第八章常用儀器分析方法簡介1分光光度法2電位分析法目錄頁過渡頁學習目標1．掌握分光光度法測定微量組分的原理和方法。2．了解電位分析法測定溶液酸度的原理和方法。3．掌握可見分光光度計及酸度計的使用操作。過渡頁1分光光度法2電位分析法概述一、第一節(jié)分光光度法前面幾章討論的滴定分析法和重量分析法都屬于化學分析法，它們適用于測定試樣中含量大于1%的常量組分，但是，對于含量小于1%的微量組分不易采用化學分析法。例如，欲測定含鐵量僅為0.001%試樣中的鐵，若采用氧化還原滴定法，即使氧化劑標準溶液濃度很?。ǎ?，也僅需0.02mL即達到終點，顯然無法測定。本節(jié)討論的分光光度法可進行微量組分的測定。例如，將上述試樣進行適當預處理，在一定反應條件下，以鄰二氮菲作顯色劑，使之與形成橙紅色配合物，根據(jù)顏色的深淺即可確定試樣中鐵的含量。這種利用比較溶液顏色深淺來測定物質(zhì)濃度的方法稱為比色分析法。若使用分光光度計來進行分析測定則稱為分光光度法。本節(jié)著重討論可見光波長范圍（400～760nm）的分光光度法。分光光度法所檢測組分的濃度下線可達到

，因此它具有較高的靈敏度，相對誤差為2%～5%，適合于微量組分的測定。該法應用非常廣泛，幾乎所有的無機物質(zhì)和大多數(shù)有機物都能用此方法測定。該法使用的儀器比較簡單，操作簡便，測定迅速。分光光度法的基本原理二、第一節(jié)分光光度法光是一種電磁波，具有波動性和粒子性。不同波長的光，其能量不同，短波的能量大，長波的能量小。物質(zhì)的顏色及對光的選擇性吸收1同一波長的光稱為單色光，白光為復合光，它在波長400～760nm范圍內(nèi)依波長從長到短的變化，可呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色，這是人肉眼可以感覺到的光，故稱為可見光。不僅7種色光混合可得到白光，如果把適當顏色的兩種單色光按一定的強度比例混合，也可以得到白光，這兩種單色光稱為互補色光，這兩種顏色稱為互補色，如綠光和紫光互補，黃光與藍光互補等，如圖8-1所示。圖8-1光的互補色示意圖物質(zhì)呈現(xiàn)的顏色正是由于物質(zhì)對不同波長的光具有選擇性吸收作用而產(chǎn)生的。分光光度法的基本原理二、第一節(jié)分光光度法從直觀上不難理解，由于光透過溶液時，溶液中的吸光質(zhì)點（分子、原子、離子等）選擇性地吸收某一波長的光，所以溶液的濃度越大或液層越厚，即吸光質(zhì)點越多，光被吸收的就越多，透過的光就越少，如圖8-3所示。光吸收基本定律2圖8-3光通過溶液示意圖當一束平行單色光通過均勻的非散射的稀溶液時，入射光被溶液吸收的程度與溶液液層厚度的關系為實踐證明：式（8-1）是朗伯（Lambert）早在1760年經(jīng)研究得出的結論，稱為朗伯定律。1852年，比爾（Beer）進行了大量研究工作后指出：如果吸收池液層厚度一定，吸光強度與物質(zhì)的濃度呈正比，即（8-1）（8-2）接下頁如果同時考慮溶液的濃度及液層的厚度對光吸收的影響，就可將式（8-1）和式（8-2）結合起來，稱為物質(zhì)對光吸收的基本定律，即朗伯-比爾定律，用下式表示：當溶液濃度以物質(zhì)的量濃度（）表示，液層厚度以厘米（cm）表示時，相應的比例常數(shù)K稱為摩爾吸光系數(shù)，以ε表示，其單位為

。式（8-3）就可以寫成式（8-3）中的比例常數(shù)K稱為吸光系數(shù)。其物理意義是：單位濃度的溶液，液層厚度為1cm時，在一定波長下測得的吸光度。K值的大小只與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長、溶液溫度和溶劑性質(zhì)等有關，而與溶液濃度和液層厚度無關。分光光度法的基本原理二、第一節(jié)分光光度法光吸收基本定律2（8-3）接下頁分光光度法的基本原理二、第一節(jié)分光光度法光吸收基本定律2接下頁已知含

濃度為0.5

的溶液，用鄰二氮菲作顯色劑，在波長510nm處用2cm吸收池測得

，計算摩爾吸光系數(shù)。在分光光度法中，有時也用透射比即透光度T來表示物質(zhì)吸收光的能力大小，透光度T是透射光強度I與入射光強度I0之比，即

例8-1解：分光光度法的基本原理二、第一節(jié)分光光度法光吸收基本定律2它反映了透過溶液的光強度在原入射光中所占的比例，T越大，說明透過溶液的光越多，而被溶液吸收的光就越少。所以透光度T也能表示溶液對光的吸收程度。吸光度A與透光度T的關系為

應用光吸收定律時，一定要注意它的適用條件。在實際測試時，如果單色光不純或者溶液濃度過大，都會導致溶液的吸光度與濃度不成直線關系，即偏離光吸收定律，如圖8-4所示。圖8-4光度分析工作曲線顯色反應及顯色條件的選擇三、第一節(jié)分光光度法對顯色反應的要求12009201020112012靈敏度高：待測物是微量組分，要求反應生成的有色化合物的摩爾吸光系數(shù)大。選擇性好：一種顯色劑最好只與一種待測組分起顯色反應，或顯色劑和共存組分生成化合物的吸收峰與顯色劑與被測組分生成化合物的吸收峰相距較遠，干擾小。顯色后的有色物質(zhì)組成恒定，化學性質(zhì)穩(wěn)定。形成的有色物質(zhì)組成與顯色劑本身的顏色要有足夠大的差別。（1）（2）（3）（4）顯色反應及顯色條件的選擇三、第一節(jié)分光光度法顯色條件的選擇2有機顯色劑大多是有機弱酸（堿），溶液的酸度影響顯色劑的濃度及本身的顏色；大部分金屬離子很容易水解，溶液的酸度也會影響金屬離子的存在狀態(tài)，進一步還會影響到有色化合物的組成、穩(wěn)定性。因此，適宜的酸度是吸光光度法成敗的關鍵。顯色反應的適宜酸度，通常通過實驗來確定。具體方法是，將待測組分的濃度及顯色劑的濃度固定，僅僅改變?nèi)芤旱膒H，分別測定溶液的吸光度A。以pH為橫坐標，吸光度A為縱坐標，得到pH－A關系曲線，稱為酸度曲線。（1）酸度顯色反應及顯色條件的選擇三、第一節(jié)分光光度法顯色條件的選擇2顯色反應可表示為待測組分顯色劑

有色化合物為了使顯色反應完全，需加入過量顯色劑。但顯色劑過多，則會發(fā)生其他副反應，對測定不利。因此，在實際應用中，仿照上述繪制酸度曲線繪制吸光度與顯色劑用量的關系曲線，如圖8-6所示，在圖中的平坦區(qū)間確定合適的顯色劑用量。（2）顯色劑用量圖8-6顯色劑用量試驗顯色反應及顯色條件的選擇三、第一節(jié)分光光度法顯色條件的選擇2顯色反應大多在室溫下進行，不需要嚴格控制顯色溫度。但是，有些反應必須加熱才能反應完全。具體實驗中，可繪制吸光度與溫度的關系曲線來選擇適宜的溫度。（3）溫度不同的顯色反應，其反應速率不同，顏色達到最大深度且趨于穩(wěn)定的時間也不同。因此也要通過實驗得到吸光度與時間的關系曲線進行選擇。（4）顯色時間有時在顯色體系中加入有機溶劑，可降低有色物質(zhì)的解離度，從而提高顯色反應的靈敏度。在測定時，標準溶液和被測溶液應采用同一種溶劑。（5）溶劑測量條件的選擇四、第一節(jié)分光光度法入射光波長的選擇1入射光波長的選擇應根據(jù)吸收曲線，一般情況下，應選用最大吸收波長作為入射光波長，因為此波長處ε值最大，測定有較高的靈敏度。如果測定時在最大吸收峰附近干擾物質(zhì)也有吸收或強烈吸收，則在保證有一定靈敏度情況下，可以選擇吸收曲線中的其他波長進行測定，以消除干擾。參比溶液的選擇2當試液、顯色劑及所用其他試劑在測量波長處均無吸收，僅待測組分與顯色劑的反應產(chǎn)物有吸收時，可用純?nèi)軇┳鲄⒈热芤?，這樣可消除溶劑、吸收池等因素的影響。（1）如果顯色劑或加入的其他試劑在測量波長處略有吸收，應采用試劑空白（不加試樣其余試劑照加的溶液）作參比溶液，這樣可消除外加試劑中的組分產(chǎn)生的影響。（2）如果顯色劑在測量波長處無吸收，但待測試液中共存離子有吸收，此時可用不加入顯色劑的試液為參比溶液，以消除有色離子的干擾。（3）測量條件的選擇四、第一節(jié)分光光度法吸光度范圍的選擇3任何類型的可見分光光度計都有一定的測量誤差，對于721型分光光度計來說，為減少讀數(shù)誤差，應控制待測試液的濃度和選擇吸收池的厚度，使測定的吸光度在0.2～0.8為宜。定量分析法五、第一節(jié)分光光度法標準曲線法1標準曲線法又稱工作曲線法，是應用最多的一種定量分析方法。標準曲線法的繪制方法是：配制四種以上濃度不同的待測組分的標準溶液，顯色后，以空白溶液為參比溶液，在選定的波長下，分別測定各種標準溶液的吸光度。以標準溶液的濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，繪制曲線，此曲線即稱為標準曲線，如圖8-7所示。圖8-7工作曲線在測定樣品時，按同樣條件使試樣顯色，并測其吸光度，就可在標準曲線上查出待測溶液的濃度。為了保證測定的準確度，要求標樣與試樣溶液的組成一致，待測溶液的濃度應在標準曲線的線性范圍內(nèi)，最好在曲線中部。用標準曲線法分析大量的同一類型試樣極為方便，因此該法被廣泛應用。定量分析法五、第一節(jié)分光光度法標準曲線法1分別取0.00mL，1.00mL，2.00mL，3.00mL，4.00mL，5.00mL10的磺基水楊酸鐵（

）標準溶液，置于6個50mL的比色管中，顯色后，稀釋至刻度，在480nm處，以空白溶液作參比，測定吸光度，A值分別為：0.000，0.102，0.204，0.306，0.408，0.510。另取5.00mL水樣，經(jīng)同樣處理后顯色，稀釋至刻度，在相同條件下測定其吸光度為0.300。求水樣中的含量。題中數(shù)據(jù)處理如表8-2所示。例8-2解：表8-2標準溶液及水樣的吸光度標準系列水樣標準溶液濃度/μg

mL-100.20.40.60.81.0A0.0000.1020.2040.3060.4080.5100.300定量分析法五、第一節(jié)分光光度法比較法2有20

鈷標準溶液，測定其吸光度，求在相同條件下，吸光度

的含鈷溶液中鈷的含量。由式（8-6）可知所以，待測溶液中鈷含量為22

。例8-3解：比較法是用一個已知濃度的標準溶液（cs），在一定條件下測定其吸光度As，然后在相同條件下測定濃度為cs的待測溶液的吸光度Ax，設待測溶液、標準溶液完全符合朗伯－比爾定律，則（8-6）分光光度計六、第一節(jié)分光光度法常用的分光光度計有可見分光光度計：72型、721型、722型；可見—紫外分光光度計：751型。分光光度計的種類、型號雖然很多，但都是由下列基本部件構成：光源→單色器→吸收池→檢測系統(tǒng)下面以721型為例進行介紹。721型分光光度計是目前實驗室用得最廣泛的可見分光光度計，它由光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和接收顯示系統(tǒng)四個部分組成，全部裝在一個機箱內(nèi)。光源采用鎢絲燈，由電子穩(wěn)壓裝置供電。分光系統(tǒng)是儀器的核心，它由狹縫、準直鏡和棱鏡組成。測量系統(tǒng)由推架、比色皿架和暗室組成。接收顯示系統(tǒng)由光電管接收，經(jīng)電子線路放大再由電表指示。721型分光光度計使用的波長范圍為360～800nm，其光學原理如圖8-9所示。1—光源；2—聚光透鏡；3—反射鏡；4—彎曲狹縫；5—保護玻璃；

6—準直鏡；7—棱鏡；8—光亮調(diào)節(jié)器；9—聚光鏡；10—吸收池；

11—光門；12—保護玻璃；13—光電管；14—直流放大器；15—微安表圖8-9721型分光光度計原理圖分光光度計六、第一節(jié)分光光度法儀器的使用方法如下：（1）（2）（3）（5）（4）檢查儀器各調(diào)節(jié)鈕的起始位置是否正確，接通電源開關，打開樣品室暗盒蓋，使電表指針處于“0”位，預熱20min后，再選擇所需的單色光波長和相應的放大靈敏度，用調(diào)“0”電位器調(diào)電表，使透射比

。蓋上樣品室蓋使光電管受光，推動比色皿架拉桿，使參比溶液池置于光路上，調(diào)節(jié)100%透射比調(diào)節(jié)器，使電表指針指

。重復進行打開樣品室蓋，調(diào)0，蓋上樣品室蓋，調(diào)100%的操作，直至儀器穩(wěn)定。蓋上樣品室蓋，推動比色皿拉桿，使樣品溶液池處在光路上，讀出吸光度值。讀數(shù)后立即打開樣品室蓋。測量完畢，取出比色皿，洗凈后倒置于濾紙上晾干。各旋鈕置于原始位置，關閉電源，拔下電源插頭。過渡頁1分光光度法2電位分析法電位分析法概述一、第二節(jié)電位分析法參比電極1參比電極是與被測物質(zhì)無關，電位已知且穩(wěn)定，提供測量電位參考的恒電位電極。其特點是電極電位穩(wěn)定、可逆好性、重現(xiàn)性好、使用方便、壽命長。是國際上為了測量其他電極的電位值而規(guī)定的標準參比電極。但實際上由于制備過程比較麻煩，常規(guī)工作中很少應用。常用作參比電極的電極有甘汞電極和銀-氯化銀電極，它們的電極電位值是以標準氫電極為參比電極測定的。標準氫電極電位分析法概述一、第二節(jié)電位分析法參比電極1甘汞電極是金屬汞和甘汞及氯化鉀溶液組成的電極，其結構如圖8-11所示。半電池組成為：︱

︱

。（1）甘汞電極圖8-11甘汞電極銀絲鍍上一層

，浸在一定濃度的

溶液中，即構成銀-氯化銀電極，其半電池組成為：︱

︱。（2）銀-氯化銀電極電位分析法概述一、第二節(jié)電位分析法離子選擇性電極2離子選擇性電極有多種，如氟電極、玻璃電極、鈣電極及氣敏電極，這里只介紹玻璃電極。玻璃電極是最早也是應用最廣泛的離子選擇性電極，主要構成如圖8-12所示。圖8-12玻璃電極玻璃電極及膜電位是由于膜內(nèi)外被測離子的活度不同產(chǎn)生電位差而引起的。玻璃膜放大后的結構如下：接下頁電位分析法概述一、第二節(jié)電位分析法離子選擇性電極2在水化層中，玻璃上的

與溶液中的發(fā)生離子交換而產(chǎn)生相界電位。水化層表面可視為陽離子交換劑。溶液中的

經(jīng)水化層擴散至干玻璃層，干玻璃層的陽離子向外擴散以補償溶出的離子，離子的相對移動產(chǎn)生擴散電位。相界電位和擴散電位之和構成膜電位。玻璃電極放入待測溶液，離子交換和擴散達到平衡后，25℃時由于內(nèi)參比溶液中

的活度是固定的，所以式中：K——由玻璃膜電極本身性質(zhì)決定的常數(shù)。當膜內(nèi)外溶液中氫離子活度相同（即）時，理論上

，但實際上由于玻璃膜內(nèi)外表面含鈉量、表面張力及機械和化學損傷的細微差異可能造成

，此時膜兩側的電位稱為不對稱電位。另外，玻璃電極還有內(nèi)參比電極。將不對稱電位和內(nèi)參比電極電位（一定條件下為定值）并入常數(shù)項后，則有電位法測定溶液的pH值二、第二節(jié)電位分析法pH定義1pH值是氫離子活度的負對數(shù)，即

。在要求不高時，可用濃度代替活度，即。根據(jù)能斯特方程式，氫電極電位為即由式（8-7）可知，在一定溫度下，氫電極電位與溶液的pH呈線性關系。（8-7）電位法測定溶液的pH值二、第二節(jié)電位分析法溶液pH的測定2電位法測定溶液的pH是以pH玻璃電極作指示電極，飽和甘汞電極作參比電極，浸入待測溶液中組成工作電池。此工作電池可用下式表示：當試液與飽和溶液之間的液接電位

忽略不計時，工作電池電動勢為由此可知，電池電動勢與溶液pH呈線性關系，只要測得電池電動勢，就可計算出待測溶液的pH。電位法測定溶液的pH值二、第二節(jié)電位分析法溶液pH的測定2

用pH玻璃電極測定溶液的pH，測得

的標準緩沖溶液的電池電動勢

，測得試液的電動勢

，計算試液的pH。因故例8-4解：測定溶液的pH需要分析工作者自己配制標準緩沖溶液（標準緩沖溶液的配制可參照國家標準GB11076—1989）。標準緩沖溶液的pH隨溫度的變化而不同，書中