第十章 吸光光度法

分析化学教案第十章吸光光度法要求：1.掌握吸光光度法的基本原理，朗伯比耳定律和偏离比耳定律的原因；2.了解金属离子与显色剂发生显色反应的原理和影响显色反应的因素，掌握选择显色反应的一般原则；3.了解几种常用的显色剂；4.了解光度测量条件的选择，提高分析结果的准确度；5.掌握吸光光度法的应用。

进程：§10-1 概述吸光光度法是基于被测物质的分子对光具有选择性吸收的特点而建立起来的分析方法，它包括比色分析法、可见及紫外吸收光度法以及红外光谱法等。

本章着重讨论可见光区的吸光光度法（又称分光光度法，简称光度法）。

一、分光光度法的特点分光光度法同化学分析法中的滴定分析法、重量分析法相比，有以下特点：1. 灵敏度高分光光度法测物质的浓度下限（最低浓度）一般可达10-5~10-6mol/L，相当于含量低于0.001~0.0001%的微量组分。

如果将被测组分加以富集，灵敏度还可提高1~2个数量级。

该方法适用于微量组分的测定。

举例：略（见课件）2. 准确度较高一般分光光度法的相对误差为2~5%。

3. 操作简便，测定速度快分光光度法的仪器设备不复杂，操作也简便。

如果采用灵敏度高，选择性好的显色剂，再采用掩蔽剂消除干扰，可以不经分离直接测定，而且速度快。

4. 应用广泛吸光光度法既可测定绝大多数无机离子，也能测定具有共轭双键的有机化合物。

主要用于测定微量组分，也能测定含量高的组分（用示差光度法或光度滴定）。

还可测定络合物的组成、酸（碱）以及络合物的平衡常数。

二、物质的颜色和光的选择性吸收物质呈现的颜色与光有着密切的关系。

光是一种电磁波，如果按照波长或频率排列，则可得电磁波谱图（四师P.275表10-1）。

光具有两象性：波动性和粒子性。

波动性就是指光按波动形式传播。

例如：光的折射、衍射、偏振和干涉现象，就明显地表现其波动性。

λ·ν= c式中：λ—波长（cm）；ν—频率（赫兹）；c—光速（≈3×1010cm/s）光的粒子性：如光电效应就明显地表现其粒子性。

光是由“光微粒子”（光量子或光子）所组成。

光量子的能量与波长的关系为：E = hν=hc /λ式中：E—光量子的能量（尔格）；ν—频率（赫兹）；h—普朗克常数（6.6262×10-34J·秒）1. 光色的互补关系首先要明确什么叫单色光、复合光、可见光。

理论上将具有单一波长的光称为单色光；由不同波长的光组合而成的光称为复合光；人眼能感觉到的光称为可见光（其波长范围大约在400~750nm之间）。

日光、白炽灯光等可见光都是复合光。

如果让一束白光（日光）通过棱镜，于是发生折射作用，便分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光。

（各色光之间没有明显的界限）。

各种色光的近似波长（见课件）。

反之，这些颜色的光按一定强度比例混合便能形成白光。

如果把两种适当颜色的单色光按一定强度比例混合后，就能得到白光。

我们便称这两种单色光为互补色光。

日光、白炽灯光等就是一对对互补色光按一定适当比例组合而成的。

互补色光的关系可用右图表示。

2. 物质对光的选择吸收对固体物质来说，当白光照射到物质上时，如果物质对各种波长的光完全吸收，则呈现黑色；如果完全反射，则呈现白色；如果对各种波长的光均匀吸收，则呈现灰色；如果选择地吸收某些波长的光，则呈现反射或透射光的颜色。

对溶液来说，溶液呈现不同的颜色是由于溶液中的质点（离子或分子）对不同波长的光具有选择性吸收而引起的。

当白光通过某种溶液时，如果它选择性地吸收了白光中某种色光，则溶液呈现透射光的颜色，也就是说，溶液呈现的是它吸收光的互补色光的颜色。

例如：当一束白光通过硫氰酸铁（Fe(SCN)3）溶液时，它选择性地吸收了白光中的蓝青色光，其它色光均透过溶液。

铜铵络离子的溶液因选择地吸收了白光中的黄色光而呈现蓝色。

溶液呈现不同颜色乃是由于物质对光的选择吸收所造成的。

当一束白光（强度为I0）通过下列几种溶液，溶液呈现的颜色和吸收光的关系如下图：如果将各种波长的单色光依次通过某一固定浓度的有色溶液，测定每一波长下有色溶液对光的吸收程度（即吸光度A ），然后以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得一曲线，称为吸收光谱曲线（简称吸收曲线）。

四师P.276图10-2是四个不同浓度KMnO 4溶液的光吸收曲线。

从图上可以看到：⑴ KMnO 4溶液对不同波长的光吸收程度不同。

对波长为525nm 的绿色光吸收最多，在吸收曲线上有一高峰（相应波长称为最大吸收波长），而对红色光和紫色光吸收很少，几乎能完全透过，因此KMnO 4溶液呈紫红色（即透射光的颜色）。

光吸收程度最大处的波长称为最大吸收波长（常以λ最大或λmax 表示）。

⑵ 不同浓度KMnO 4溶液的吸收曲线形状相似，最大吸收波长不变。

不同物质的吸收曲线形状和最大吸收波长都各不相同。

但对某一种物质来说，尽管浓度不同，其吸收曲线形状相似，最大吸收波长相同。

因此各种物质都有特征的吸收曲线和最大吸收波长。

这些特性可作为物质定性分析的依据。

⑶ 同一物质不同浓度的溶液，在一定波长处吸光度随浓度增加而增大（这个特性可作为物质定量分析的依据）。

若在最大吸收波长处测定吸光度，灵敏度最高。

§10-2 光吸收的基本定律一、朗伯—比耳定律当一束平行单色光照射到任何均匀、非散射的介质（固体、液体或气体），例如溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被器皿的表面反射。

如果入射光的强度为I 0，吸收光的强度为I a ，透过光的强度为I t ，反射光的强度为I r ，则I 0 = I a + I t + I r • （1）在吸光光度法中，测量时都是采用同样质料的比色皿，反射光的强度基本上是不变的，其影响可以相互抵消，于是⑴式可简化为：I 0 = I a + I t （2）透过光强度I t 与λ射光强度I 0之比称为透光度或透光率。

用T 表示。

即t I I T⑶溶液的透光度愈大，说明对光的吸收愈小；相反，透光度愈小，则溶液对光的吸收愈大。

实践证明，溶液对光的吸收程度，与溶液的浓度、液层厚度以及入射光的波长等因素有关。

如果保持入射光的波长不变，光吸收的程度则与溶液的浓度、液层厚度有关。

（朗伯、比耳找出了它们的关系）㈠ 朗伯定律当一束单色光通过溶液后，由于溶液吸收了一部分光能，光的强度就要减弱。

设入射光的强度为I 0，透过浓度为c ，液层厚度为b 的溶液，透过光的强度为I t ，由于一部分光被吸收，所以I t <I 0，如果溶液的浓度保持不变，当液层越厚时，光在溶液中通过的路程越长，则光被溶液吸收的程度就越大，透过光的强度就越小。

为了求得吸光度A ，现将厚度为b 的液层分为许多厚度相等的薄层，每一薄层的厚度为db ，如下图（或四师P.277图10-3）：照射在薄层上的光强度为I ，当光线通过该薄层后，被吸收的光强度（即减弱的光强度）-dI 与db 及I 成正比：-dI ∝I ·db-dI = k 1·I ·db（k 1为比例常数）其入射光强度为I 0,透过光强度为I t ，溶液总厚度为b ，将上式进行变数分离并定积分： 该式表示当溶液浓度一定时，光的吸收与液层 厚度的关系，称为朗伯定律。

A 称为吸光度（也称光密度D 或消光度E ），该式说明了当溶液浓度一定时，光的吸收与液层厚度的关系，称为朗伯定律。

㈡ 比耳定律对于液层厚度一定而浓度不同的溶液（即颜色深浅不同的溶液）来说，光的吸收是与溶液的浓度（C ）及入射光的强度成正比，即入射光的强度减弱的情况与浓度固定而改变厚度的情况完全相似。

如图所示：b k I I ln 1t 0⋅=⎰⎰=-t 0I I b 01db k IdI ()b k lnI lnI 10t ⋅=--b k lnI lnI 1t 0⋅=-b k b 2.303k I I lg 21t 0⋅=⋅=b k I I lg 20⋅=b k T 1lg I I lg A 20⋅===该式表示当溶液浓度一定时，光的吸收与液层厚度的关系，称为朗伯定律。

当溶液的浓度由C 增加为C+dC ，则透过光强度由It 减为I t - dI ，则减弱的光强度-dI 与照在dC 上的光强度I 及浓度的增量dC 成正比：-dI ∝I ·dC -dI = k 3·I ·dC如果用I 表示透过光强度，则上式改为： 或式中k 4为比例常数，与入射光波长及溶液的性质、温度有关。

比耳定律表明：当入射光的波长、液层厚度和溶液温度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比。

㈢ 朗伯—比耳定律如果要求同时考虑溶液浓度C 和液层厚度b 对光吸收的影响，可将朗伯定律和比耳定律合并为朗伯—比耳定律。

这是光吸收定律的数学表达式。

也叫比色公式。

式中K 是比例常数，与入射光波长、物质的性质和溶液的温度等因素有关。

上式表明：当一束单色光通过均匀溶液时，其吸光度与溶液的浓度和厚度的乘积成正比。

这个规律通常称为朗伯—比耳定律。

也称光吸收定律。

二、吸光系数、摩尔吸光系数和桑德尔灵敏度朗伯—比耳定律中的常数K 值随c 、b 所用单位不同而不同，有两种表示方式。

1. 吸收系数a当浓度c 的单位为g/L ，液层厚度b 用“cm ”表示时，常数K 以a 表示，称为吸光系数。

单位为L/g ·cm 。

此时，朗伯—比耳定律变为：A = a·b·c2. 摩尔吸收系数κ当浓度c 的单位为mol/L ，液层厚度b 用“cm ”表示时，则K 用另一符号κ表示。

κ称为摩尔吸光系数，单位为L/mol ·cm 。

此时，朗伯—比耳定律为：A = κ·b·cκ表示浓度为1mol/L 的有色溶液在1cm 的比色皿中，在一定波长下溶液对光的吸收能力（即在一定波长下测得的吸光度数值）。

它是每个有色化合物在一定波长下的特征常数，在比色分析中用它来衡量显色反应的灵敏度，κ值越大，则该显色反应越灵敏。

例：已知含Fe 2+浓度为500微克/升的溶液，用邻二氮菲比色测定铁，比色皿长度为2cm ，在波长508nm 处测得吸光度A=0.19，计算摩尔吸光系数。

解：Fe 原子量为55.85dc k IdI 3⋅=-⎰⎰⋅=-t 0I I C 03dc k I dI c k I I ln 30t ⋅=-c k I I ln 3t 0⋅=k c 2.303k I I lg 3t 0=⋅=c k I I lg 40⋅=c k T 1lg I I lg A 40⋅===b c K T1lg I I lg A 0⋅⋅===(mol/L)108.955.8510500][Fe 662--+⨯=⨯=6108.92κκbc 0.19A -⨯⨯⨯===3. 桑德尔灵敏度S （又叫桑德尔指数）桑德尔灵敏度本来是指人眼借助颜色反应，在单位截面积液柱内能够检出的物质最低含量，以微克/厘米2表示。