12 第十二章 可见分光光度法.docx

第1页：物质对光的选择性吸收

光是一种电磁波，人眼能感觉到的可见光在电磁波谱中约处于 400~750 nm。单色光是单一波长的光，复合光由各种单色光组成（如白光）。

物质的颜色与互补色：溶液的颜色由溶液中物质对光的选择性吸收引起，由透过光的波长决定，如 Cu²⁺ 与 Fe³⁺ 溶液呈现各自的颜色。按一定强度比例能组成白光的两种色光互为互补色光；同一物质对不同波长光表现出不同吸收能力，即选择性吸收。

选择性吸收的本质：吸收的实质是价电子的能级跃迁，产生吸收的条件为 ΔE = E₂ − E₁ = hν。不同物质的微粒因结构不同而具有不同的量子化能级，能量差也不同，因而吸收具有选择性。

吸收曲线（吸收光谱）：测量有色溶液对各波长光的吸光度 A 并作 A—λ 曲线即得，曲线中吸光度最大处对应的波长称最大吸收波长 λ_max。吸收曲线的作用有三：定量分析的依据（同一物质浓度增大则吸光度增大，在 λ_max 处尤为明显）、选择测量波长的依据（λ_max 处吸光度随浓度变化幅度最大、测定最灵敏）、定性与结构分析的依据（不同物质的曲线形状与 λ_max 一般不同）。

Lambert-Beer 定律：I₀ = I_a + I_t，溶液对光的吸收程度 A = lg(I₀/I_t) = lg(1/T) = Kbc。式中 T = I_t/I₀ 为透光率，A 为吸光度，b 为液层厚度（cm），K 是与吸光物质性质、波长、溶剂及温度有关的常数。

第2页：摩尔吸光系数与定律的适用条件

当 c 取 g·L⁻¹、b 取 cm 时 K 以 a 表示，称吸光系数（L·g⁻¹·cm⁻¹）；当 c 取 mol·L⁻¹ 时 K 以 ε 表示，称摩尔吸光系数（L·mol⁻¹·cm⁻¹），a = ε/M。ε 在数值上等于浓度为 1 mol·L⁻¹ 的吸光组分在光程 1 cm 时的吸光度；实验测得的称为表观摩尔吸光系数。

例题：每升含铁 3.00 mg 的标准溶液经处理后以邻菲罗啉显色，用 2.0 cm 比色皿在 510 nm 处测得吸光度 1.20。c(Fe³⁺) = 3.00 × 10⁻³/55.85 = 5.37 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹，ε = A/(bc) = 1.20/(2.0 × 5.37 × 10⁻⁵) = 1.1 × 10⁴ L·mol⁻¹·cm⁻¹。

摩尔吸光系数的意义：是定性与结构分析的参数（同一组分在不同波长或溶剂中 ε 不同，不同组分在同一波长与溶剂中 ε 也不同），并可估量定量方法的灵敏度：ε > 10⁵ 为超高灵敏度，ε = (6~10) × 10⁴ 为高灵敏度，10⁴~5 × 10⁴ 为中等灵敏度，小于 2 × 10⁴ 为低灵敏度。

Lambert-Beer 定律的意义：一束平行单色光通过均匀、非散射的吸光溶液时，吸光度与吸光组分浓度及液层厚度的乘积成正比，即 A = εbc。该定律也适用于其它均匀的、非散射性的吸光物质（固、液、气）。多组分系统若无相互作用，则 A_总 = A₁ + A₂ + … = ε₁bc₁ + ε₂bc₂ + …，即吸光度具有加和性；固定 b 时 A = K′c，A—c 曲线即标准曲线（工作曲线）。

偏离定律的主要因素：实际工作中尤其在浓度较高时，A 与 c 不成线性的现象称为偏离，主要因实际情况不能满足定律的基本假设（入射光为单色光、粒子独立无相互作用）。非单色光是原因之一。

第3页：偏离定律的原因与比色法、分光光度法

非单色光的影响：设入射光由 λ₁、λ₂ 两种单色光组成，则 A_总 = lg(I₀₁ + I₀₂)/(I_t1 + I_t2)，可推得 A_总 = A₁ + lg[I_t1 + I_t210^{(ε₂−ε₁)bc}] − lg(I_t1 + I_t2)。显然 ε₂ = ε₁ 时 A_总 = A₁ = ε₁bc；ε₂ > ε₁ 时产生正偏离，ε₂ < ε₁ 时产生负偏离。若单色光较纯或所选测量波长处吸收峰较平坦（λ₁ ≈ λ₂，ε₂ ≈ ε₁），则不易偏离；且这种偏离随浓度增大而加剧，故定律只适用于稀溶液。

溶液的化学因素：吸光组分间因缔合、离解及其它相互作用，随浓度增大不成线性增加而产生偏离。如 Cr₂O₇²⁻ 与 CrO₄²⁻ 在水溶液中存在缩聚平衡 2CrO₄²⁻(黄) + 2H⁺ ⇌ Cr₂O₇²⁻(橙) + H₂O，酸度或浓度改变时两者相对浓度随之而变，从而引起偏离。一般 c > 10⁻² mol·L⁻¹ 时就可能因质点间相互作用而影响吸收。

目视比色法：采用标准系列法，通过人眼比较溶液颜色深浅测定；原理是比较透过光强度，当 I_t标 = I_t试 时 c_标 = c_试。特点是快速简便、可在复合光下测定，但准确度较差（相对误差约 5~10%），常用于中小型工厂的中控分析与限量分析。

可见光分光光度法：比较有色溶液对一定波长单色光的吸收程度。仪器基本组成包括光源系统（辐射足够强度且稳定的连续光谱，一般采用钨灯或钨卤素灯，钨灯辐射波长范围 320~2500 nm，但强度与稳定性不如钨卤素灯）、分光系统、吸收系统与检测显示系统。

第4页：分光光度计的组成与显色反应

分光系统（单色器）：主要作用是将连续光谱分解为测定所需的单色光，主要元件为棱镜或光栅等色散元件；使用时须按规程调节出射狭缝以防损坏。

吸收系统：用于盛放吸光溶液并固定吸收光程，主要部件是吸收池（比色皿），使用时应注意保持光洁，特别是两个受光面。

检测显示系统：将通过吸光溶液的光信号转变为电信号再显示或记录，主要元件为光电管或光电倍增管（小型仪器用光电管）。光电管由阳极与光敏阴极组成，光敏阴极受足够能量的光子照射时发射电子，在电场作用下形成光电流，其大小取决于光强度。光强不变而光电流逐渐下降的现象称光电疲劳效应，主要由光敏元件长时间或受强光照射引起，故不能在仪器处于吸光度测量状态下长时间开着暗室盖。

显色反应：将待测组分 M 转变为有色化合物 MR 的过程称为显色，所用试剂称显色剂。显色反应分氧化还原反应（如 Mn²⁺ 被 S₂O₈²⁻ 氧化为 MnO₄⁻）与配位反应（多数显色反应以此为主）。

显色反应的选择：含量低、干扰少时一般选高灵敏度（ε_max > 6 × 10⁴）的反应；含量较高、选择性较差且干扰难以消除时选中、低灵敏度（ε_max < 5 × 10⁴）的反应。显色剂在测定波长处应尽量无吸收，或使对比度 Δλ = |λ^MR_max − λ^R_max| ≥ 60 nm；生成的有色物质 MR 应足够稳定。

第5页：显色条件、测量波长与参比溶液

显色反应条件的选择包括显色剂用量、显色温度、显色时间、溶剂以及干扰的消除。酸度会影响显色剂的有效浓度与颜色、待测离子的存在形式以及配合物组成，如 Fe³⁺ 与磺基水杨酸（SSal）在不同 pH 下分别生成紫红（pH 1.8~2.5）、棕褐（4~8）与黄色（8~11.5）的配合物。显色剂用量的影响也有多种情况，如 Fe³⁺ 与 SCN⁻ 会随 SCN⁻ 浓度变化形成配位数 1~6 的配合物，颜色随之改变。

显色剂：无机显色剂有硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等；有机显色剂种类繁多，如偶氮类与三苯甲烷类（铬天青 S、二甲酚橙等）。分子中形成共轭体系时能使物质产生颜色的不饱和基团称发色团（生色团），如 —N=N—、C=O、C=S、—N=O；具有孤对电子、与生色团相连使颜色加深的基团称助色团，如 —NH₂、—OH、—SH、—Cl。

测量波长的选择：一般按“最大吸收原则”选 λ_max 为入射光波长；若 λ_max 处有共存组分干扰或吸收峰太尖锐，则按“吸收最大、干扰最小”的原则选择。

参比溶液的作用与选择：用于抵消有色溶液中非待测组分的吸收、散射，以及比色皿对入射光的吸收与反射，使测得的吸光度真正反映待测溶液的吸光强度。选择方法为：试液与显色剂在测定波长处均无吸收时用纯溶剂（水）作参比；显色剂或其它试剂略有吸收而试液无吸收时用试剂空白；试液有吸收而显色剂无吸收时用试样空白；显色剂与试液中其它组分均有吸收时，可在试液中加入适当掩蔽剂掩蔽待测组分后再加显色剂作参比，如用铬天菁 S（CAS）测定钢中铝时，取一份试液加 NH₄F 掩蔽 Al³⁺，再加入所需 CAS 及其它试剂配成参比溶液。

第6页：吸光度测量范围与含量的测定

吸光度测量范围：浓度测量的相对误差 Δc/c 与透光度的绝对误差 ΔT 有关，一般分光光度计的 ΔT 约为 ±0.2%~±2%。假定 ΔT 为 1%，则测定时应尽量使溶液透光率控制在 T = 20%~65%（吸光度 A = 0.70~0.20）；当 T = 36.8%（A = 0.434）时浓度测量的相对误差最小。控制吸光度测量误差的措施有稀释或增大浓度、改变比色皿厚度、选择合适的测量波长。

单组分的测定：标准曲线法（固定 b 时 A = K′c）、回归法（由实验数据求回归方程，再代入未知溶液吸光度求含量）与示差法（适用于待测组分含量较高）。示差法与一般方法的主要不同在于参比溶液，其次需要较大的入射光强度：以浓度稍低于待测液的标准溶液为参比，设待测浓度为 c_x、参比浓度为 c_s（c_s < c_x），则 ΔA = A_x − A_s = εb(c_x − c_s) = εbΔc，ΔA 与 Δc 同样呈线性。示差法之所以能测高含量组分，是因为透光率标尺相当于被扩展（如普通法中 c_s 的 T = 10%、c_x 的 T = 5%，示差法中以 c_s 调 T = 100% 时 c_x 的 T = 50%，标尺扩展 10 倍）。

多组分的同时测定：若各组分吸收曲线互不重叠，可在各自最大吸收波长处分别测定；若互相重叠，则据吸光度加和性原理用解联立方程法测定：

A_λ1 = ε_a,λ1bc_a + ε_b,λ1bc_b；A_λ2 = ε_a,λ2bc_a + ε_b,λ2bc_b

求解联立方程组即可得出各组分含量。

第7页：分光光度法在化学平衡研究中的应用

酸碱离解常数的测定：原理基于酸碱平衡与吸光度加和性。设浓度为 c 的一元弱酸 HL 与其共轭碱 L⁻ 具有不同颜色，在水中离解达平衡时（b = 1 cm）A = ε_HL[HL] + ε_L[L⁻]，且 [HL] = δ_HLc、[L⁻] = δ_Lc。ε_HL 可在高酸度下由 A_HL = ε_HLc 求得，ε_L 可在低酸度下由 A_L = ε_Lc 求得，代入整理即可求出解离常数。

例题：某弱酸 HL 与其共轭碱 L⁻ 颜色不同，用 1 cm 比色皿在 650 nm 处测定：pH = 0.0 时 A = 0.00，pH = 7.0 时 A = 0.588，pH = 11.0 时 A = 0.840。由 pH = 11.0 可认为全部为 L⁻，得 ε_Lc = 0.840；pH = 0.0 时 ε_HLc = 0。故 pH = 7.0 时 δ_L = 0.588/0.840 = 0.70，δ_HL = 0.30，[L⁻]/[HL] = 0.70/0.30 = 2.33，K^θ_a = [H⁺][L⁻]/[HL] = 1.0 × 10⁻⁷ × 2.33 ≈ 2.3 × 10⁻⁷（pK^θ_a ≈ 6.63）。

配合物组成与稳定常数的测定：摩尔法的基本原理是配位未达完全时吸光度随 c_L 或 c_L/c_M 改变而改变。先配制标准系列（固定 c_M、改变 c_L），测定各溶液吸光度并作 A—c_L/c_M 曲线：c_L/c_M < n 时吸光度随 c_L 增大而增大，c_L/c_M > n 时吸光度几乎不变，由转折点即可确定配位比 n。摩尔法适用于离解度小、尤其是配位比高的配合物。

测定稳定常数时，由物料等衡式 c_M = [M] + [ML]、c_L = [L] + [ML]，若 M 与 L 在测量波长处均无吸收，则在 ML 的最大吸收波长处 A = ε_ML[ML]；由 c_L/c_M 较高时恒定的 A₀ = ε_MLc_M 求得 ε_ML = A₀/c_M，代入即可求得 [ML] 并进一步算出稳定常数。