第六章光學分析法

1、2022-3-1812022-3-1826.5 吸光度測量條件的選擇吸光度測量條件的選擇6.4 顯色反應和顯色條件的選擇顯色反應和顯色條件的選擇6.3 分光光度計分光光度計 6.2 光吸收定律光吸收定律6.1 概述概述6.6 吸光光度光法的應用吸光光度光法的應用2022-3-183化化學學分分析析與與儀儀器器分分析析方方法法比比較較 準確度高準確度高儀器分析儀器分析：微量組分微量組分(1%)，Er 1%5% 依據(jù)物理或物理化學性質依據(jù)物理或物理化學性質, 需需要特殊要特殊 的儀器，的儀器，靈敏度高靈敏度高2022-3-184光學分析法光譜法：在光在光(或其它能量或其它能量)的作用下，通的作用下

2、，通過測量物質產生的發(fā)射光、吸收光或散射光過測量物質產生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強度來進行分析的方法。的波長和強度來進行分析的方法。物質內部發(fā)生量子化的能級躍遷 非光譜法非光譜法：不涉及物質內部能級的躍遷 6.1 概述概述光學分析法：基于物質光學性質而建立起來的分析光學分析法：基于物質光學性質而建立起來的分析方法方法2022-3-185光譜法光譜法按照輻射的本質分分子光譜法原子光譜法按照物質與輻射能相互作用的結果分吸收 發(fā)射 散射 等2022-3-186波粒二象性：波粒二象性：波動性、粒子性波動性、粒子性。一定波長的光具有一定的能量，一定波長的光具有一定的能量，波長越長波長越長(頻率越

3、頻率越低低)，光量子的，光量子的能量越低能量越低。日常所見到的白光，如日常所見到的白光，如日光日光等，由紅、橙、黃、綠、等，由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等光按適當?shù)膹姸缺壤旌隙傻模谇唷⑺{、紫等光按適當?shù)膹姸缺壤旌隙傻?，?80760nm 范圍的一種范圍的一種復合光復合光。光學光譜區(qū)2022-3-18710nm200nm200nm 380nm380nm 780nm780 nm 2.5 m2.5 m 50 m50 m 300 m2022-3-188兩種顏色的光若按適當比例混合，可以形成白光，兩種顏色的光若按適當比例混合，可以形成白光，這兩種光稱為這兩種光稱為互補色光。互補色光。光的互補光

4、的互補白光白光青藍青藍青青綠綠黃黃橙橙紅紅紫紫藍藍互補色光互補色光2022-3-1896.2 紫外紫外可見分光光度法可見分光光度法2022-3-18106.2.1 物質對光的選擇性吸收物質對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點溶液的顏色是由于均勻分布在溶液中的有色化合物的質點選擇性的吸收了某種顏色的光所造成的。選擇性的吸收了某種顏色的光所造成的。(一) 物質的顏色與光吸收的關系 在可見光區(qū)，在可見光區(qū)，不同波長的光具有不同的顏色不同波長的光具有不同的顏色。一。一束白光通過棱鏡束白光通過棱鏡色散成紅、橙、黃、綠色散成紅、橙、黃、綠等顏等顏色的光色的光具有不同的波長。具

5、有不同的波長。 一束白光通過某一物質或溶液時，由于物質對光一束白光通過某一物質或溶液時，由于物質對光的選擇性吸收，某些波長的光被吸收，另一些波長的選擇性吸收，某些波長的光被吸收，另一些波長的光則不被吸收而透過溶液。的光則不被吸收而透過溶液。2022-3-1811溶液的顏色由透過光的波長所決定(1) 如果物質把各種波長的光完全都吸收，則呈現(xiàn)如果物質把各種波長的光完全都吸收，則呈現(xiàn)黑色黑色；(2) 如果完全反射，則呈現(xiàn)如果完全反射，則呈現(xiàn)白色白色；(3) 如果透過所有的光，則為無如果透過所有的光，則為無色透明溶液色透明溶液；(4) 如果對各種波長的光吸收程度差不多，則呈現(xiàn)如果對各種波長的光吸收程度

6、差不多，則呈現(xiàn)灰色灰色；(5) 如果物質選擇性地吸收某些波長的光，那么，這種物如果物質選擇性地吸收某些波長的光，那么，這種物質的顏色就由它所反射或透過光的顏色來決定。質的顏色就由它所反射或透過光的顏色來決定。 2022-3-1812用用不同波長不同波長(400720nm)的光，照射某一吸光的光，照射某一吸光物質的溶液；物質的溶液；測測吸光度吸光度(A)以以 A作圖，得一曲線作圖，得一曲線直觀地表示出物質對光的吸收特征。直觀地表示出物質對光的吸收特征。2022-3-1813測量某溶液對不同波長單色光的吸收程度，以波長測量某溶液對不同波長單色光的吸收程度，以波長為橫坐標，吸光度為橫坐標，吸光度A為

7、縱坐標作圖，得到的曲線。為縱坐標作圖，得到的曲線。吸收光吸收光譜譜2022-3-1814同一種物質對不同波長光的吸光度不同同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長最大處對應的波長稱為最大吸收波長max。(KMnO4 的的 max = 525 nm)不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，max不變。不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和形狀和max則不同。則不同。-物質定性分析的依據(jù)之一。物質定性分析的依據(jù)之一。2022-3-1815不同濃度的同一種物質不同濃度的同一種物質，

8、在某一定波長下吸光度，在某一定波長下吸光度 A 有差異，有差異，A 隨濃度的增大而增大隨濃度的增大而增大 。在在max 處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。2022-3-1816一束平行單色光一束平行單色光(強度強度 Io )照射溶液時，光的一部分被照射溶液時，光的一部分被吸收吸收(強度強度 Ia ) ，一部分透過溶液，一部分透過溶液(強度強度 It ) ，一部分，一部分被器皿的表面反射被器皿的表面反射(強度強度 Ir ) 。Io = Ia + It

9、 + Ir則：則：I0IrItIa2022-3-1817吸光光度法測定時，都采用同樣質量的比色皿，吸光光度法測定時，都采用同樣質量的比色皿，反射光強度反射光強度 Ir 基本不變，其影響可以相互抵消?；静蛔?，其影響可以相互抵消。分光光度法中：分光光度法中： Io = Ia + It透光度透光度或或透光率透光率(T)：透過光強度：透過光強度 It 與入射光強度與入射光強度 Io 之比之比otIIT或或100%II%otT溶液的透光度愈大溶液的透光度愈大對光的吸收愈小對光的吸收愈小溶液濃度低溶液濃度低；溶液的透光度愈小溶液的透光度愈小對光的吸收愈大對光的吸收愈大溶液濃度高溶液濃度高。 2022-3

10、-1818吸光度A：TA1l gIIl gto若光全部透過溶液，若光全部透過溶液，Io = It， A = 0 若光幾乎全被吸收，若光幾乎全被吸收，It 0，A = 吸光度吸光度 A 也可以用來衡量溶液中吸光物質對波長也可以用來衡量溶液中吸光物質對波長為為的單色光的吸收程度，的單色光的吸收程度，A 值越大，吸收程度越值越大，吸收程度越大；反之亦然。大；反之亦然。2022-3-1819實驗證明：若保持入射光的波長不變，溶液對光吸實驗證明：若保持入射光的波長不變，溶液對光吸收的程度與溶液的濃度、液層厚度有關。收的程度與溶液的濃度、液層厚度有關。數(shù)學表達式：數(shù)學表達式： A = K1 bK1：比例常

11、數(shù)，：比例常數(shù)，與與 、c、溫度、溫度有關。有關。b：溶：溶液厚度液厚度一、一、朗伯定律：朗伯定律：當當 、c、溫度、溫度一定時，溶液的吸一定時，溶液的吸光度與液層的厚度成正比。光度與液層的厚度成正比。2022-3-1820二、比爾定律：二、比爾定律：當當 、b 和和 溫度一定時，溶液的吸溫度一定時，溶液的吸光度與溶液的濃度成正比。光度與溶液的濃度成正比。數(shù)學表達式：數(shù)學表達式： A = K2 c三、朗伯三、朗伯比爾定律比爾定律(同時考慮溶液濃度和液層厚同時考慮溶液濃度和液層厚度的影響度的影響)：一束平行單色光通過溶液，當：一束平行單色光通過溶液，當 和溫和溫度度一定時，其吸光度與溶液的濃度和

12、液層厚度成一定時，其吸光度與溶液的濃度和液層厚度成正比。正比。數(shù)學表達式數(shù)學表達式： A = K b c2022-3-1821單位：單位：c：gL1，b：cm，K用用a表示，表示，稱為稱為吸光系吸光系數(shù)數(shù)，單位為，單位為 Lg.cm1 ，則：，則：1、吸光系數(shù)、吸光系數(shù) aA = a b cA 是吸光物質在一定的條件下的特性常數(shù)，與本性是吸光物質在一定的條件下的特性常數(shù)，與本性有關，與吸光物質的濃度和液層厚度無關。有關，與吸光物質的濃度和液層厚度無關。2022-3-18222、摩爾吸光系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)單位：單位：c：molL1，b：cm，K 用用表示表示，稱為，稱為摩爾摩爾吸光系數(shù)吸光系數(shù)，

13、單位為，單位為 Lmol.cm1。則：。則：A =b c(2) 同一吸光物質在不同波長下的同一吸光物質在不同波長下的值是不同的值是不同的。在最大吸收。在最大吸收波長波長max 處的摩爾吸光系數(shù)處的摩爾吸光系數(shù)(max) 表明了該吸收物質最大限度表明了該吸收物質最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈敏度。敏度。 (1) 是吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)是吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)，不隨，不隨濃度濃度 c和液層厚度和液層厚度 b 的改變而改變。在溫度和波長等條件一的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時

14、，定時， 僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；2022-3-1823(3)max 越大表明該物質的吸光能力越強，用光度法測定該物越大表明該物質的吸光能力越強，用光度法測定該物質的靈敏度越高。質的靈敏度越高。(4)在數(shù)值上等于濃度為在數(shù)值上等于濃度為 1molL1、液層厚度為、液層厚度為 1cm 時該溶時該溶液在某一波長下的吸光度。液在某一波長下的吸光度。當當 c = 1molL1，b = 1cm 時時, A =2022-3-1824(3)1123cmg(L101. 9101. 02. 00. 380abcA)1143cmmol(L101.

15、155. 85101. 02. 00. 380bcA(1) T 10A 100.380 0.417 (2) c = 1.0 g.mL1 = 1.0 mg.L1 = 1.0 103 g.L1 例例：有一濃度為：有一濃度為 1.0 g.mL1 Fe2+ 的溶液，的溶液，以以鄰二氮菲鄰二氮菲顯色后顯色后，在比色皿厚度為在比色皿厚度為 2cm、波長波長 510nm 處測得吸光度為處測得吸光度為0.380，計，計算：算：(1) 透光度透光度 T；(2) 吸光系數(shù)吸光系數(shù) a；(3) 摩爾吸光系數(shù)摩爾吸光系數(shù) 。解：解：計算依據(jù) A = bc2022-3-1825注意：注意：cbTAtoIIl g1l g

16、在吸光光度法中，在吸光光度法中，A 、T、 c 之間的關系：之間的關系：在一定范圍內，在一定范圍內，A 與與 c 成正比成正比-光度法定量基礎；光度法定量基礎； T 與與 c 成指數(shù)關系：成指數(shù)關系：T = 10A-不作定量分析工作曲線。不作定量分析工作曲線。朗伯比爾定律的適用條件1. 單色光單色光 應選用應選用 max 處或肩峰處測定處或肩峰處測定2. 吸光質點形式不變吸光質點形式不變 離解、絡合、締合會破壞線性關系離解、絡合、締合會破壞線性關系 應控制條件應控制條件(酸度、濃度、介質等酸度、濃度、介質等)3. 稀溶液稀溶液 濃度增大，分子之間作用增強濃度增大，分子之間作用增強2022-3-

17、18262022-3-1827五、吸光度的加合性五、吸光度的加合性2211ibcbcAA總某波長下，溶液中含有對該波長的光產生吸收的多種某波長下，溶液中含有對該波長的光產生吸收的多種物質，那么溶液的總吸光度等于溶液中各個吸光物質物質，那么溶液的總吸光度等于溶液中各個吸光物質的吸光度之和的吸光度之和2022-3-1828 入射光為非單色光時的偏離入射光為非單色光時的偏離：儀器的分光元件(單色器)很難得到真正的單色光，而是波長范圍很窄的復合光帶，而比耳定律僅在入射光為單色光時才是正確的。 化學因素引起的偏離化學因素引起的偏離： 介質不均勻(膠體、乳濁液、懸浮液)而產生折射、散射和反射，使透過光強減

18、弱(A增大)； 吸光分子發(fā)生化學變化而改變濃度。朗伯比爾定律本身的局限性：假設了吸光分子之間無相互作用，事實上，高濃度時分子間相互作用不可忽略2022-3-1829通過棱鏡或光柵得到一束近似的單色光。波長可調通過棱鏡或光柵得到一束近似的單色光。波長可調, 選擇性好，準確度高。選擇性好，準確度高。光源光源單色器單色器樣品池樣品池檢測器檢測器讀出系統(tǒng)讀出系統(tǒng)分光光度計的主要部件光源：光源：發(fā)出所需波長范圍內的連續(xù)光譜，有足夠的光強、發(fā)出所需波長范圍內的連續(xù)光譜，有足夠的光強、穩(wěn)定。穩(wěn)定。 可見光區(qū)：可見光區(qū)：鎢燈，碘鎢燈鎢燈，碘鎢燈(3202500nm) 紫外區(qū)：紫外區(qū)：氫燈，氘燈氫燈，氘燈(18

19、0375nm)單色器：單色器：將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。將光源發(fā)出的連續(xù)光譜分解為單色光的裝置。棱鏡：棱鏡：玻璃玻璃 3503200nm，石英，石英 1854000nm 光柵：光柵：波長范圍寬波長范圍寬, 色散均勻，分辨性能好，使用方便色散均勻，分辨性能好，使用方便2022-3-1830吸收池吸收池：(比色皿比色皿)用于盛待測及參比溶液。用于盛待測及參比溶液。 可見光區(qū)：可見光區(qū)：光學玻璃池光學玻璃池 紫外區(qū)：紫外區(qū)：石英池石英池檢測器：檢測器：利用光電效應，將光能轉換成電流訊號。利用光電效應，將光能轉換成電流訊號。 光電池，光電管，光電倍增管光電池，光電管，光電倍增管指示器：指

20、示器： 低檔儀器：低檔儀器：刻度顯示刻度顯示 中高檔儀器：中高檔儀器：數(shù)字顯示，自動掃描記錄數(shù)字顯示，自動掃描記錄2022-3-1831棱鏡：棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時折射率不同依據(jù)不同波長光通過棱鏡時折射率不同2022-3-1832單色器單色器棱鏡和光柵棱鏡和光柵入射狹縫入射狹縫準直透鏡準直透鏡棱鏡棱鏡聚焦透鏡聚焦透鏡出射狹縫出射狹縫白光白光紅紅紫紫12800 600 500400光柵：光柵：在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)量很大的等寬度在鍍鋁的玻璃表面刻有數(shù)量很大的等寬度等間距條痕等間距條痕(600、1200、2400條條/mm )。2022-3-1833M1M2出出射射狹狹縫縫光屏光屏透透鏡鏡

21、平面透平面透射光柵射光柵光柵衍射示意圖光柵衍射示意圖原理：原理：利用光通過光柵時，利用光通過光柵時，發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象發(fā)生衍射和干涉現(xiàn)象而分光。而分光。2022-3-1834光學系統(tǒng)的不同光學系統(tǒng)的不同分光光度計類型不同分光光度計類型不同2022-3-1835利用顯色反應把待測組分利用顯色反應把待測組分 轉變?yōu)橛猩衔?，然后轉變?yōu)橛猩衔?，然后再進行測定。再進行測定。顯色反應：顯色反應：使試樣中的被測組分與化學試劑作用生成使試樣中的被測組分與化學試劑作用生成有色化合物的反應。有色化合物的反應。顯色反應主要有配位反應和氧化還原反應，其中絕大顯色反應主要有配位反應和氧化還原反應，其中絕大多數(shù)是

22、配位反應。多數(shù)是配位反應。2022-3-18361、靈敏度高，選擇靈敏度高，選擇 較大的顯色反應。避免共存組較大的顯色反應。避免共存組分干擾。分干擾。2、選擇性好，顯色劑只與被測組分反應。、選擇性好，顯色劑只與被測組分反應。3、有色物組成固定，如：、有色物組成固定，如：Fe3+ + 磺基水楊酸磺基水楊酸 三磺基水楊酸鐵三磺基水楊酸鐵(黃色黃色) (組成固定組成固定)Fe3+ + SCN FeSCN2+、 Fe(SCN)2 + (組成不固定組成不固定)2022-3-18374、有色物穩(wěn)定性高，其它離子干擾才小。如三磺基、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水楊酸鐵的 Kf = 1

23、042 , F 、H3PO4 對它無干擾。對它無干擾。5、顯色過程易于控制，而且有色化合物與顯色劑、顯色過程易于控制，而且有色化合物與顯色劑之間的顏色差別應盡可能大。之間的顏色差別應盡可能大。nm60|maxmaxRM R2022-3-1838(c(M)、pH一定一定) ： 適當過量。適宜的用量通過實驗求得適當過量。適宜的用量通過實驗求得c(R)c(R)c(R)Mo(SCN)32+ 淺紅淺紅Mo(SCN)5 橙紅橙紅Mo(SCN)6 淺紅淺紅Fe(SCN)n3n2、顯色反應酸度(c(M)、 c(R)一定)2022-3-1839pH影響顯色劑的平衡濃度影響顯色劑的平衡濃度影響顯色劑的顏色影響顯色

24、劑的顏色 影響金屬離子的存在狀態(tài)影響金屬離子的存在狀態(tài)影響某些配位化合物的組成影響某些配位化合物的組成 pH1 pH 0.01molL1)2非單色光3被測物在溶液中發(fā)生化學反應4配合物穩(wěn)定性差導致解離顯色反顯色反應要求應要求1選擇性好2有色螯合物組成恒定、化學性質穩(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參比液選擇吸光度僅與待測物質濃度成線形關系入射光波長選擇入射光波長選擇max6.7 吸光光度法的應用 可直接用于有色物的測定，也可通過顯色反應用于無色物的分析； 可用于常量分析(1%)，也可用于微量分析(0.011%); 可用于無機物(陰、陽離子)分析，也可用于有機物分

25、析； 可用于定量分析，也可用于定性分析(特征吸收光譜、功能基團特征吸收峰)； 可用于其它領域的研究(如化學平衡)； 目前，環(huán)境等領域的很多標準分析方法仍然采用光度法。2022-3-1853(一一) 單組分的定量方法單組分的定量方法1標準比較法 2標準曲線法2022-3-1854bcA：定量依據(jù)標樣標樣標樣標樣AAccAAcc2022-3-1855條件：標準溶液與待測溶液的濃度相接近。條件：標準溶液與待測溶液的濃度相接近。樣樣樣；：標標樣樣樣樣樣標標標標標標:色池同一吸光物質、同一比待測樣：標樣bbcbAAccbAAc2標準曲線法標準曲線法2022-3-1856條件前提：固定儀器和測定ccKAA

26、樣樣同上條件固定條件查得測定樣品曲線分別測定配制標準系列過程：ccAAA 0 1 2 3 4 mg/mlA。 。 。 。*0.80.60.40.20 蘆丁含量測定蘆丁含量測定2022-3-185725mL. 0mg25mL5mL0mg/ mL3200. 0樣品標樣分別移取YYXYYXbcbcAbcbcA2X2YX21X1YX1處分別測得標液在由21,YX2X211，YYX2022-3-1858(c) x，y 組分不能直接測定組分不能直接測定(a) 在在 1 處測組分處測組分x，在在 2 處測組處測組分分y(b) 在在 1 處測組分處測組分x; 在在 2 處測總處測總吸收，扣除吸收，扣除 x 吸

27、收，可求吸收，可求y 3. 3. 光度滴定光度滴定59NaOH滴定滴定 對硝基酚對硝基酚 pKa=7.15 間硝基酚間硝基酚 pKa=8.39 pKa=1.2460纖維光度計典型的光度滴定曲線典型的光度滴定曲線61依據(jù)滴定過程中溶液吸光度變化來確定終點的滴定分析方法。依據(jù)滴定過程中溶液吸光度變化來確定終點的滴定分析方法。Vsp滴定劑吸收滴定劑吸收Vsp被滴物吸收被滴物吸收Vsp滴定劑與待滴定劑與待測物均吸收測物均吸收Vsp產物吸收產物吸收優(yōu)點 可以測定弱酸弱堿（cKa 10-8），弱配位滴定（cKf 106），以及電極電勢差值較小(0.4V）的反應。 可以滴定沒有合適指示劑的情況2022-3-

28、1862絡合物組成的測定絡合物組成的測定63摩爾比法摩爾比法: : 固定固定cM , ,改變改變c cR R 1:13:1c(R)/c(M)A1.0 2.0 3,0 64一元弱酸離解常數(shù)的測定一元弱酸離解常數(shù)的測定 HL HLHLHLL=HL+LKccAKK +L+aaa(HL)H (HL)=+H +H KaH+L/HL高酸度下，幾乎全部以高酸度下，幾乎全部以HL存在，可測得存在，可測得AHLHLc(HL)；低酸度下，幾乎全部以低酸度下，幾乎全部以L存在，可測得存在，可測得AL Lc(HL).代入整理：代入整理：AAKA A +HLaL-=H -HLLL HLAAKAAa-p= pH+lg-或配制一系列配制一系列c相同相同,pH不同的溶液不同的溶液,測測A.