比色法（色度学）化学教程

关键概念

• 比色法（比色法）也称为比色分析（比色法分析）。
• 比色法（比色法）是化学家用来确定有色溶液浓度的一种分析技术。
• 溶液是有色的，因为它吸收构成“白光”的不同波长的不同量。
• 色度计（色度计）是一种用于测量有色溶液对光的吸收率的仪器。⁽¹⁾
• 比色分析所选择的波长是为有色溶液提供最大吸收的波长。

  我们可以使用“色轮”来确定要使用的光的颜色。⁽²⁾

• 溶液颜色的强度与溶液的浓度有关。

  溶液浓度越高，颜色越浓。

• 要使用比色法确定溶液的浓度：

  （1）确定用于比色分析的光的波长（颜色）。

  （2）准备一套已知的标准解决方案浓度.

  （3）使用比色计测量每种标准溶液的吸光度。

  (4) 情节 图上每种标准溶液的吸光度与浓度的关系。⁽³⁾

  （5）画出最合适的线 通过数据点。这是校准曲线。

  （6）用比色计测量浓度未知的溶液的吸光度。

  （7）使用校准曲线确定该溶液的浓度。

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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：

• 溶解在水中的硫酸铜产生蓝色溶液（CuSO_4（水）)
• 高锰酸钾溶解在水中会产生紫色溶液（KMnO_4（水）)
• 溶解在水中的硫氰酸铁（III）产生红色溶液（FeSCN²⁺_（水）)
• 溴水是红棕色溶液（溴_2（水）)
• 溶解在水中的碘是黄棕色溶液
• 的复杂 淀粉和碘之间形成的是深蓝色
• 酸碱指示剂 解决方案有多种颜色可供选择

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

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→ 解 &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→ 解 &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！

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CuSO_4（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 解	灯的颜色 在比色计中使用
黄色	紫色
橙子	蓝色
红	绿色
紫色	黄色
蓝色	橙子
绿色	红

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CuSO_4（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稀 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 × [CuSO_4（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 × [CuSO_4（水）]

将方程式的两边除以2.78：

(0.950 ÷ 2.78) = (2.78 ÷ 2.78) × [CuSO_4（水）]

求解方程，找到未知溶液的浓度：

0.3417摩尔升^-1 = [CuSO_4（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：

[CuSO_4（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。

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：