第九章吸光光度法汇总.docx
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第九章吸光光度法汇总
章序
名称
第九章吸光光度法
周次
第15周至第16周
授课时间
2009年11月14日至2009年11月28日
教
学
目
的
要
求
1.理解朗伯－比尔定律的数学表达式及意义；
2.掌握摩尔吸光系数的意义和计算；
3.了解选择显色剂的原理及及影响显色反应的因素；
4.初步掌握分光光度法的基本原理应用；
5.掌握光度法的基本原理，了解光度分析条件的控制，分光光度法的应用范围。
教
学
重
点
1、方法特点：
光的性质和选择性的吸收。
2、吸光光度法的基本原理：
朗伯比尔分离定律；偏离比尔定律的原因。
4、分光光度计的构造及应用。
5、显色反应及影响因素。
6、光度测量误差及条件的选择。
7、吸光光度法的应用。
教
学
难
点
1．吸光光度法的基本原理：
朗伯比尔分离定律；偏离比尔定律的原因。
2.光度测量误差及条件的选择。
教学场所
环境
教室
授课
方式
课堂讲授（√）；实验（）；实践（）；双语（）
课时分配
8学时
教学
方法
讲授、讨论
教学
手段
网络教学（）；多媒体（√）
教学
用具
电子投影仪
教 学 内 容 提 要
备注
§9-1光的性质和物质对光的吸收
一、光的性质
二、物质对光的吸收
§9-2光吸收的基本规律
一、朗伯-比尔定律
二、偏离朗伯-比尔定律的因素
§9-3分光光度计的构造
一、分光光度计的主要部件
二、分光光度计
§9-4显色反应及其影响因素
一、显色反应和显色剂
二、影响显色反应的因素
三、三元配合物显色体系
§9-5广度测量误差及其测量条件的选择
一、仪器测量误差
二、测量条件的选择
§9-6分光光度法的应用
一、多组分的同时测定
二、差示分光光度计
三、酸和碱离解常数的测定
四、溶液中配合物组成的测定
日
程
及
课
时
分
配
节序
内容
学时
第九章
吸光光度分析法
8学时
第一节
光的性质和物质对光的吸收
1
第二节
光吸收的基本规律
1
第三节
分光光度计的构造
1
第四节
显色反应及其影响因素
1
第五节
广度测量误差及其测量条件的选择
2
第六节
分光光度法的应用
第七节
第节
习题课
2
第节
第节
第节
第节
第节
复
习
思
考
题
1．有50.0mL含Cd2+5.0μg的溶液,用10.0mL二苯硫腙-氯仿溶液萃取（萃取率≈100%）后,在波长为518nm处,用1cm比色皿测量得T=44.5%。
求吸收系数a、摩尔吸收系数κ和桑德尔灵敏度S各为多少?
2.钢样0.500g溶解后在容量瓶中配成100mL溶液。
分取20.00mL该试液于50mL容量瓶中,将其中的Mn2+氧化成MnO4-后,稀释定容。
然后在λ=525nm处,用b=2cm的比色皿测得A=0.60。
已κ525=2.3×103L·mol-1·cm-1,计算钢样中Mn的质量分数（%）。
3．某一光度计的读数误差为0.005,当测量的透射比分别为9.5%及90%时,计算浓度测量的相对误差各为多少?
讨
论
练
习
1．与化学分析法相比,吸光光度法的主要特点是什么?
2．简述朗伯-比尔定律成立的前提条件及物理意义,写出其数学表达式。
3．吸收光谱曲线和标准曲线的实际意义是什么?
如何绘制这两种曲线?
4．为了提高测量结果的准确度,应该从哪些方面选择或控制光度测量的条件?
5．简述用摩尔比法测定络合物络合比的原理。
拓
展
学
习
吸光光度法的应用中学习络合物组成和酸碱解离常数的测定:
（1）络合物组成：
摩尔比法、等摩尔连续变化法。
（2）酸碱解离常数：
PKa=PH+lgA-AB-/AHB-A
课
程
作
业
P.301，15，17，P.302，18，19，21，24，25
P.303，28，29.
完成方式
书面版（√）
电子版（）
提交时间
课程结束交
必
读
书
目
1.武汉大学化学系编，仪器分析，北京：
高等教育出版社，2001.
2.朱明华编，仪器分析，北京：
高等教育出版社，1994.
学生学习质量监控与
评价
从完成作业情况看，本章内容部分掌握较好，有少数学生对光度计算掌握的不够好。
教
学
后
记
本章内容是仪器分析的基础，打好基础很重要，在讲课中突出吸光光度法的基本原理，朗伯比尔分离定律的学习；吸光光度条件的选择，可配合实验课加深学生的理解和掌握。
第九章 吸光光度法
本章介绍的吸光光度法是一种仪器分析方法（其中目视比色法不必用仪器）。
一种方法能用来进行物质的定量分析，测量的物理量与被测组分的浓度之间必须存在确定的定量的关系。
这是定量测量方法的理论基础。
另一方面，还需要考虑仪器设备的设计和测试条件的选择，以保证方法符合定量基本关系式，并保证有较高的准确度和可操作性。
利用光信号测定物质含量的方法很多，基于物质对光具有选择吸收的特性而建立起来的分析方法，称为吸光光度法。
根据产生光吸收的质点不同，又可分为分子吸收光谱法和原子吸收光谱法。
本章中讨论的紫外-可见吸光光度法是分子吸收光谱法的一种。
9.1概述
9.1.1光的基本性质
光是一种电磁波，按照波长（或频率）排列，可得到电磁波谱图：
光具有波粒二象性，一定波长的光具有一定的能量，波长越长（频率越低），光量子的能量越低。
具有相同能量（相同波长）的光为单色光，由不同能量（不同波长）的光组合在一起的称为复合光。
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光，这种现象称为光的互补。
白光是复合光，让一束白光通过分光元件，它将分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色的光。
即可
见光谱。
9.1.2光与物质的作用
当光照射到物质上时，会产生反射、散射、吸收或透射现象，若被照射的物质为溶液，光的散射可以忽略。
当一束白光照射某一有色溶液时，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光则透过，溶液的颜色由透射光的波长所决定。
吸收光与透射光互为补色光。
如硫酸铜溶液吸收白光中的黄色光而呈现蓝色；高锰酸钾溶液吸收黄绿色的光而呈紫红色。
分子、原子和离子，都具有不连续的量子化能级，在一般情况下分子处于最
低能态（基态）。
当入射光照射物质时，分子会选择性地吸收了某些波长的光，由基态跃迁到激发态（较高能级），其能级差E激发态－E基态与选择性吸收的光子能量hν的关系为：
hν=E激发态－E基态
分子运动包括分子的转动、分子的振动和电子的运动。
分子转动、振动能级间隔一般小于1ev，其光谱处于红外和远红外区。
电子能级间的能量差一般为1～20ev，由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外及可见光区，其实验方法为比色法和可见、紫外吸光光度法。
9.1.3定性分析及定量分析的基础
1.定性分析基础
吸收光谱取决于分子的结构，以及分子轨道上电子的性质，不同的物质具有不同的吸收光谱，因此，吸收光谱可提供定性分析的信息。
2.定量分析基础
对同一物质而言，浓度不同，对特定波长光的吸收强度不同，因此，吸收强度可提供定量分析的信息。
从不同浓度的高锰酸钾溶液的吸收光谱图可知，在波长535nm处的吸光强度与浓度间存在定量的关系，可由此进行定量分析。
9.1.4吸收定律
1.朗伯—比尔定律
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，一部分被器皿的表面反射。
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。
则
在吸光光度法中，通常将试液和空白溶液分别置于同样材质及同样厚度的吸收皿中，因此反射光的强度基本相同，其影响可以相互抵消，故可以忽略反射光的影响，可得到下式：
。
即光强为I0的入射光通过试液皿后，一部分光被吸收，一部分光被透射。
It与I0之比称为透光率或透光度T，T=It/I0
吸光物质对光的吸收程度，还常用吸光度A表示：
A=-lgT=lg（I0/It）
实验证明，当一束平行单色光垂直照射某一均匀的非散射吸光物质溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c和液层厚度b的乘积成正比，此即朗伯—比尔（Lambert—Beer）定律，其数学表达式为：
2.摩尔吸收系数和桑德尔灵敏度
当溶液浓度以mol/L为单位时，液层厚度以cm为单位时，K常用ε代替，ε称为摩尔吸收系数，其单位为L.mol-1.cm-1。
此时朗伯-比尔定律可写为：
A=εbc
摩尔吸收系数ε是吸光物质在给定波长和溶剂下的特征常数，数值上等于1mol/L吸光物质溶液和液层厚度为1cm时溶液的吸光度，它表示吸光物质对指定频率的光子的吸收本领。
ε越大，表示该物质对某波长光的吸收能力越强，该测定方法的灵敏度也就越高。
一般认为，ε<104，则方法的灵敏度较低；ε在104~5
104时，方法的灵敏度为中等；ε在5
104~105时，灵敏度高；ε>105，属超高灵敏度。
还可用桑德尔灵敏度（灵敏度指数）S表示方法的灵敏度，Sandell对S的定义是：
在一定的波长下，测得的吸光度A=0.001时，1cm2截面积内所含的吸光物质的量，其单位为g/cm2。
S与的关系的推导：
A＝0.001＝bc，bc＝0.001/
b为吸收池的厚度，单位为cm，c的单位为mol/L，bc乘以待测物的摩尔质量M（g/mol），就是单位截面积内待测物的质量，即
S=b（cm）c（mol/dm3）M（g/mol）106g/g＝
（g/cm2）。
例1.某试液用2cm比色皿测量时，T=60%，若改用1cm或3cm比色皿，T及A分别等于多少？
解：
设某试液用2cm比色皿测量时的吸光度为Ao,用1cm和3cm比色皿测得的吸光度为A1和A2。
因为A与T之间的关系是A=-lgT，所以Ao=0.22。
根据朗伯-比尔定律可知：
A=εb1c，所以A1=A0b1/bo=0.11,T1=
=0.78.
A2=A0b2/bo=0.33,T3=
=0.47.
例2.已知含Fe2+浓度为500g/L的溶液，用邻二氮菲比色测定铁，比色皿厚度为2cm，在波长508nm处测得吸光度A=0.19，计算摩尔吸收系数。
解：
例3.双硫腙显色法测定铅的＝6.8104
，求桑德尔灵敏度S。
解：
S＝M/＝207/6.8104=0.0030（g/cm2）
9.2目视比色法与分光光度法
朗伯—比尔定律是光度法定量分析的基础。
可以通过仪器测吸光度，然后通过与标准的比较法或标准曲线法得到被测组分的浓度。
也可通过肉眼直接观测颜色的深浅判断组分含量。
9.2.1目视比色法
目视比色法是用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法。
一般采用标准系列法。
即在一套等体积的比色管中配置一系列浓度不同的标准溶液，并按同样的方法配置待测溶液，待显色反应达平衡后，从管口垂直向下观察（对于高含量的试样，也可从管侧面观察），比较待测溶液与标准系列中哪一个标准溶液颜色相同，便表明二者浓度相等。
如果待测试液的颜色介于某相邻两标准溶液之间，则待测试样的含量可取两标准溶液含量的中间值。
优点是操作简便，适宜于野外或现场快速测定，可在复合光-白光下进行测定，某些不符合朗伯-比尔定律的显色反应，仍可用该法进行测定。
主要缺点是准确度不高，标准系列不能久存，需要在测定时临时配制。
9.2.2分光光度法
1.分光光度计
分光光度计按工作波长范围分类，可分为紫外-可见分光光度计和可见光分光光度计。
按照光路的设计方式可分为单光束、双光束和单波长、双波长分光光度计等。
尽管分光光度计的种类和型号繁多，但它们都是以下基本部件组成的。
（1）分光光度计的主要组成部件：
光源、单色器、吸收池、检测器和显示装置。
光源：
（Lightsource）：
光源的作用是提供所需波长范围内的连续光谱，光源要有足够的光强度，能量分布均匀，稳定。
电源电压的微小波动会引起灯光强度的很大变化，因此需要用稳压电源。
可见分光光度计的光源多属热光源，如钨灯、碘钨灯等，钨灯发射光谱波长范围为400～1000nm，在可见和近红外区。
碘钨灯发射光谱波长范围320～2500nm。
紫外区使用氢灯或氘灯（180～375nm）。
单色器：
（monochromator）：
将光源发出的连续光谱分解为单色光的装置。
比色计的单色器一般是滤光片，分光光度计的单色器通常由棱镜或光栅等色散元件及狭缝和透镜等组成。
可见分光光度计常用玻璃棱镜，玻璃棱镜适合的波长为350～3200nm；紫外-可见分光光度计常用石英棱镜，这是由于玻璃对紫外光有较强吸收的缘故，石英棱镜适合的波长为185～4000nm。
光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的色散元件，它具有适用波长范围宽、分辨性能好和色散均匀等优点。
吸收池也称比色皿（coloritrough）：
吸收池用来盛放试液。
按制作材料可分为石英和玻璃吸收池，前者用于紫外和可见区，后者仅用于可见区。
检测器（detector）：
利用光电效应，将光能转成电流讯号。
常用的有光电池，光电管，光电倍增管、光电二极管、光导摄象管等。
显示装置：
检流计、微安表、数字显示记录仪等。
（2）几种不同类型分光光度计
单光束分光光度计（singlebeamspectrophotometer），如721型分光光度计为可见光单光束分光光度计的类型。
仪器光路示意图如下。
双波长分光光度计（doublewavelengthspectrophotometer）、双光束分光光度计（doublebeamspectrophotometer）或双波长—双光束分光光度计：
双光束分光光度计是将单色光分成两束，一束通过参比池，另一束通过样品池，经一次测量，检测器直接得到的是样品池与参比池吸光度的差，即
。
双波长分光光度计是将同一光源发出的光分成两束，以一定的频率交替照射同一吸收池，经光电倍增管和电子控制系统，由指示器显示出两个波长处的吸光度之差，即。
利用双波长光度计可消除干扰组分或混浊试样背景对测定的影响，往往可提高方法的灵敏度和选择性。
该类型仪器与单光束仪器的比较如下图。
光学多通道分光光度计（opticalmultichannelspectrophotometer）是20世纪80年代问世的产品，是一种具有全新光路系统的仪器。
由钨灯或氘灯发射的复合光先通过样品池后再经全息光栅色散，色散后的单色光由光二极管阵列中的光二极管接收，一个光二极管阵列一般能容纳数百个光二极管，可覆盖190~900nm波长范围。
全部波长同时被检测，所以响应非常快。
这种类型光度计特别适合进行快速反应动力学研究及多组分混合物的分析在环境及过程分析中也非常重要，并可用作高效液相色谱仪和毛细管电泳仪的检测嚣。
光导纤维探头式分光光度计（opticalfiberprobe-typespectrophotometer）：
探头是由两根相互隔离的光导纤维组成，钨灯发射的光由其中一根光纤传导至试样溶液，再经镀铝反射镜反射后，由另一根光纤传导，通过干涉滤光片后，由光敏器件接收为电信号。
此类仪器不需吸收池，直接将探头插入试样溶液中，在原位进行测定。
这种类型光度计常用于环境和过程监测。
2.分光光度法
根据朗伯-比耳定律，当吸光物质光程一定时，吸光度与吸光物质的浓度成线性关系，因此可以根据直接比较法和标准曲线法测定试样溶液中待测物质的浓度。
标准曲线法是先用纯试剂或与被测试样有相似组分的物质配制不同浓度的标准溶液，以不含试样的空白溶液作参比，测量标准溶液的吸光度，绘制吸光度—浓度曲线，如下图所示，此曲线称标准曲线或工作曲线。
然后在同样条件下测定试样溶液的吸光度，再由标准曲线上求出被测元素的含量。
需要注意的是：
在某些情况下，A～c并不严格遵守比尔定律,这种现象称为偏离朗伯-比耳定律。
引起偏离朗伯-比耳定律的主要原因在后面的章节中讨论。
一般说来，朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。
9.3分光光度法的设计
9.3.1显色反应和显色剂
理论上讲，所有对紫外光、可见光有吸收的有机物、无机物都可以用紫外－可见分光光度法进行测定。
但在实际工作中，通常使弱吸收物质发生化学反应生成具有强吸收性质的吸光物质，以提高光度测量的准确性和分析方法的灵敏度。
此反应称为显色反应，所用的试剂称为显色剂。
1．显色反应
显色反应一般应满足以下要求：
（1）形成的吸光物质的摩尔吸光系数大，方法灵敏。
（2）选择性好，干扰少或干扰容易消除；显色剂在测量波长处的无吸收或光吸收小，即测量的吸光物质与显色剂的颜色差别要大。
一般要求吸光物质与显色剂的最大吸收波长相关较远。
，式中R为显色剂，MR为待测物质与显色剂形成的产物。
通常将
称作显色反应的对比度。
（3）显色反应产物稳定，在测量过程中吸光度基本保持恒定。
（4）显色反应的条件便于控制。
2．显色剂
显色剂的种类很多，但无机显色剂在光度分析中应用不多，主要因为灵敏度和选择性不高。
例如钼酸铵可作为测硅、磷和钒的显色剂，双氧水可作为钛的显色剂。
应用较多的是有机显色剂。
有机显色剂及其产物的颜色与它们的分子结构有密切关系。
有机显色剂分子中一般都含有生色团（chromophore）和助色团（auxochrome）。
分子中能吸收紫外或可见光的基团称为生色团，生色团中含有不饱和键的基团，如偶氮基、对醌基和羰基等。
这此基团中的
电子被激发时所需的能量较小，可以吸收可见光而表现出颜色。
助色团是含有非键电子对的基团。
如氨基、羟基和卤代基等。
它们本身并不吸收大于200nm的光，但它们可与生色团中电子相互作用，形成非键电子与
电子的共轭，即p-
共轭，降低了
跃迁的能量，引起吸收峰向长波方向移动，使吸收强度增加。
3．显色条件的选择
显色条件包括：
溶液酸度，显色剂用量，试剂加入顺序，显色时间，显色温度，有机络合物的稳定性及共存离子的干扰等。
（1）酸度的选择
溶液的酸度会影响显色剂的平衡浓度和颜色，也会影响被测金属离子的存在状态和影响络合物的形成反应，是显色反应重要的条件之一。
合适的酸度需通过实验确定。
在实际工作中，通常是固定其他实验条件，变化反应体系的pH值，测量体系的吸光度A，作A~pH曲线，从实验曲线中选择A值大，且随pH值变化平缓的pH值范围作为酸度控制范围。
（2）显色剂的用量
为使显色反应进行完全，需加入过量的显色剂。
但有些显色反应，显色剂加入太多，反而会引起副反应，对测定不利。
显色剂浓度与吸光度的关系有下列三种情况，要根据实验结果来确定显色剂的用量。
（3）显色反应时间
有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定状态，并在较长时间内保持不变；有些显色反应虽能迅速完成，但有色络合物的颜色很快开始褪色;有些显色反应进行缓慢，溶液颜色需经一段时间后才稳定。
确定显色反应时间的实验方法，配制好显色溶液，每隔一定时间测量一次吸光度，制作吸光度-时间曲线，以确定适宜的显色时间和稳定时间。
（4）显色反应温度
显色反应大多在室温下进行。
但是，有些显色反应必需加热至一定温度完成。
但要注意一些有色化合物在高温时分解。
（5）溶剂
某些有机溶剂能降低有色化合物的解离度，提高显色反应的灵敏度。
如在Fe（SCN）3的溶液中加入丙酮，可使颜色加深。
还可能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
试样中存在干扰物质会影响被测组分的测定，可采取以下一些措施。
a.控制溶液酸度
b.加入掩蔽剂
c.利用氧化还原反应，改变干扰离子的价态
d.利用校正系数
e.用参比溶液消除显色剂和某些共存有色离子的干扰。
f.选择适当的波长
g.当溶液中存在有消耗显色剂的干扰离子时，可通过增加显色剂的用量来消除干扰。
h.预先分离的方法。
9.3.2测量波长的选择
为了使测定结果有较高的灵敏度，应选择被测物质的最大吸收波长的光作为入射光，这称为“最大吸收原则”。
选用这种波长的光进行分析，不仅灵敏度高，且能减少或消除由非单
色光引起的对朗伯-比尔定律的偏离。
但是，在最大吸收波长处有其他吸光物质干扰测定时，则应根据“吸收最大，干扰最小”的原则来选择入射光波长。
例如丁二酮肟光度法测钢中镍，络合物丁二酮肟镍的最大吸收波长为470nm，但试样中大量的铁用酒石酸钠掩蔽后，在470nm处也有一定吸收，干扰镍的测定。
为避免铁的干扰，可以选择波长520nm进行测定，虽然测镍的灵敏度有所降低，但酒石酸铁不干扰镍的测定。
从仪器测量误差的角度来看，为使测量结果得到较高的准确度，一般应控制标准溶液和被测试液的吸光度在0.2~0.8范围内。
可通过控制溶液的浓度或选择不同厚度的吸收池来达到此目的。
9.3.3参比溶液的选择
利用参比溶液来调节仪器的零点，可消除由吸收池壁及溶剂对入射光的反射和吸收带来的误差，扣除干扰的影响。
参比溶液选择原则：
a试液及显色剂均无色，蒸馏水作参比溶液。
b显色剂为无色，被测试液中存在其他有色离子，用不加显色剂的被测试液作参比溶液。
c显色剂有颜色，可选择不加试样溶液的试剂空白作参比溶液。
d显色剂和试液均有颜色，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，而显色剂及其他试剂均按试液测定方法加入，以此作为参比溶液，这样就可以消除显色剂和一些共存组分的干扰。
e改变加入试剂的顺序，使被测组分不发生显色反应，可以此溶液作为参比溶液消除干扰。
9.4误差
吸光光度法的准确度较高。
一般相对误差2～5％。
影响准确度的主要因素有仪器测量误差、非单色光引起的吸光定律的偏离与化学反应平衡移动引起的对吸光定律的偏离等。
9.4.1仪器测量误差
任何仪器都有一定的测量误差，对于分光光度计来说，这是由于光源不稳定、电源波动、读数误差等原因造成，属随机误差。
根据Lambert-Beer定律可以推导出测量误差的影响因素。
若在测定吸光度A时产生了一个微小的绝对误差dA，则测量A的相对误差为：
根据Lambert-Beer定律可得，
微分后得
，所以可得：
。
从Er对T的关系图可知，当A=0.434时，测量的相对误差最小，在A为0.2~0.7范围内，相对误差较小，所以实际测量时吸光值最好在此范围内。
6.4.2非单色光引起的误差
严格说来，Lambert-Beer定律只适用于单色光，但实际上用各种分光方法所得的入射光都具有一定的带宽，因而导致实际测量值与Lambert-Beer定律偏离。
为尽量避免由于非单色光引起的对吸收定律的偏离，一般选择峰值波长进行测量。
6.4.3溶液化学反应引起的误差
溶液对光的吸收程度决定于吸光物质的性质和数目，溶液中的吸光物质常因解离、缔合、形成新的化合物或互变异构体等化学变化而改变溶液中吸光物的浓度，因而导致偏离Lambert-Beer定律。
6.4.4其他影响因素
其他影响测量的因素还有：
1.介质不均匀：
被测溶液若不均匀，入射光除被吸收外，还可能因散射而损失，使吸光度增加，使标准曲线发生弯曲。
2.浓度效应：
浓度高时，吸光质点间的静电作用加大，其吸光行为发生变化。
3.温度效应：
温度变化时，显色反
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