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比色法(色度学)化学教程

关键概念

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颜色和光吸收

许多解决方案可以着色。
您可能已经熟悉一些有色水溶液,例如:

我们看到的颜色是通过溶液透射的光的颜色。
“白光”是电磁光谱的一部分,由彩虹的所有颜色组成;红色,橙色,黄色,绿色,蓝色,靛蓝和紫色(ROYGBIV)。

如果我们通过硫酸铜水溶液发出白光,则该溶液看起来是蓝色的,因为它正在透射白光的蓝色波长并吸收其他波长(例如红色),因此这些其他波长中的极少会通过溶液透射到你的眼睛

&rr白光进入→ &rr光线透射到您的眼睛→
&rr紫色→ 硫酸铜4(水)
 
&rr靛青→
 
&rr蓝色→
 
&rr绿色→
 
&rr黄色→
 
&rr橙子→
 
&rr红→
 

溶液的颜色是由于“白光”穿过溶液时未被吸收的光的波长所致。

现在,如果我们通过添加更多的水来稀释原始硫酸铜溶液,则蓝色的强度会降低,这是一种较浅的蓝色,因为该溶液不会像以前那样吸收其他波长的很多光:

浓缩液
(0.50摩尔L-1)
  稀溶液
(0.10摩尔L-1)
白光→ &rr透光
&rr紫色→ 硫酸铜4(水)
 
&rr靛青→
 
&rr蓝色→
 
&rr绿色→
 
&rr黄色→
 
&rr橙子→
 
&rr红→
 
 
白光→ &rr透射光
&rr紫色→ 硫酸铜4(水)
 
&rr靛青→
 
&rr蓝色→
 
&rr绿色→
 
&rr黄色→
 
&rr橙子→
 
&rr红→
 

如果给我们提供浓度未知的硫酸铜水溶液(溶液(A)),则可以通过查看其颜色来猜测其浓度:

解决方案(A)
 

溶液(A)的“蓝色”似乎介于浓缩液(0.50 mol L-1)溶液和稀溶液(0.10 mol L-1) solutions above, so we might guess that the concentration of solution (A) lies about halfway between these two solutions: (0.50 + 0.10) ÷ 2 = 0.30 mol L-1.

以这种方式猜测溶液的浓度可以使我们获得浓度的“棒球场”值,但不太可能导致我们知道溶液的浓度准确地或精确地.
但是也许有更好的方法。
我们已经注意到,溶液颜色的强度与其浓度之间存在关系。
我们已经看到,浓缩的蓝色溶液比更稀的溶液吸收更多的“非蓝色”波长的光,并且我们拥有一台比色计(色度计),可以为我们测量吸收量!

你知道吗

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色度计(色度计)

比色法(比色法)是我们用来通过测量相对于已知物质浓度的光的相对吸收来确定物质浓度的方法的名称。

比色计(色度计)实际上是用于测量颜色的仪表。它是一种测量特定波长的光吸收率的仪器(λ)的解决方案。(4)

因此,我们需要选择一种波长的光通过我们的解决方案。
该溶液必须能够吸收可测量量的该波长。
不同浓度的溶液必须吸收不同数量的该波长,并且该差异必须是显着的(即,比错误 测量固有的)。

如果溶液是蓝色的,例如CuSO4(水),我们将不使用与蓝光相对应的波长,因为其中很少吸收(大部分正在透射)。
同样,许多绿色和靛蓝波长不会被吸收,而是会透射。
因此,在此解决方案中,我们将选择从光谱的“红橙色-黄色”部分发出光,因为这些是被吸收的波长。

我们可以使用“色轮”来确定哪种颜色最有可能在我们的解决方案中发光:

如果解决方案是蓝色,则选择与蓝色互补的浅色,即在色轮中选择与该颜色相反的颜色,在这种情况下,我们选择橙色的光在我们的蓝色解决方案上发光。

颜色
灯的颜色
在比色计中使用
黄色 紫色
橙子 蓝色
绿色
紫色 黄色
蓝色 橙子
绿色

现在,可以为我们的色度计使用的光选择合适的波长,但是我们的色度计很有可能会使用彩色滤光片,以便“滤出”(吸收)我们不需要的光的波长“白光”。
在这种情况下,如果要确定蓝色溶液吸收的橙色光的数量,则可以为色度计选择一个橙色滤光片。

下面显示了在色度计中使用橙色滤光片测量蓝色硫酸铜溶液浓度的简化示意图:

“白光
资源
  裂开   橙子
过滤
  硫酸铜4(水)   探测器/记录仪
      探测器
 

来自“白光源”的光先穿过狭缝,然后穿过滤光片以选择最合适的光波长。 在这种情况下,橙色滤光片会吸收所有其他波长,并允许橙色波长透射过该滤光片。
然后,一些“橙色光”被玻璃容器中包含的“蓝色溶液”吸收。(5)
穿过“蓝色溶液”后,“橙色光”的强度降低了,因为“蓝色溶液”已吸收了大量的“橙色”。

测量吸收的光量并将其记录为“吸光度”。
溶液浓度越高,“吸光度”就越大。

使用比色计(色度计)测定溶液的浓度

色度计(色度计)用于测量特定波长(λ)的解决方案。
比色计将其记录为吸光度。

为了确定溶液的浓度,我们将需要使用相同波长的光(相同的滤光片)来获得一系列不同浓度的相同溶液的吸光度。
我们使用每种浓度已知的溶液的吸光度绘制校正曲线。
然后,我们可以测量未知浓度溶液的吸光度,并使用校准曲线确定其浓度。

例如,如果我们有硫酸铜水溶液CuSO4(水),并且我们想通过比色法确定其浓度,我们将首先准备硫酸铜水溶液的储备溶液。
然后,我们使用此库存解决方案准备一些 copper sulfate solutions, 计算浓度 每个解决方案。
请注意,我们应该目测检查未知溶液的颜色与每种制备溶液的颜色,以确保我们溶液的颜色介于我们制备的最浓缩和最稀溶液的颜色之间。
接下来,我们使用比色计(色度计)来测量每种已知浓度溶液的吸光度。
该实验的结果可能类似于下表中的结果:

[CuSO4(水)]
(摩尔L-1)
吸光度
(λ = 635 nm)
0.00 0.000
0.10 0.280
0.20 0.560
0.30 0.830
0.40 1.110
0.50 1.390

接下来,我们将这些结果绘制在图形上,并通过数据点绘制“最佳拟合线”:

吸光度 校正曲线

[CuSO4(水)] / mol L-1

现在我们测量未知浓度的硫酸铜水溶液的吸光度。

Example: Absorbance of unknown solution = 0.950

我们画点(x)对于我们校准曲线上的未知解:

吸光度 校正曲线

[CuSO4(水)] / mol L-1

阅读该图,我们看到吸光度为0.950对应于浓度为0.34 mol L-1

或者,如果我们知道校准曲线的直线的数学方程,则可以使用它来确定未知溶液的浓度。
在校准图上,我们得到以下表达式:

Abs = 2.78 × [CuSO4(水)]

这是校准曲线的数学方程式。
将未知溶液的吸光度值代入方程式:

0.950 = 2.78 × [CuSO4(水)]

将方程式的两边除以2.78:

(0.950 ÷ 2.78) = (2.78 ÷ 2.78) × [CuSO4(水)]

求解方程,找到未知溶液的浓度:

0.3417摩尔升-1 = [CuSO4(水)]

但是,我们仅使用2重要数字 表达我们未知溶液的浓度,即:

[CuSO4(水)] = 0.34 mol L-1

总之,要使用比色法确定有色溶液的浓度:

  1. 确定用于比色分析的光的波长(颜色)。
  2. 准备一组已知浓度的标准溶液。
  3. 使用比色计测量每种标准溶液的吸光度。
  4. 在图表上绘制每种标准溶液的吸光度与浓度的关系。
  5. 通过数据点绘制最合适的线。这是校准曲线。
  6. 使用比色计测量未知浓度溶液的吸光度。
  7. 使用校准曲线确定该溶液的浓度。

你明白吗?

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可行的示例:使用比色法确定溶液的浓度

问题: 化学家克里斯(Chris)需要确定深蓝色硫酸铜溶液的浓度。
首先,克里斯用移液管将25.00 mL溶液转移到100.00 mL容量瓶中,并用蒸馏水使溶液升至刻度。
接下来,克里斯准备了已知浓度的硫酸铜溶液并测量其吸光度,以建立如下所示的校准曲线:
吸光度 校正曲线

[CuSO4(水)] / mol L-1

然后克里斯测量稀释溶液的吸光度,发现其为0.506
确定原始硫酸铜溶液的浓度。

解决问题 使用StoPGoPS 解决问题的模型:

停! 陈述问题。 问您要做什么?

确定原始硫酸铜溶液的浓度。

[CuSO4(水)] = ? mol L-1

暂停! 计划。

您得到了什么信息(数据)?

校准曲线如上图所示。

Absorbance of diluted unknown solution = 0.506

100.00 mL稀溶液包含25.00 mL原始溶液

您所获得的数据与问题所要解决的是什么关系?

步骤1:在校准曲线上绘制稀释溶液的吸光度,以确定其浓度。

步骤2:确定未稀释的原始溶液的浓度:

ciVi = cfVf

ci = [CuSO4(水)(original)] = ? mol L-1

Vi = volume of CuSO4(水)(original) = 25.00 mL

cf = [CuSO4(水)(diluted)] = ? mol L-1 (根据校准曲线)

Vf = volume of CuSO4(水)(diluted) = 100.00 mL

走! 遵循计划。

步骤1:在校准曲线上绘制稀释溶液的吸光度,以确定其浓度。

吸光度 校正曲线

[CuSO4(水)] / mol L-1

[CuSO4(水)(diluted)] = 0.18 mol L-1

步骤2:确定未稀释的原始溶液的浓度:

ciVi = cfVf

ci = [CuSO4(水)(original)] = ? mol L-1

Vi = volume of CuSO4(水)(original) = 25.00 mL = 25.00 毫升 ÷ 1000 毫升/L = 0.02500 L

cf = [CuSO4(水)(diluted)] = 0.18 mol L-1 (根据校准曲线)

Vf = volume of CuSO4(水)(diluted) = 100.00 mL = 100.00 毫升 ÷ 1000 毫升/L = 0.10000 L

ci × 0.02500 L = 0.18 mol L-1 × 0.10000 L

ci × 0.02500 L = 0.018 mol

ci × 0.02500升 ÷ 0.02500升 = 0.018 mol ÷ 0.02500 L

ci = 0.72 mol L-1 (仅以2个有效数字为依据)

暂停! 思考合理性。 您回答了所提的问题吗?

是的,我们已经确定了未经稀释的原始硫酸铜溶液的浓度。

您对这个问题的解决方案合理吗?

考虑稀释溶液的吸光度(0.506)。 查看该图,我们看到这刚好低于0.20 M CuSO的吸光度4(水) 这是0.560,所以我们期望稀溶液的浓度略低于0.20 M,即(0.18 M)
我们还可以使用图中给出的校准曲线方程式来计算浓度:
Abs = 2.81 × [CuSO4(水)]
0.506 = 2.81 × [CuSO4(水)]
0.506 ÷ 2.81 = [CuSO4(水)] = 0.18 M
因此,我们有信心稀释溶液的浓度为0.18 M

接下来,比较稀释和未稀释(原始)溶液的相对浓度。
原始(未稀释)溶液的浓度必须大于稀释溶液的浓度。
[CuSO4(水)(diluted)] = 0.18 M
[CuSO4(水)(undiluted)] = 0.72 M
[CuSO4(水)(undiluted)] > [CuSO4(水)(diluted)] since 0.72 M > 0.18 M
因此,我们有理由相信我们的答案是正确的。

停! 说明解决方案。 原始硫酸铜溶液的浓度是多少?

[CuSO4(水)(original)] = 0.72 mol L-1

你可以申请这个吗?

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脚注:

(1)比色计有不同类型。
当白光与简单的色度计一起使用以通过眼睛比较光的颜色时,我们将其称为视觉比色法。
当人眼被光电管代替时,该仪器称为光电比色计。
滤光片光度计指的是使用光电色度计中本教程中介绍的彩色滤光片。 过滤器可以由有色玻璃或明胶制成。
可以使用紫外可见分光光度计,然后将其称为分光光度分析。 您可以在我们的网站中找到更多有关此的信息紫外可见光谱 教程。

(2)“色轮”指示我们应使用哪种颜色的“滤镜”。
同样,可能会给您一个补充色列表,而不是“色轮”,它只是向您指示在色度计中使用哪个“滤镜”:
波长(nm) 颜色透射 互补色
400 - 435 紫色 黄绿色
435 - 480 蓝色 黄色
480 - 490 蓝绿色 橙子
490 - 500 蓝绿色
500 - 560 绿色 紫色
560 - 580 黄绿色 紫色
580 - 595 黄色 蓝色
595 - 610 橙子 蓝绿色
610 - 750 蓝绿色

选择滤光片的更好方法是首先使用分光光度计构建吸收曲线,然后将其与可用滤光片组进行比较。
但是,对于本入门教程,我们对比色法的一般原理和应用而不是详细细节更感兴趣,因此我们将使用“色轮”。

(3)还有其他使用比色法确定溶液浓度的方法,但是,在本入门教程中,我们将使用最简单的方法,即绘制校准曲线。

(4)嗯...如果您使用彩色滤光片,则或多或少地使用特定波长。即,滤光器将波长限制在窄范围内。

(5)比色实验中使用的容器类型取决于您使用的比色计。
您可以使用称为Nesslar管的玻璃管。 Nesslar管除了底部平坦外,看起来像试管。
或者,您可以使用试管(窗帘)代替。比色杯看起来不太像试管,因为它的横截面是矩形而不是圆形,并且底部平坦。
重要的是,用于固定溶液的容器是无色的,并且具有均匀的横截面。