第四章比色分析及分光光度法Colorimetric and Spectrophotometric Analysis§1 概述许多物质本身具有明显的颜色，例如KMnO4溶液显紫色，K2Cr2O7溶液显橙色等。
另外，有些物质本身并无颜色，或者颜色并不明显，可是当它们与某些化学试剂反应后，则可以生成有明显颜色的物质，例如Fe3+本身具有黄色，当与一定量的KSCN试剂反应后，生成的Fe(SCN)3具有血红色；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。
因此，可以肯定地说，溶液颜色的深浅与有色物质的含量之间有一定的关系。
在分析化学中，把这种基于比较有色物质溶液的颜色深浅以确定物质含量的分析方法称为比色分析。
实践证明，无论物质有无颜色，当一定波长的光通过该物质的溶液中时，根据物质对光的吸收程度，也可以确定该物质的含量。
这种方法称为分光光度法。
目前的比色分析常用分光光度计将光源变为单色光，并选择对待测物质具有最大吸收的单色光进行比色测定。
比色分析法、分光光度法与前面所讲的容量分析法、重量分析法相比，具有以下优点：1.灵敏度高比色分析法和分光光度法测定物质的浓度，下限一般可以达到10-5～10-6 mol/L，可以测定相当于含量0.001～0.0001%的微量组分。
如果将被测物质加以富集，灵敏度还可以提高。
2.准确度高一般比色分析的相对误差为5～20%，分光光度法的相对误差为2～5%，其准确度虽不如容量分析及重量分析，但对微量组分来说，这个灵敏度还是可以的，因为微量组分用容量分析及重量法已无法测定，更谈不上准确了。
例如1滴KMnO4滴入100mL水中时，仍可得到明显的适于比色分析的颜色，但这一滴溶液在滴定分析中只相当于它的误差的大小，根本无法进行准确测定。
由此看来，比色法的准确度较高，可进行微量组分的分析。
3.操作简便，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。
进行分析时，试样处理成溶液后，一般只经历显色和比色两个步骤，就可得出分析结果。
近年来，由于新的灵敏度高、选择性好的显色剂和掩蔽剂不断出现，使得一些干扰物可以不经分离，既可以进行测定。
在生产过程的分析中，一般只要几分钟就可以得出结果，对于生产中的快速分析，起了很大的作用。
4.应用广泛几乎所有的无机离子和有机化合物都可直接或间接地用比色法和分光光度法进行测定，由此可见，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，绝大多数污染物都可以用分光光度法测定，大多数中小型实验室都可以配备分光光度计，因此不受仪器设备条件的限制。
§2 比色分析及分光光度法的基本原理一、光的基本性质光是一种电磁波，按波长的顺序排列，有：名称波长X射线0.1～10nm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收如果我们把具有不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，物质呈现的颜色与光有着密切的关系。
一种物质呈现何种颜色，是与光的组成和物质本身的结构有关的。
1.光的组成：从光本身来说，有些波长的光线，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。
白光是由各种不同颜色的光按一定的比例混合而成的。
如果让一束白光通过三棱镜，就会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，每种颜色的光都具有一定的波长范围，我们把只具有一种颜色的光叫单色光，而把白光叫做复合光。
七种单色光可以混合成白光，如果把适当颜色的两种单色光按一定比例混合，也可以成为白光，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，可以组成白光。
红橙黄绿青青蓝蓝紫2.物质的结构：对固体物质来说，当白光照射到物质上时，物质对不同波长的光线吸收、反射、透射、折射的程度不同，而使物质呈现出不同的颜色。
如果物质对各种波长的光完全吸收，则显黑色；如果物质对各种波长的光完全反射，则显白色。
如果物质选择性地吸收某些波长的光，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）选择性地吸收某些颜色的光引起的。
如果光全部透射，则溶液是无色透明的；如果只让一部分波长的光透过，其他波长的光被吸收，则溶液就呈现透过光的颜色，即，溶液呈现的颜色是它吸收光的互补色。
如，CuSO 4溶液在600nm 处有吸收峰，此波长下吸收的是黄光，其互补色为蓝色，因此我们看到的CuSO 4溶液呈现出蓝色。
如果测量某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以λ为横坐标，以A （absorption ）为纵坐标，可得到一条曲线——光吸收曲线。
例：KMnO 4溶液的光吸收曲线（见教材）讨论：1.在可见光范围内，KMnO 4溶液对波长525nm 的绿光吸收最大，而对紫色和红色光吸收最弱，溶液呈现紫色。
光吸收程度最大处的波长——最大吸收波长λmax 。
2.浓度不同时，光吸收曲线形状相同，最大吸收波长不变。
3. 浓度不同时，相应的吸光度大小不同。
浓度越大，吸光度越大，比色就是以此为依据的。
三、 光吸收定律 mber 定律当溶液的浓度一定时，光的吸收程度与液层厚度成正比——Lamber 定律。
C 一定，L k II A 10lg ==吸光度 入射光强透射光强 比例常数液层厚度2.Beer 定律（如果吸光物质溶于不吸光的溶剂中），当液层厚度一定时，光的吸收程度和吸光物质的浓度成正比——Beer 定律。
C k II A L 20lg==一定， mber —Beer 定律如果要求同时考虑溶液浓度C 和液层厚度L 对光吸收(A)的影响，可将上述两定律合并，即Lamber —Beer 定律。
当一束单色光通过均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓度、厚度的乘积成正比——Lamber —Beer 定律。
kCL II A ==0lg式中：k —比例系数，与入射光的波长、物质的性质、溶液温度有关。
I IT 入射光强度透射光强度透光率=kCL T A =-=∴lg0%,1001,0====A T I I 溶液无吸收，4.吸光吸数、摩尔吸光吸数kCL A =式中k 的单位随C 、L 单位不同而不同。
浓度C g/L mol/L 液层厚度L Cm Cm 比例常数k 吸光系数 a(L/g·Cm)摩尔吸光系数 ε(L/mol·Cm)L —B 定律aCL A =CL A ε=例：已知Fe 2+的浓度为500μg/L ，用邻二氮菲比色法测Fe 2+，比色皿长度L 为2Cm ，在波长508nm 处测得吸光度A 为0.19，计算摩尔吸光系数。
解：L mol L g C Fe /109.885.55/10500662--⨯=⨯=+CL A ε=)/(101.12109.819.046Cm mol L CL A ⋅⨯=⨯⨯==-ε注：①ε表示物质对某一特定波长光的吸收能力。
②ε越大，则该物质对某波长光的吸收能力越强。
③ε越大，比色测定的灵敏度越高。
④ε与C、L无关，与物质的性质有关，为了提高灵敏度，应选择ε值大的有色化合物。
5.偏离Lamber—Beer定律的原因①非单色光②化学因素③其它因素（如含有胶体、乳浊液、悬浮物质等）§3 比色分析方法和仪器一、目视比色用眼睛比较被测溶液同标准溶液（standard solution）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（不可几套混用），向管中逐一加入不同浓度的标准溶液，其他试剂的加入量相同，然后稀释到刻度，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。
然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；如果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：1.设备与操作简单；2.因比色管较长，对颜色很淡的溶液（稀溶液）也能测出其含量，因而测定灵敏度高；3.比色法可在复合光（白光）下测定，且测定条件相同，所以某些不完全符合吸收定律的显色反应，也可用目视比色法测定；4.适于野外大批试样的分析。
目视比色法的缺点:1.由于许多有色溶液不够稳定，标注系列不能久存，经常需要在测定时同时配制，比较费时费事。
为了克服这一缺点，有时采用某些比较稳定的有色物质来配制标准色阶，如一定比例的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。
2.目视比色的准确度低，一般相对误差为±5～20%。
二、仪器比色方法（一） 工作原理及仪器结构 1.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收程度。
溶液的浓度透射光强度光电池产生的电流→∝2.仪器结构 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稳定，以获得准确的结果，电源的电压必须稳定，因此采用磁饱和稳压器作为电源。
为了使通过溶液的光线变成平行光束，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，kCL A =才成立。
因此需要将单色光（复合光）变成单色光。
仪器光电比色计分光光度计滤光片光栅或棱镜波长范围宽的光电流II 0光源滤光片光栅或棱镜近似单色光有色溶液光电池检流计A or T光电比色法波长范围窄的单色光分光光度法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。
a. 滤光片滤光片的作用：主要使有色溶液吸收最大的那部分波长范围的光通过，吸收其余波长的光。
滤光片的质量：用半宽度来表示。
例如：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，滤光片的选择性吸收越好，透过的单色光越纯。
滤光片的选择：在比色分析中，正确地选择滤光片很重要。
要准确地选择合适的滤光片，应根据有色溶液、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收的光。
①滤光片只允许和它颜色相同的光线通过，如：绿色滤光片可透过绿光； ②有色溶液吸收与所见颜色互补的光；③所以，比色中选用的滤光片颜色应是待测溶液颜色的互补色。
