液，其最大吸收波長(zhǎng)不同定量分析依據(jù)——A=bc(物理意義)適用范圍——入射光為單色光、稀溶液偏離1高濃度(c>0.01mol·L–1)2非單色光3被測(cè)物在溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)4配合物穩(wěn)定性差導(dǎo)致解離顯色反應(yīng)要求1選擇性好2有色螯合物組成恒定、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定3有色螯合物與顯色劑之間顏色差別大4顯色條件易于控制參比液選擇吸光度僅與待測(cè)物質(zhì)濃度成線形關(guān)系入射光波長(zhǎng)選擇

max6.7吸光光度法的應(yīng)用可直接用于有色物的測(cè)定，也可通過(guò)顯色反應(yīng)用于無(wú)色物的分析；可用于常量分析(>1%)，也可用于微量分析(0.01~1%);可用于無(wú)機(jī)物(陰、陽(yáng)離子)分析，也可用于有機(jī)物分析；可用于定量分析，也可用于定性分析(特征吸收光譜、功能基團(tuán)特征吸收峰)；可用于其它領(lǐng)域的研究(如化學(xué)平衡)；目前，環(huán)境等領(lǐng)域的很多標(biāo)準(zhǔn)分析方法仍然采用光度法。2023/9/1653(一)單組分的定量方法1．標(biāo)準(zhǔn)比較法2．標(biāo)準(zhǔn)曲線法2023/9/16542023/9/16551．標(biāo)準(zhǔn)比較法條件：標(biāo)準(zhǔn)溶液與待測(cè)溶液的濃度相接近。2．標(biāo)準(zhǔn)曲線法2023/9/165601234mg/mlA。。。。*0.80.60.40.20

蘆丁含量測(cè)定2023/9/16570.710mg/25mL2023/9/1658(c)x，y組分不能直接測(cè)定(a)在

1處測(cè)組分x，在

2處測(cè)組分y2.多組分的測(cè)定(b)在

1

處測(cè)組分x;在2

處測(cè)總吸收，扣除x吸收，可求y3.光度滴定59NaOH滴定對(duì)硝基酚pKa=7.15

間硝基酚pKa=8.39

pKa=1.2460纖維光度計(jì)典型的光度滴定曲