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第 11 章光度分析The Photometric Analysis

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11.1 概述11.2 光吸收的基本定律11.3 分光光度计11.4 显色反应及其影响因素11.5 分光光度法的灵敏度和准确度11.6 分光光度法的应用

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非光谱法 不以光的波长为特征讯号

例如折射法，浊度法，旋光法光谱法

基于物质光化学性质而建立起来的分析方法 -- 光学分析法

在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。

吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析

11.1 概 述

基于被测物质对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法 , 叫吸光光度法 . 包括：比色法：通过比较有色溶液颜色深浅 分光光度法：根据物质对一定波长的光的吸收程度

真空紫外光度法： 10 ～ 200 nm （远紫外光） 紫外吸光光度法： 200400 nm （近紫外区） 可见吸光光度法： 400760 nm

红外光度法： 0.761000 m

依据物质对不同波长范围光的吸收主要有：

本章讨论紫外和可见光区的分光光度法。----- ----- 紫外紫外 -- 可见分光光度法，可见分光光度法， UV-VIS UV-VIS

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(3) 操作简便快速。

11.1.1 11.1.1 分光光度法的特点分光光度法的特点

能够满足微量组分 (<1%) 的测定要求 : Er : 1%～ 5% ，主要用于微量分析

测定下限可达 10-5 ～ 10 -6mol·L-1, 10-4%～ 10-3%

几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可直接或间接地用此法测定。

(2) 准确度较高。

(1) 灵敏度高。

(4) 应用广泛。 样品处理成溶液，显色，测量，仪器设备也不复杂

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11.1.2 11.1.2 光的基本性质光的基本性质

波动性

粒子性

EE

光的折射光的折射光的衍射光的衍射光的偏振光的偏振光的干涉光的干涉

光电效应光电效应

光的波粒二象

性

= =c

Vn

E h

EE：：光子的能量光子的能量 (J, (J, 焦耳焦耳 )) ：光子的频率：光子的频率 (Hz, (Hz, 赫兹赫兹 )) ：光子的波长：光子的波长 (cm)(cm)cc ： 光速： 光速 (2.9979(2.997910101010 cm.s cm.s-1-1))hh ：： PlankPlank 常数常数 (6.626(6.6261010-34-34 J.s J.s 焦耳焦耳 . . 秒秒 ))

hc

hE

结论 : 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 .

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光谱区间光谱区间

射线

x射线

紫外光

红外光

微波

无线电波

10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm

可 见 光400～ 760 nm

200~400nm

近紫外

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11.1.3 11.1.3 物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系

单色光

复合光

单一波长的光单一波长的光

由不同波长的光组合而成的光由不同波长的光组合而成的光

1.1. 单色光，复合光，互补色光单色光，复合光，互补色光

10

　　当复合光照射到物体上时，一部分光被　　当复合光照射到物体上时，一部分光被吸收，而另一部分光则被透射过去。即：吸收，而另一部分光则被透射过去。即：

吸收光 透射光互补互补

物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系

完全透过完全透过

吸收黄色光吸收黄色光

光谱示意光谱示意光的作用方式光的作用方式 表观现象示意表观现象示意

完全吸收完全吸收复合光

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白光 青蓝

青绿黄

橙

红紫 蓝

互补色

13

2.2. 物质对光的选择性吸收

物质对光的吸收满足物质对光的吸收满足 Plank Plank 条件：条件：

hc

hEEE j 0

物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。

M + 热

M + 荧光或磷光M + h M *

基态 激发态E1 （△ E ）E2

300 400 500 600 700 /nm

5251.0

0.8

0.6

0.4

0.2

Ab

sorb

anc

eMnO4

- 的吸收光谱

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3.3. 吸收曲线（吸收光谱） ----- 吸光度 (A)~ 波长 (λ) 曲线

（ 1 ）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 λmax ；

（ 2 ）同一种物质不同浓度下，其吸收曲线形状相似 λmax 不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和 λmax 则不同；

（ 3 ）在 λmax 处吸光度 A 随浓度变化的幅度最大。所以测定最灵敏。此特性可作为定量分析时选择入射光波长的重要依据。

定性分析基础

定量分析基础

物质对光的选择性吸收

在一定实验条件下 , A∝c

A

c

增大

A

B

)(max A )(max B

A

17

11.2 光吸收的基本定律

透光率：0I

IT t

T T 取值为取值为 0.0 % ~ 100.0 0.0 % ~ 100.0 %%全部吸收全部吸收 T = 0.0 %T = 0.0 %

全部透射全部透射 T = 100.0 %T = 100.0 %

入射光强度 I0

透射光强度 It

一束平行单色光

11.2.1 透光率（透射比）与吸光度

1.0

0.5

0

A

c

A

100

50

0

T

%

T TT = 0.0 % = 0.0 %

AA = ∞ = ∞

TT = 100.0 % = 100.0 %

AA = 0.0 = 0.0

1lg -lgA T

T 朗伯－比耳定律朗伯－比耳定律

吸光度 : 描述溶液对光的吸收程度

A,T,C三者的关系

T 越小，溶液对光的吸收越大； 浓度越高，吸光度越大。

Kbc

19

11.2.2 Lambert-Beer 定律

K-- 吸光系数

b-- 吸光液层的厚度 ( 光程 ) ， cm

c-- 吸光物质的浓度， g / L, mol / L

KbcA

当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质时，其吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正比 .

光吸收基本定律

20

多组分体系中，如果各组分之间无相互作用多组分体系中，如果各组分之间无相互作用 ,, 其吸光度其吸光度具有加和性，即具有加和性，即

吸光度的加和性吸光度的加和性

ii

A A

用参比溶液调 T=100%（ A=0），再测样品溶液的吸光度，即消除了吸收池对光的吸收、反射，溶剂、试剂对光的吸收等。

吸光度的测量

21

吸光系数 (K)入射光波长物质的性质 温度

与浓度无关，只是符号、取值与浓度的单位相关

c： mol / L K 摩尔吸光系数， L · mol –1 · cm -1

c： g / L K a 质量吸光系数，　 L · g –1 · cm -1

A bc

A abc

11.2.3 吸光系数

22

例 溶液中铁 ( )Ⅱ 浓度为 5.0×10-4 g·L-1 的，与 1,10- 邻二氮杂菲反应，生成橙红色络合物，该络合物在波长 508 nm ，比色皿厚度为 2cm

时，测得 A=0.190 。计算 1,10- 邻二氮杂菲亚铁的 a及 ε。 (已知铁的相对原子质量为 55.85)

解：根据比耳定律： A = a b c

-1 -1

-4 1

0.190a cm

5.0 10 g L 2cm190 L g

A

cb

-1 -1 4 -1 -11cm 1.1 10 mol cma 190 L g 55.85g molM L

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例题 11-2 某试液显色后用 2.0 cm 吸收池测定时 T＝ 50.0 % ，若用 1.0 cm或 5.0 cm 吸收池测定， T及 A 各为多少？

24

11.3 分光光度计

11.3.1 工作原理及基本部件

光源 单色器 吸收池 检测器 显示设备显示设备

0.575

分光光度计组件

光源

单色器

样品池

检测器

信号输出

氢灯 , 氘灯 ,185 ~ 350 nm; 卤钨灯， 250 ~ 2000 nm.基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定作用：将复合光色散成单色光棱镜光栅

玻璃 , 350 ~ 2500 nm, 石英 ,185 ~ 4500 nm平面透射光栅， 反射光栅

玻璃，光学玻璃，石英

作用：将光信号转换为电信号并放大光电管，光电倍增管，光电二极管等

表头、记录仪、屏幕、数字显示

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11.3.2 常用的分光光度计

单波长单光束分光光度计

0.575

光源光源 单色器单色器

吸收池吸收池

检测器检测器 显示显示

简单，价廉，适于在给定波长处测量 A 或 T，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。

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单波长双光束分光光度计

比值比值

光源光源 单色器单色器

吸收池吸收池 检测器检测器 显示显示

光束分裂器光束分裂器

自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵 敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。

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其他类型分光光度计

多通道仪器：同时测量 200 ～ 820nm 范围内的整个光谱 , 比单个 检测器快 316倍 ,信噪比增加 3161/2 倍 .

纤维光度计 :

将光度计放入样品中 , 原位测量 .

对环境和过程监测非常重要 .

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11.4.1 显色反应和显色剂

11.4 显色反应及其影响因素

显色反应 显色反应 ::将待测组分转变成可能测量的有色化合物的反应。将待测组分转变成可能测量的有色化合物的反应。   M + R MR 被测组分 显色剂 有色化合物

主要有配位反应 ( 为主 ) 和氧化还原反应。

333

Fe2+ 3N N

+N N

Fe

2+

桔红色 桔红色 maxmax

邻二氮菲邻二氮菲（邻菲啰啉）（邻菲啰啉）

30

有机物质有机物质 官能团强吸收官能团强吸收 直接测定直接测定 UV-VISUV-VIS

官能团弱吸收官能团弱吸收 衍生化反应衍生化反应 UV-VISUV-VIS

显色反应显色反应

无机物质无机物质 通常通过显色反应生成吸光系数大的有色通常通过显色反应生成吸光系数大的有色物质进行测定，以提高灵敏度物质进行测定，以提高灵敏度

例如：钢中微量锰的测定， Mn2 ＋不能直接进行光度测定 2 Mn2 ＋ ＋ 5 S2O8

2-＋ 8 H2O =2 MnO4- + 10 SO4

2- ＋ 16H+

将Mn2 ＋ 氧化成紫红色的 MnO4-后，在 525 nm 处进行测定。

31

显色反应应满足下列要求显色反应应满足下列要求 ::

⒈⒈选择性好，选择性好，干扰少或干扰易消除；干扰少或干扰易消除；⒉⒉灵敏度高灵敏度高 ((εε≥10≥1044))

⒊⒊有色化合物的有色化合物的组成恒定组成恒定，化学，化学性质稳定性质稳定；；⒋⒋显色条件易于控制，显色条件易于控制，重现性好重现性好；；⒌⒌对比度大对比度大，有色化合物的与显色剂之间的颜色差别大，，有色化合物的与显色剂之间的颜色差别大， 显色剂在测定波长处无明显吸收。显色剂在测定波长处无明显吸收。

R

A

MR R

MR

λmax>60 nm

32

11.4.2 显色反应条件的确定

显色反应：显色反应： M + R = MR M + R = MR

如如 :: 显色剂显色剂 RR 的浓度及用量的浓度及用量 ;;酸度酸度 ;;温度温度 ;; 显色显色时间时间 ; ;

溶剂及共存干扰离子的掩蔽等等。溶剂及共存干扰离子的掩蔽等等。

选择的总原则：选择的总原则： AAMRMR 最大且恒定最大且恒定

M + R = MRM + R = MR1. 显色剂用量的选择

要将被测组分全部转为有色配合物。实要将被测组分全部转为有色配合物。实际工作中际工作中 ,, 作 作 AA ~ ~ ccRR 曲线曲线 ,,寻找适宜的寻找适宜的ccRR 范围。范围。

A

cR

((a)a)c1

c>c1

((bb))

A

cRc1 c2

c1 < c < c2

A

cR

((c)c)

选择曲线变化平坦处

n3n2

21 )(...)()(

SCNFeSCNFeSCNFe SCNSCN

6523 )()()( SCNMoSCNMoSCNMo SCNSCN

浅红浅红 浅红浅红橙红橙红

OHOH--

酸度的影响酸度的影响

副反应副反应 M + nR = MRnM + nR = MRnHH++

存在型体的变化存在型体的变化 RH = R- + H+ 1 2

生成不同配比的络合物生成不同配比的络合物 例，磺基水杨酸 例，磺基水杨酸 – – Fe Fe 3+3+

pH = 2 ~ 3 FeR 紫红色pH = 4 ~ 7 FeR2 橙色pH = 8 ~ 10 FeR3

黄色

2.2. 溶液酸度的选择溶液酸度的选择

A

pH实际工作中，作 实际工作中，作 AA ~ pH ~ pH 曲线，寻找适宜 曲线，寻找适宜 pH pH 范围。范围。

pH>12 Fe(OH)3 沉淀选择曲线中 A 较大且恒定的平坦区

35

邻二氮菲－亚铁反应完全度与 pH 的关系

柠檬酸盐介质

3

2+

3

N

N

Fe+ F e2+

N

N

桔红色 桔红色 maxmax

pH3～ 8

3.3.显色温度的选择显色温度的选择 作 作 AA ~ ~ TT 曲线曲线 ,, 寻找适宜反应温度。寻找适宜反应温度。

A

T

A

T

A

T

A

T

显色反应常在室温下进行。但是，有些显色反应必需加热显色反应常在室温下进行。但是，有些显色反应必需加热至一定温度才能完成。至一定温度才能完成。

例例 :: 用硅钼蓝法测硅时生成硅钼黄的反应，在室温下需要用硅钼蓝法测硅时生成硅钼黄的反应，在室温下需要10min10min 以上才能成，而在沸水浴中，则只需以上才能成，而在沸水浴中，则只需 30s30s 便能完成。便能完成。

37

4.4.反应时间的选择反应时间的选择有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定，并在较长时间内保持不变；有些虽能迅速完成，但络合物的颜色很快就开始褪色；有些进行很缓慢，溶

液颜色需经一段时间后才稳定。应据实际情况，确定最合适的时间测定。

38

5. 溶剂的影响

有机溶剂常降低有色化合物的离解度，从而提高了显色反应的灵敏度。例，偶氮氯膦Ⅲ法测 Ca2+ ，加乙醇后， A 明显增加 . 此外，有机溶剂还可能提高显色反应的速度。如，氯代磺酚 S测 Nb ，在水溶液中显色需要几个小时，加丙酮后，则只需 30min 。

6.6.干扰及其消除方法干扰及其消除方法

⒈ ⒈ 控制溶液酸度，使干扰离子不显色控制溶液酸度，使干扰离子不显色⒉ ⒉ 加入掩蔽剂加入掩蔽剂 ((配位掩蔽剂、氧化还原掩蔽剂配位掩蔽剂、氧化还原掩蔽剂 ))

⒊ ⒊ 利用参比溶液消除显色剂和共存离子干扰利用参比溶液消除显色剂和共存离子干扰

⒌ ⒌ 预分离预分离A

X

max

Y

⒋ ⒋ 选择适当的入射光波长选择适当的入射光波长 (( 如图如图 ))

40

11.5.1 灵敏度的表示方法

11.5 分光光度法的灵敏度和准确度

越大 , 灵敏度越高 :

>105 超高灵敏度

=(5～ 10） ×104 高灵敏 =(1～ 5)×104 较高灵敏度

<1 × 104 低灵敏度

41

S 小灵敏度高 ; 相同的物质 , M 小则灵敏度高 .

桑德尔桑德尔 (Sandell)(Sandell) 灵敏度灵敏度 :: SS 截面积为截面积为 1cm1cm22 的液层在一定波长或波段处，测得的液层在一定波长或波段处，测得AA=0.001=0.001 时，所含物质的最低质量时，所含物质的最低质量 ((μμg/cmg/cm22))

M

S

例： 邻二氮菲光度法测铁 ：

ρ(Fe2+)=1.0mg/L, b=2cm , A=0.38 , 计算 ， S

解： c(Fe2+)=1.0×10-3 g/L /55.85g/mol =1.8×10-5mol/L

4 -1 -1-5

0.38= = 1.1 10 L mol cm

2 1.8 10

（ ）

S=M/ =55.85/1.1×104=0.0051 (g/cm2)

43

11.5.2 分光光度法测量条件的选择

1. 入射光的波长的选择

““吸收最大，干扰最小吸收最大，干扰最小””

在光度分析中，仪器测量误差是实验误差的主要因素。为使测定结果有较高的灵敏度和准确度，必须注意测量条件的选择：

44

例 丁二酮肟比色法测钢中的镍，丁二酮肟镍 λmax≈470nm，

试样中的铁用酒石酸钠钾掩蔽后，在 470nm也有吸收，对测定有干扰。当 λ 测＞ 500nm后，干

扰较小。因此，可在 520nm处测定，否则，要分离铁后才能测定 .

2. 吸光度读数范围的选择 　

10

8

6

4

2

020 40 60 800.7 0.4 0.2 0.1 A

T%

Er%

(36.8)

0.434

最佳值最佳读数范围

r0.434

lg

( 0.01)

c TE

c T T

T

浓度测量的相对误差与 T(或 A) 的关系

实际工作中，应控制 T =15～ 65％ , A=0.2～ 0.8 ( 方法：控制 c 或 b )

TlgT

T.

c

c 4340

bcTlgA bdcdT

T

.Tlnd.Tlgd

43404340

TlgT

dT.

c

dc 4340

微分：

两式相除得：

以有限值表示可得：

若读数的绝对误差为△ T=1% ，用不同的 T代入上式，可得相应浓度测量的相对误差△ c/c ，作图　

测定结果的精度常用浓度的相对误差△ c/c 表示 , （ Δc/c ）不仅与仪器的透光度误差 ΔT 有关，而且与其透光度读数 T 的值也有关

例 例 某钢样含镍约某钢样含镍约 0.12%0.12% ，用丁二酮肟光度法（，用丁二酮肟光度法（ ε=1.3×10ε=1.3×1044L·molL·mol-1-1

·cm·cm-1-1）进行测定。试样溶解后，转入）进行测定。试样溶解后，转入 100mL100mL 容量瓶中，显色，容量瓶中，显色，再加入水稀释至刻度。取部分试液于波长再加入水稀释至刻度。取部分试液于波长 470nm470nm 处用处用 1cm1cm 吸吸收池进行测量，如果希望此时的测量误差最小，应称取试样多收池进行测量，如果希望此时的测量误差最小，应称取试样多少？少？ ((镍镍 : 58.69): 58.69)

解： A= εb C C=A/ εb

将 A=0.434 b=1 ε=1.3×104 L·mol-1 ·cm-1 代入上式 C=0.434/ 1.3×104 =3.34 ×10-5 mol · L-1

设应称取试样 Wg ，则 :

W × 0.12% =100 × 10-3 × 3.34 ×10-5 ×58.69

W=0.16g

48

3. 参比溶液的选择

参比液选用原则：使测量的 A 真正反映待测物浓度

待测试样待测试样 显色剂和试剂显色剂和试剂 参比溶液的选用参比溶液的选用

无色无色 无色无色 溶剂空白（纯溶剂或蒸馏水）溶剂空白（纯溶剂或蒸馏水）

其它组分有色其它组分有色 无色无色 试样空白（不加显色剂的样品溶液）试样空白（不加显色剂的样品溶液）

无色无色 有色有色 试剂空白（不加试样的空白溶液）试剂空白（不加试样的空白溶液）

有色有色 有色有色 褪色空白（加掩蔽剂将待测组分掩蔽起褪色空白（加掩蔽剂将待测组分掩蔽起来，再加入显色剂、试剂作参比液来，再加入显色剂、试剂作参比液

49

11.6 分光光度法的应用

11.6.1 单组分含量的测定1.标准工作曲线法 先配制一系列标准溶液，在最大吸收波长处，测出它们的吸光度，作图，同条件测未知液的吸光度，从图中查出未知液的浓度

c

A

标准工作曲线图

Ax

cx

c1 c2 c3 c4 c5

A1 A2 A3 A4 A5

50

2.2.标准对照法标准对照法

A cc

A 样 标

样标

只需一份标准溶液即可计算出试液的浓度，简单方便。只需一份标准溶液即可计算出试液的浓度，简单方便。

51

3.3. 吸收系数法 吸收系数法

Ac

b 样

样

当无标准溶液可供时，查文献 值，计算出试液的浓度 当无标准溶液可供时，查文献 值，计算出试液的浓度

52

以浓度为 Cs 的标准溶液为参比

( )x x s x s xA A A b C C b C

x x sC C C

（ Cx > Cs ）适宜 高 浓度的测定

ΔA

△C△Cx

ΔAx

差示工作曲线

方法：标准溶液 Cs 、 C1、 C2、 C3…… 。以 Cs 作参比，调 A = 0. 测C1 、 C2、 C3……的△ A 。

4. 示差法

作△ A~ C△ 差示工作曲线 .同条件下测△ Ax.从中查出△ Cx.

53

11.6.2 多组分含量的测定

1. 吸收光谱互不重叠

在 1 处测组分 x, 在 2 处测组分y.

1 2

54

在 2 处测组分 y; 在 1 处测总吸收 ,扣除 y 吸收 , 可求 x.

2. 吸收光谱单向重叠

1 1 1

X Y Y XXA A bc

1 2

55

根据加合性原则yx AAA 111 y

yx

x bcbc 11

yx AAA 222 yy

xx bcbc 22

解联立方程，可求得 Cx, Cy

为物质的特征参数，可通过配制标准溶液测得 :由x,y标液在 1, 2 处分别测得 .

A

X Y

1 2

x,y 组分不能直接测定

3. 吸收光谱双向重叠

56

M + n R MR⇌M + n R MR⇌ nn

11.6.3 配合物组成的测定

1. 摩尔比法 (饱和法 )

固定 cM ,改变 cR 从 0 开始增大 CMRn

CR

57

R = 0, M = 0, MRn >0 R > 0, M > 0, MRn =0

AA

CR/CMn

A

CR/CM

n

在特定波长测定，作 A-CR/CM 曲线：

外推法得一交点，从交点向横坐标作垂线，对应比值即络合比 n 。

该法简单、快速，对离解度小的络合物，可得满意结果

58

2. 等摩尔连续变化法

M R (c c c ） 常数 CM / C 从 0 →1

R = 0, M = 0, MRn >0 R > 0, M > 0, MRn =0

0 0.5 1.0

A

CM / C0.33

CM / C =0.5， CR/CM=n = 1,

CM / C =0.33 ， n = 2,

0 0.5 1.0

A

CM / C

59

1. 了解分子对光的吸收 . 吸收曲线—定性分析的基础；2. 掌握光吸收基本定律 :朗伯 - 比尔定律—定量分析基础；3. 分光光度计基本部件 ;

4. 显色反应及条件的确定 : 显色剂用量、酸度、时间、温度、干扰及消除；

5. 灵敏度的表示方法— 、 S ；6. 吸光测量条件的选择：波长、吸光度读书范围及参比；7.熟悉熟悉分光光度法的分光光度法的应用及方法 : 单一组分测定、多组分

测定、络合物组成的测定。

本章教学要求本章教学要求

60

作业： p366

11-4 计算题： 3~5