第20章 比色法和分光光度法
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第20 章吸光光度法吸光光度法(light absorption method)是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法。
包括比色法(colorimetric method)和分光光度法(spectrophotometry)。
前者是通过比较有色溶液颜色深浅来确定有色物质的含量;后者是根据物质对一定波长光的吸收程度来确定物质的含量的。
分光光度法包括紫外分光光度法(ultraviolet spectrophotometry)、可见光分光光度法(visible spectrophotometry)、红外分光光度法(infrared spectrophotometry)。
本章主要讨论可见光分光光度法。
20.1 概述20.1.1 物质对光的选择性吸收1. 光的性质光是一种电磁波,具有波粒二象性。
光的偏振、干涉、衍射、折射等现象就是其波动性的反映,波长λ与频率ν之间的关系式:λν=c (c为光速)亦反映光的波动性。
光又是由大量具有能量的粒子流所组成,这些粒子称为光子。
光子的能量则反映微粒性,光子的能量E 与波长λ的关系:E = hν = hc/λ(h为普朗克常量)亦可用来表示光的微粒性。
由上述关系可知,光子的能量与光的波长(或频率)有关,波长越短,光能越大,反之亦然。
光的能量范围很广,在波长或频率上相差大约20个数量级。
不同光的波长范围及其在分析化学中的应用情况见表20-1。
表20-1 各种光的波长范围及其在分析化学中的应用情况光的名称波长范围跃迁类型分析方法X-射线远紫外光近紫外光可见光近红外光中红外光远红外光微波无线电波10-1~ 10nm10 ~ 200nm200 ~ 400nm400 ~ 750nm0.75 ~ 2.5μm2.5 ~ 50μm50 ~ 1000μm0.1 ~ 100cm1 ~ 1000mK和L层电子中层电子价电子价电子分子振动分子振动分子振动和低位振动分子转动X射线光谱法真空紫外光度法紫外光度法比色及可见光度法近红外光谱法中红外光谱法远红外光谱法微波光谱法核自旋共振光谱2. 物质的颜色与其对光的选择性吸收光可分为单色光与复合光,单色光(chromatic light)是仅具有单一波长的光,而复合光(polychromatic light)是由不同波长的光(不同能量的光子)所组成。
第20章 吸光光度法思 考 题1. 什么叫单色光?复色光?哪一种光适用于朗伯-比耳定律?答:仅具有单一波长的光叫单色光。
由不同波长的光所组成光称为复合光。
朗伯--比耳定律应适用于单色光。
2. 什么叫互补色?与物质的颜色有何关系?答:如果两种适当的单色光按一定的强度比例混合后形成白光,这两种光称为互补色光。
当混合光照射物质分子时,分子选择性地吸收一定波长的光,而其它波长的光则透过,物质呈现透过光的颜色,透过光与吸收光就是互补色光。
3. 何谓透光率和吸光度? 两者有何关系?答:透光率是指透射光强和入射光强之比,用T 表示 T =tI I 吸光度是吸光物质对入射光的吸收程度,用A 表示,A εbc =,其两者的关系 lg =-A T4. 朗伯-比耳定律的物理意义是什么? 什么叫吸收曲线? 什么叫标准曲线?答:朗伯--比耳定律是吸光光度法定量分析的理论依据,即吸光物质溶液对光的吸收程度与溶液浓度和液层厚度之间的定量关系。
数学表达式为 lg A T εbc =-=吸收曲线是描述某一吸光物质对不同波长光的吸收能力的曲线,即在不同波长处测得吸光度,波长为横坐标,吸光度为纵坐标作图即可得到吸收曲线。
标准曲线是描述在一定波长下,某一吸光物质不同浓度的溶液的吸光能力的曲线,吸光度为纵坐标,浓度为横坐标作图即可得到。
5. 何谓摩尔吸光系数?质量吸光系数?两者有何关系?答:吸光系数是吸光物质吸光能力的量度。
摩尔吸光系数是指浓度为1.0 mol·L ,液层度为1cm 时,吸光物质的溶液在某一波长下的吸光度。
用ε表示,其单位 11cm mol L --⋅⋅。
质量吸光系数是吸光物质的浓度为1g 1L -⋅时的吸光度,用a 表示。
其单位 11cm g L --⋅⋅ 两者的关系为 εM a =⨯ M 为被测物的摩尔质量。
6. 分光光度法的误差来源有哪些?答:误差来源主要有两方面,一是所用仪器提供的单色光不纯,因为单色光不纯时,朗伯—比耳定律中吸光度和浓度之间的关系偏离线性;二是吸光物质本身的化学反应,其结果同样引起朗伯—比耳定律的偏离。
玻璃比色皿和石英比色皿辨别、使用和清洗方法光度分析法是最常用的定量分析方法之一,其主要特点是:(1)应用范围广泛。
很多物质在紫外-可见光区有吸收,因此可借助于比色法进行测定。
(2)适用的浓度范围广泛,从常量分析到痕量分析(经预富集后)均可实现。
(3)灵敏度高,选择性好,精确度高,分析成本低,操作简便、快速。
因此广泛应用于地质、冶金、化工、医学、食品、制药及环境监测等行业。
在光度法中,比色皿的选择、使用和维护对分析结果有着重要的影响。
比色皿选择与鉴别比色皿的制造工艺有两种,一种是粘合剂粘合而成,另一种是高温熔融而成。
比色皿的材料通常来源于石英、熔凝硅石和光学玻璃。
玻璃比色皿对紫外线几乎全部吸收,吸光度非常大。
而石英比色皿的吸光度则小得多。
常用比色皿的形状有方形、矩形和圆筒形,容量一般为几毫升。
也有用于少量试样的微型或超微型毛细管皿。
另外还有高、低温、恒温比色皿。
比色皿有不同的光程长度,一般常用的有0.5、l、2、3、5cm ,选择哪种光程长度的比色皿,应视分析样品的吸光度而定。
当比色液的颜色较淡时,应选用光程长度较大的如2cm、3cm比色皿;当比色液的颜色较深时,应选用光程长度较小的如0.5cm 、lcm比色皿,以使所测溶液的吸光度在0.1-0.7之间。
比色皿有方向性。
有些比色皿上标有方向标记,使用时必须注意。
无方向标记的比色皿应予以校正,校正时要先确定方向并作好标记,以减少测定误差。
比色皿的校正方法是:将纯净的蒸馏水注入比色皿中,把其中吸收最小的比色皿的吸光度置为零,并以此为基准,测出其它比色皿的相对吸光度。
测定比色液时,应将其吸光度减去比色皿的吸光度。
同一组比色皿相互间的差异应小于测定误差在测定同一溶液时,吸光度差值应小于0.5%,否则应对差值进行校正。
比色皿的光程长度也需校正,校正时可将吸光度约为0.4的溶液分别注入校正皿和具有准确光程长度的标准比色皿中,测定吸光度。
以标准比色皿的吸光度为1.00,求出校正比色皿吸光度的相对值作为该比色皿的校正系数。
比色法与紫外分光光度法的异同比色法和紫外分光光度法,这俩听上去好像很复杂的科学名词,其实它们都跟“测量颜色”有关系。
嗯,简单说就是看东西的颜色,然后通过这个颜色来判断里面有什么成分。
你可能会想,这俩是不是差不多?是的,差不多,但细节上还是有点不同的,了解清楚了,能让你在实验室里也能像个小专家一样,得心应手。
比色法嘛,简单来说,就是通过溶液的颜色来判断它的浓度。
比方说,你往水里加了某种化学物质,水的颜色可能会变得更加浓烈。
你通过比较颜色的深浅,来推算浓度。
你觉得有点意思吧?其实这就像你平时看着一杯饮料的颜色,越深可能说明加糖多,越浅可能说明糖少,做化学实验也是一样。
可是,比色法有个小问题就是它受光线、溶液颜色、试剂浓度等各种因素的影响,哎,这就让它的准确性有点小小的波动。
紫外分光光度法呢,就像是比色法的“升级版”,有点像拿着超级显微镜来看问题。
它的原理是通过紫外线光源照射样品,然后测量样品吸收了多少光,最后得出结论。
简而言之,紫外线比可见光更“强”,它能穿透更多的东西。
所以,紫外分光光度法通常用来测量那些对紫外线有吸收的物质,比如药物中的有效成分,或者环境中的污染物。
这种方法不仅能量度颜色的深浅,还能更精确地定量物质的含量。
比色法和紫外分光光度法,最大的不同就体现在它们对光的“利用”上。
比色法主要依赖的是可见光,而紫外分光光度法则是通过紫外光去探测物质的特性。
就像你用手电筒和紫外线手电筒照东西,两者照出来的效果完全不一样。
比色法的测量范围一般限制在了肉眼能看到的颜色范围内,所以它适合一些比较简单的、颜色鲜明的实验;紫外分光光度法就不一样了,紫外光波长比可见光短,能“看到”更深层的东西,能测量更多“看不见”的物质。
所以,紫外分光光度法在处理一些微量物质或者需要高精度测量的场合,表现得更有“压倒性优势”。
不过,说到优缺点,它们俩也各有千秋。
比色法简单易用,设备不复杂,花费也相对便宜。
你只需要准备一个比色皿,把样品放进去,然后在一定的波长下对比颜色,就可以得出浓度。
第20章比色法和分光光度法
【20-1】将下列百分透光度值换算为吸光度:
(1)1% (2)10% (3)50% (4)75% (5)99%
解:A=2-lg T%
(1)A=2-lg 1 = 2.000
(2)A=2-lg 10 = 1.000
(3)A=2-lg 50 = 0.301
(4)A=2-lg 75 = 0.125
(5)A=2-lg 99 = 0.0044
【20-2】将下列吸光度值换算为百分透光度:
(1)0.01 (2)0.10 (3)0.50 (4)1.00
解:lgT%=2-A
(1)lgT1%=2-0.01 = 1.99 T1%=97.7 %
(2)lgT2%=2-0.10 = 1.90 T2%=79.4 %
(3)lgT3%=2-0.50 = 1.50 T3%=31.6 %
(4)lgT4% =2-1.00 =1.00 T4%=10.0 %
【20-3】有一有色溶液,用1.0 cm 吸收池在527 nm 处测得其透光度T = 60%,如果浓度加倍,则(1)T值为多少?
(2)A 值为多少?
(3)用5.0 cm 吸收池时,要获得T = 60%,则溶液的浓度为原来浓度的多少倍?
解:A=-lg T =εbc -lg 0.60 = 0.222
浓度增倍时:
(1)lg T =-0.444 T= 36 %
(2)A=-lg T = 0.444
(3)1.0cm时:c1 = 0.222 5.0cm时:c2 = 0.222
c2/c1= 1.0 /5.0 = 0.2倍
【20-4】有两种不同浓度的KMnO4溶液,当液层厚度相同时,在527nm处透光度T分别为(1)65.0%,(2)41.8%。
求它们的吸光度A各为多少?若已知溶液(1)的浓度为6.51×10-4mol·L-1,求出溶液(2)的浓度为多少?
解:(1)A=εbc =-lgT=-lg 0.650 = 0.187
(2)A=-lg 0.418 = 0.379
(3)当c1= 6.51×10-4 mol • L-1时,
b = 0.187∕6.51×10-4 = 287 mol -1 • L
c 2= 0.379∕287 = 1.32×10-3 mol • L -1
【20-5】在pH=3时,于655 nm 处测得偶氮胂Ⅲ与镧的紫蓝色配合物的摩尔吸光系数为4.50×104。
如果在25mL 容量瓶中有30g La 3+,用偶氮胂Ⅲ显色,用2.0cm 吸收池在655 nm 处测量,其吸光度应为多少? 解:A =εbc
= (4.50×104×2.0×30×10-6)∕(138.9×0.025) = 0.78
【20-6】有一含有0.088 mgFe 3+的溶液用SCN -显色后,用水稀释到50.00 mL ,以1.0 cm 的吸收池在480 nm 处测得吸光度为0.740,计算Fe(SCN)2+配合物的摩尔吸光系数。
解:ε= A ∕bc
= (0.740×55.85×50.00)∕(1.0×0.088) = 2.35 × 104 cm -1 • mol -1 • L
【20-7】当光度计的透光度测量的读数误差△T = 0.01时,测得不同浓度的某吸光溶液的吸光度为 0.010,0.100,0.200,0.434,0.800,1.20。
利用吸光度与浓度成正比以及吸光度与透光度的关系,计算由仪器读数误差引起的浓度测量的相对误差。
解:T = 10-A lg T =-A
0.434 c T
c T lg T
= 当 A = 0.010 时, T = 10-0.010 ,lg T =-0.010 , 又△T = 0.01
c
c
= 0.434 ×0.01∕10-0.010×(-0.01 0 ) =-44.4 % 同理,当A = 0.100 、0.200、0.434、0.800、1.20时,
c
=-5.46% ,-3.44 %,-2.72 % ,-3.42 % ,-5.73% c c
【20-8】设有 X 和 Y 两种组分的混合物。
X 组分在波长1λ和2λ处的摩尔吸光系数分别为1.98 × 103 cm -1 • mol -1 • L 和2.80 × 104cm -1 • mol -1 • L 。
Y 组分在波长1λ和2λ处的摩尔吸光系数分别为2.04×104 cm -1• mol -1•L 和3.13×102cm -1•mol -1•L 。
液层厚度相同,在1λ处测得总吸光度为0.301,在2λ处为0.398。
求算X 和Y 两组分的浓度是多少?
解:A 1X =ε1X bc X 、A 1Y =ε1Y bc Y
A 1总= A 1X + A 1Y =ε1X bc X +ε1Y bc (1) 同理A 2总= A 2X + A 2Y =ε2X bc X +ε2Y bc (2)
由(1) c X =( A 1总-ε1Y bc Y )∕ε1X b
代入(2) c Y =( ε1X A 2总-ε2X A 1总)∕( ε1X 2Y b -2X 1Y b ) 设 b =1.0 cm ,
c Y =( 1.98×103×0.398-2.80×104×0.301 )∕(1.98×103×3.13×102×1.0-2.80×104×2.04×104×1.0) = 1.34×10-
5 mol • L -
1
c X = ( 0.301-2.04×104×1.0×1.34×10-
5)∕(1.98×103×1.0)
= 1.40×10
-5
mol • L -
1
【20-9】某有色配合物的0.0010%水溶液在510nm 处,用2cm 吸收池测得透光度T 为0.420,已知510κ=2.5×103L·
mol -1·cm -1。
试求此有色配合物的摩尔质量。
解:A=-lgT=-lg0.42=0.376,
c=A/bε=0.376/(2.5×103×2)=7.52×10-5 mol/L
因此,1000mL 中含有色物7.52×10-5×Mg 。
已知含量为0.001%, 故1000/(7.52×10-5M )=100/0.0010,M=131.5g/mol
【20-10】浓度为2.0×10-4mol·L -1的甲基橙,在不同pH 的缓冲溶液中,于520nm 波长处,用1cm 吸收池测得吸光度值。
计算甲基橙的p K a 值。
解:设甲基橙酸式组分和碱式组分在波长520nm 处的吸光度分别为A HL 和A L -,由已知数据
可知A HL =0.890,A L -=0.260。
所以: 311HL -41
0.890
=
4.4510L mol cm 1cm 2.010mol L
κ---=⨯⋅⋅⨯⨯⋅,
-311
-41
L 0.260= 1.3010L mol cm 2cm 10mol L
κ---=⨯⋅⋅⨯⋅ (1)用代数法求K a 。
根据HL L =
[H ]a A A A A K -
+
--计算不同pH 值时的K a 值:
pH=2.99时,K a =4.7×10-4;pH=3.41时,K a =4.5×10-4;pH=3.95时,K a =4.5×10-4。
取以上三个K a 的平均值,有K a =4.6×10-4,得到p K a =3.34。
(2)用图解法求K a :
按已知条件A L -=0.260,A HL =0.890,计算相关数据,填入表中:
以pH 值为横坐标,L HL lg
A A
B A A
--=-为纵坐标绘图,如图所示。
直线与横坐标交点处对应的值(或与纵坐标交点处对应的值)即为p K a 。
从图中可得p K a =3.33,K a =4.7×10-4。