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第四章比色解析及分光光度法
ColorimetricandSpectrophotometricAnalysis
§1归纳
好多物质自己拥有明显的颜色,比方KMnO4溶液显紫色,K2Cr2O7溶液显橙色等。别的,
有些物质自己并无颜色,也许颜色其实不明显,可是当它们与某些化学试剂反应后,则能够生
成有明显颜色的物质,比方Fe3+自己拥有黄色,当与必然量的KSCN试剂反应后,生成的
Fe(SCN)3拥有血红色;浅蓝色的Cu2+与氨水作用后,则生成深蓝色的Cu(NH3)42+。当这些有
色物质溶液的浓度改变时,溶液颜色的深浅液会改变。浓度越大,颜色越深;浓度越小,颜
色越浅。所以,能够必然地说,溶液颜色的深浅与有色物质的含量之间有必然的关系。在分
析化学中,把这类基于比较有色物质溶液的颜色深浅以确定物质含量的解析方法称为比色分
析。
实践证明,无论物质有无颜色,当必然波长的光经过该物质的溶液中时,依照物质对
光的吸取程度,也能够确定该物质的含量。这类方法称为分光光度法。目前的比色解析常用
分光光度计将光源变成单色光,并选择对待测物质拥有最大吸取的单色光进行比色测定。
比色解析法、分光光度法与前面所讲的容量解析法、重量解析法对照,拥有以下优点:
比色解析法和分光光度法测定物质的浓度,下限一般能够达到
10-5~10-6
mol/L,能够测定相当于含量
~%的微量组分。若是将被测物质加以富集,矫捷
度还可以够提高。
一般比色解析的相对误差为
5~20%,分光光度法的相对误差为
2~5%,其准
确度虽不如容量解析及重量解析,
但对微量组分来说,这个矫捷度还是能够的,
由于微量组
分用容量解析及重量法已无法测定,更谈不上正确了。比方
1滴KMnO滴入100mL水中时,
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仍可获得明显的适于比色解析的颜色,但这一滴溶液在滴定解析中只相当于它的误差的大
小,根本无法进行正确测定。由此看来,比色法的正确度较高,可进行微量组分的解析。
,测定速度快比色法和分光光度法的仪器设备都简单,操作方便。进行解析
时,试样办理成溶液后,一般只经历显色和比色两个步骤,即可得出解析结果。近来几年来,由
于新的矫捷度高、选择性好的显色剂和遮盖剂不断出现,使得一些搅乱物能够不经分别,既能够进行测定。在生产过程的解析中,一般只要几分钟就可以得出结果,对于生产中的快速解析,起了很大的作用。
法进行测定,因此可知,比色及分光光度法应用范围之广泛。在环境监测中,适用最多的也
是分光光度法,绝大多数污染物都能够用分光光度法测定,大多数中小型实验室都能够装备
分光光度计,所以不受仪器设备条件的限制。
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2比色解析及分光光度法的基根源理一、光的基本性质
光是一种电磁波,按波长的序次排列,有:
名称
波长
X射线
~10nm
紫外线
10~400nm
可见光
400~780nm
红外线
780nm~1000μm
无线电波
1~1000m
二、物质的颜色与光的选择性吸取
若是我们把拥有不相同颜色的各种物体放置在黑暗处,则什么颜色都看不到。可见,物质表现的颜色与光有着亲近的关系。一种物质表现何种颜色,是与光的组成和物质自己的构造有关的。
光的组成:
从光自己来说,有些波长的光辉,作用与人的眼睛而引起了颜色的感觉。我们把人眼能
看见的光叫做可见光。其波长范围在400~780nm之间。
白光是由各种不相同颜色的光按必然的比率混杂而成的。若是让一束白光经过三棱镜,就
会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色,每种颜色的光都拥有必然的波长范围,我们
把只拥有一种颜色的光叫单色光,而把白光叫做复合光。
七种单色光能够混杂成白光,若是把合适颜色的两种单色光按必然比率混杂,也能够成
为白光,这两种单色光叫互补色,如图。处于直线关系的两种单色光互为互补色,如绿色和
紫色互补,能够组成白光。
青蓝
蓝青
紫绿
红黄
橙
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物质的构造:
对固体物质来说,当白光照射到物质上时,物质对不相同波长的光辉吸取、反射、透射、
折射的程度不相同,而使物质表现出不相同的颜色。若是物质对各种波长的光完好吸取,则显黑
色;若是物质对各种波长的光完好反射,则显白色。若是物质选择性地吸取某些波长的光,
则该物质的颜色由它所反射或投射的光的颜色来决定。
对溶液来说,其颜色是由于溶液中的物质(分子、离子)选择性地吸取某些颜色的光引
起的。若是光全部透射,则溶液是无色透明的;若是只让一部分波长的光透过,其他波长的
光被吸取,则溶液就表现透过光的颜色,即,溶液表现的颜色是它吸取光的互补色。如,
CuSO4溶液在600nm处有吸取峰,此波长下吸取的是黄光,其互补色为蓝色,所以我们看到
的CuSO4溶液表现出蓝色。
若是测量某种物质对不相同波长单色光的吸取程度,以λ为横坐标,以A(absorption)
为纵坐标,可获得一条曲线——光吸取曲线。
例:KMnO4溶液的光吸取曲线(见教材)
谈论:,KMnO4溶液对波长525nm的绿光吸取最大,而对紫色和红色光吸
收最弱,溶液表现紫色。光吸取程度最大处的波长——最大吸取波长λmax。
浓度不相同时,光吸取曲线形状相同,最大吸取波长不变。
浓度不相同时,相应的吸光度大小不相同。浓度越大,吸光度越大,比色就是以此为
依照的。
三、光吸取定律
当溶液的浓度一准时,光的吸取程度与液层厚度成正比——Lamber定律。
入射光强
吸光度
C必然,AlgI0
k1L
I
液层厚度
透射光强比率常数
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(若是吸光物质溶于不吸光的溶剂中),当液层厚度一准时,光的吸取程度和吸光物质
的浓度成正比——Beer定律。
L必然,AlgI0k2C
I
—Beer定律
若是要求同时考虑溶液浓度C和液层厚度L对光吸取(A)的影响,可将上述两定律合并,
即Lamber—Beer定律。
当一束单色光经过平均溶液时,其吸光度与溶液的浓度、厚度的乘积成正比——Lamber
—Beer定律。
AlgI0kCL
I
式中:k—比率系数,与入射光的波长、物质的性质、溶液温度有关。
透射光强度I
透光率T
入射光强度I0
AlgTkCL
II0,T1100%,溶液无吸取,A0
吸光吸数、摩尔吸光吸数
AkCL
式中k的单位随C、L单位不相同而不相同。
浓度C
g/L
mol/L
液层厚度L
Cm
Cm
比率常数k
吸光系数
摩尔吸光系数
a(L/g·Cm)
ε(L/mol·Cm)
L—B定律
AaCL
ACL
例:已知Fe2+的浓度为500μg/L,用邻二氮菲比色法测
Fe2+,比色皿长度
L为2Cm,在波长
508nm处测得吸光度
,计算摩尔吸光系数。
解:CFe2
500
106g/L
106mol/L
A
CL
A
104(L/molCm)
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注:①ε表示物质对某一特定波长光的吸取能力。
②ε越大,则该物质对某波长光的吸取能力越强。
③ε越大,比色测定的矫捷度越高。
④ε与C、L没关,与物质的性质有关,为了提高矫捷度,应选择ε值大的有色化合物。
偏离Lamber—Beer定律的原因
非单色光
②化学因素
③其他因素(如含有胶体、乳浊液、悬浮物质等)
§3比色解析方法和仪器
一、目视比色
用眼睛比较被测溶液同标准溶液(standardsolution)颜色深浅的比色方法——目视
比色法。
在这类比色法中,最简单和使用最多的是标准系列法。
标准系列法一般是取一套相同玻璃质料制造的、形状大小相同的比色管(不能几套混
用),向管中逐一加入不相同浓度的标准溶液,其他试剂的加入量相同,尔后稀释到刻度,即
形成颜色由浅到深的标准色阶。另取一支比色管,加入被测溶液,和与标准色阶相同体积的
试剂,稀释到刻度。尔后从管口垂直向下观察,并与标准色阶比较,若试液与某一标液颜色
深度相同,则可确定试液的浓度与该色阶浓度相同;若是被测试液介于两标液之间,可取两
标液的平均值来表示该溶液的浓度。
目视比色法的优点:
设备与操作简单;
因比色管较长,对颜色很淡的溶液(稀溶液)也能测出其含量,所以测定矫捷度高;
比色法可在复合光(白光)下测定,且测定条件相同,所以某些不完好吻合吸取定律的显色反应,也可用目视比色法测定;
适于野外大批试样的解析。
目视比色法的缺点:
由于好多有色溶液不够牢固,注明系列不能够久存,经常需要在测准时同时配制,比较费时费事。为了战胜这一缺点,有时采用某些比较牢固的有色物质来配制标准色阶,如
必然比率的K2Cr2O7(橙色)、CuSO4(蓝色)、CoSO4(粉色)配成标准色阶,也可制成各种
色阶的有色玻璃、有色纸片(pH试纸)等来代替标准色阶。
,一般相对误差为±
5~20%。
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二、仪器比色方法
光电比色计滤光片
仪器
分光光度计光栅或棱镜
(一)工作原理及仪器构造
原理
光电比色和分光光度比色原理是相同的,都是比较溶液对某一波长光的吸取程度。
光电比色法波长范围宽的光
滤光片
光源
I0
I
有色溶液
光电池
近似单色光
光栅或棱镜
电流
检流计
分光光度法波长范围窄的单色光
AorT
光电池产生的电流透射光强度溶液的浓度
仪器构造
⑴光源
常用光源为6~12V钨灯,波长:300~1000nm,电源由变压器供给,为了保持光源强度
的牢固,以获得正确的结果,电源的电压必定牢固,所以采用磁饱和稳压器作为电源。为了
使经过溶液的光辉变成平行光束,在光源后,有聚光透镜。
⑵单色光器
仪器比色法是以Lamber—Beer定律为基础的,而这个定律是建立在单色光上,即只有
当入射光为单色光时,AkCL才建立。所以需要将单色光(复合光)变成单色光。
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将连续光源发出的连续波长的光分解为单色光的装置——单色器。
光电比色计滤光片
仪器
分光光度计光栅或棱镜
滤光片
滤光片的作用:主要使有色溶液吸取最大的那部分波长范围的光经过,吸取其他波长的光。
滤光片的质量:用半宽度来表示。
比方:470nm的蓝色滤光片,λmax=470nm——光强I,在1/2I处,λ=442~498nm,半宽
度:56nm。半宽度越小,滤光片的选择性吸取越好,透过的单色光越纯。
滤光片的选择:在比色解析中,正确地选择滤光片很重要。要正确地选择合适的滤光片,应
依据有色溶液、滤光片透过最大的波长及半宽度。
一般来说,选择滤光片的原则是:滤光片最易透过的光应是有色溶液最易吸取的光。
①滤光片只赞同和它颜色相同的光辉经过,如:绿色滤光片可透过绿光;
②有色溶液吸取与所见颜色互补的光;
③所以,比色中采用的滤光片颜色应是待测溶液颜色的互补色。
比方:KMnO4为紫色,互补色:绿色(KMnO4吸取最多),∴选择绿色滤光片。
在实质工作中,有时溶液的颜色用眼很难差别,就难以选择滤光片。所以,常用实验的
方法,即:用不相同的滤光片对同一溶液比色,测吸光度,其中吸光度大者,即为与该溶液互
成补色的滤光片。
棱镜及光栅
用它们作单色器,可将复合光分成波长范围很窄的单色光。一般半宽度为
5~10nm,
使单色光纯度高。依照最大吸光度,来确定波长范围。测定的矫捷度、选择性、正确度高。
⑶比色皿
①用透明物色的玻璃、石英制成
②长方形
③,1,2,3,5cm比色皿镉4各个为一套
④比色皿的厚度应相同
⑤对光的吸取程度应相等,若相差太大,不能够配套使用。检查方法:把比色皿放上同一溶液,在同一波长下,测定T,读数一致可使用,%不能够配套使用。
⑷光电池
光电池是利用光电效应测量光强的部件。其种类好多,其中最常用的是硒光电池。其构造如图。
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金属薄膜
硒
铁or铝
光电池工作原理:当光辉透过金属膜照到半导体硒时,在它的表面就由电子放出,跑向金属
膜,使其带负电,成为电池的负极,硒层失去电子后带正电,所以铝片也带正电,成为光电
池的正极。由于半导体的特点决定了电子只能向一个方向搬动,不能够向相反方向搬动。所以
金属膜上的电子不能够穿过界面再回到硒层,要经过外电路才能回来。所以用导线将金属膜与
铝片相连,则产生电流。光电池输出的电流与照射的光强成正比,由此可用矫捷的电流计来
测量光强,进而确定待测溶液的浓度。
光电池使用注意事项:光电池受光照射或长时间使用,会产生疲倦,矫捷度降低,即在光强
不变的情况下,光电流下降。所以,在使用时,应注意:
①防范强光直接照射光电池(光电比色计:放滤光片后,给光;72、721:不用时切断光路);②长时间使用,中间应将光电池置于暗处休息,正常后使用;③光电池应注意防潮。
⑸光电管
有的仪器使用光电管代替光电池。光电管是一种二极管。管内能够抽成真空——真空光
电管;管内也可充进一些气体——充气光电管。在玻璃或石英泡内装有:阳极——Ni环或Ni片;阴极——氧化色涂在金属片上。氧化铯是一种光敏物质,受光照射后,放出电子,电子挣脱原子拘束,在电场的作用下,移向高电位的阳极,形成光电流,光电流的大小与光
强成正比。
电池的作用:供给电场、补充电子数。
由于产生的光电流很小,需要用放大装置将讯号放大后,才能用微安表测量。
⑹检流计或记录仪
在使用检流计时应注意:防范震动;防范大电流经过;仪器不用时,将检流计开关指向
0,使其短路。
检流计标尺上刻有两种刻度,等刻度的表示T%,对数刻度的表示A。
lgT∴对数关系
T100%Alg10光全部透射,没有吸取
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T
50%
A
T
10%
A
1
T
0
A
lg0
光没有透射,全部吸取
(二)光电比色及分光光度的定量解析方法
单一物质的测定
⑴标准曲线法(此法最为常用)
※配制不相同浓度的标准样品加显色剂加其他试剂,进行比色,测得A,以A—C作图,获得
工作曲线(先进行数据办理,检查线性关系和线性回归)
※试液加显色剂加其他试剂,进行比色,测得Ax,查图得Cx
※原理:AkCLAC,呈线性关系
A
Ax
CxC
⑵比较法
依照Lamber—Beer定律,AskCsL,AxkCxL,使用同一比色皿,厚度L相同;
测定条件相同,k相同,
AsCs
AxCx
CxAxCs
As
使用一标准溶液(已知浓度Cs),测As,另用试液测Ax,求出Cx即可。
在使用这类方法时,应注意使标液的Cs与Cx凑近,否则会有较大的误差。在以下情况
下能够使用比较法:;、毒性大。
分光光度法的最大优点是能够测定溶液中两种或两种以上的组分。
若是两组分的吸取曲线互不搅乱,能够选择各自最大吸取波长分别进行测定。
若是两组分的吸取曲线相互搅乱,则可用解联立方程的方法,求出各组分的含量。
例:钢中Cr和Mn的测定。试样办理后获得
2-
—
(紫色),两颜色凑近,吸
Cr2O7
(橙色)和MnO
4
收曲线见图。在
440nm下,CrO
2-
最大吸取波长下,
—
有部分吸取;在
—
MnO
540nm下,MnO
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2-
有部分吸取。此时,若是分别选择
440nm和540nm测定CrO
2-
和MnO
最大吸取波长下,CrO
2
7
2
7
4
—各自浓度时,会有搅乱。所以采用解联立方程的方法求得待测物的浓度。
(三)仪器比色的特点
仪器法和目视比色法在原理上其实不完好相同。光电比色和分光光度比色法是比较有色溶
液对某一波长光的吸取情况,而目视比色法是比较透过光的强度。
如:测定KMnO4溶液的含量时,光电、分光法测量的是KMnO4对黄绿光的吸取情况;目视比
色则比较KMnO4溶液红紫光透过的强度。
仪器法的优点:
用光电池代替人眼进行测量,除掉了人的主观误差,提高了正确度;
在有其他有色物质共存时,能够采用滤光片或采用光栅、棱镜进行分光,使搅乱物在待测物的最大吸取波长下不产生搅乱,也能够选择参比液来除掉搅乱,所以提高了测定的选择性。
4比色解析的条件选择
一、显色反应和显色条件
(一)显色反应、显色剂及其选择
在比色解析中,将试样中被测组分转变成有色化合物的反应——显色反应。
显色反应可分为:络合反应(最主要的显色反应)、氧化还原反应。
与被测物化合成有色物质的试剂——显色剂。同一组分常可与多种显色剂反应,生成
有色化合物。其原理和矫捷度相差甚多。一种被测物应该用哪一种显色反应,可依照所需标准
加以选择。显色反应的标准是:
选择性好,搅乱少
一种显色剂最好只与一种被测组分显色,
②也许搅乱离子易除掉,
③也许显色剂与待测组分及搅乱物生成的有色化合物的吸取峰相隔较远。
矫捷度高
由于吸光光度法一般用于测量微量组分,要求矫捷度高,这样有利于微量组分的测定。
矫捷度用摩尔吸光系数ε表示,ε越大,矫捷度越高。注意:矫捷度高的反应,不用然选择
性好,应综合考虑。
有色化合物的组成恒定,化学性质牢固
若有色化合物的组成不吻合化学使,测定的再现性就差;有色化合物若不牢固,易受
O2的氧化,光照分解,就会引入误差。此时应注意控制反应条件。
显色剂自己的颜色应与有色化合物的颜色有较大差别,即在最大吸取波长下,不产生吸取。
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