光谱分析法 显色反应 知识3 袁宁宁

一、显色反应 显色反应主要有两类：氧化还原显色反应和配位显色反应。 某些元素的氧化态，如 Mn(Ⅶ)、Cr(Ⅵ)等具有特征的颜色，可利用氧化还原反应使被测组分的氧化态转变而呈现相应颜色(如 Mn2+→MnO4- )。 当金属离子与有机显色剂配位反应时，形成的配合物大多具有特征的颜色，因此配位显色反应应用较多。

① 选择性好。选用的显色剂最好只与待测组分发生显色反应，或很少与其他组分发生显色反应。这样才有利于排除干扰。 ②灵敏度高。摩尔吸光系数ε是衡量显色反应灵敏度的重要标志，应选择生成有色物质的ε值较大的显色反应。一般当ε值为104数量级时，可以认为是灵敏度较高。 ③有色化合物组成恒定、化学性质稳定。这样才能保证测定过程中吸光度基本不变。 ④有色化合物和显色剂之间的颜色有较大的差别。这样，在测定吸光度时显色剂本身无明显吸收，可以提高测定的准确度。 ⑤显色反应条件易于控制。如果反应条件要求太苛刻，难以控制，就会影响测定结果的重现性。

二、显色剂 显色剂可分为无机显色剂和有机显色剂两大类。 1．无机显色剂 有些无机试剂能与金属离子发生显色反应，如Cu 2+与NH3·H2O形成深蓝色配合物；Fe 3+与SCN-形成血红色配合物等。但多数无机有色配合物组成不恒定，也不稳定，比色分析的灵敏度不高，选择性较差。目前尚有实用价值的主要有琉氰酸盐(测定Fe、Mo、W、Nb等)、钼酸铵(测定Si、P、W 等)及过氧化氢(测定Ti、V等)。

2．有机显色剂 许多有机显色剂与金属离子生成稳定的螯合物，具有特征的颜色，其选择性和灵敏度都比无机显色剂高，因而得到了广泛的应用。例如，1，10-邻二氯杂菲可与Fe 2+生成稳定的橙红色配合物：双硫踪(二苯基硫代卡巴腙)与一些重金属离子(Cu 2+、Pb 2+、Zn 2+、Cd2+、Hg 2+ )的显色反应很灵敏，利用控制酸度和适当掩蔽的办法，可以提高反应的选择性；PAR(4-(2-吡啶偶氮)-间苯二酚)及其衍生物，在不同条件下可与很多金属离子生成红色或紫红色可溶于水的配合物，是广泛应用的显色剂。 利用两种试剂与待测物质形成三元配合物的显色反应(三元配合物是指由三个组分形成的配合物)，选择性与灵敏度都好。

1、显色剂用量 显色反应一般可用下式表示： M + R = MR 待测离子 显色剂 有色化合物 待测离子 显色剂 有色化合物 反应在一定程度上是可逆的。从反应平衡角度上看，加入过量的显色剂可使平衡向右移动，显然有利于 MR 的生成，使反应尽可能进行完全，但不能过量太多，否则会引起副反应，例如增加了试剂空白或改变配合物的组成等，对测定反而不利。因此，显色剂一般应适当过量。 在实际工作中，显色剂的适宜用量是通过实验来确定的。实验方法是保持待测组分浓度和其它条件不变，在相同条件下分别加入不同量的显色剂测定其吸光度，绘制吸光度-显色剂用量曲线( A-CR 曲线)，一般所得曲线如图 9-6 所示。 可以看出，当显色剂浓度 CR 在 0～a 范围内时，显色剂用量不足，待测组分没有完全转变为有色配合物，所以随着显色剂浓度增大，生成的有色配合物增多，吸光度增大。CR 在 a～b 范围内，曲线平直，吸光度出现稳定值，表示显色剂浓度已足够。因此可在 a～b 间选择合适的显色剂用量。

2、溶液的酸度 酸度是显色反应的重要条件，它对显色反应的影响主要有下面几方面。 (1)、当酸度不同时，同种金属离子与同种显色剂反应，可以生成不同配位数的不同颜色的配合物。例如 Fe3+ 可与水杨酸在不同 pH 条件下，生成配位比不同的配合物。 pH < 4 [Fe(C7H4O3)]+ 紫红色 (1:1) pH ≈ 4～7 [Fe(C7H4O3)2]- 橙红色 (1:2) pH ≈ 8～10 [Fe(C7H4O3)3]3- 黄 色 (1:3) 可见只有控制溶液的 pH 在一定范围内，才能获得组成恒定的有色配合物，得到正确的测定结果。

(2)、溶液酸度过高会降低配合物的稳定性，特别是对弱酸型有机显色剂和金属离子形成的配合物的影响较大。当溶液酸度增大时显色剂的解离下降，有效浓度要减少，显色能力被减弱。有色物的稳定性也随之降低。因此显色时，必须将酸度控制在某一适当范围内。

(3)、溶液酸度变化，显色剂的颜色可能发生变化。其原因是：多数有机显色剂往往是一种酸碱指示剂，它本身所呈的颜色是随 pH 变化而变化的。例如 PAR(吡啶偶氮间苯二酚)是一种二元酸(表示为 H2R )它所呈的颜色与 pH 的关系如下： pH = 2.1～4.2 黄色(H2R) pH = 4～7 橙色(HR-) pH > 10 红色(R2-) PAR 可作多种离子的显色剂，生成的配合物的颜色都是红色，因而这种显色剂不能在碱性溶液中使用。否则，因显色剂本身的颜色与有色配合物颜色相同或相近，将无法进行分析。

(4)、溶液酸度过低可能引起被测金属离子水解产生碱式盐或氢氧化物沉淀，因而破坏了有色配合物，使溶液颜色发生变化，甚至无法测定。 综上所述，酸度对显色反应的影响是很大的而且是多方面的。显色反应适宜的酸度必须通过实验来确定。其方法是：保持待测组分及显色剂的浓度不变，改变溶液 pH 值，制得数个显色液。在相同测定条件下分别测定其吸光度，作出 A～pH 关系曲线，如图 12-7 所示。选择曲线平坦部分对应的 pH 作为应该控制的 pH 范围。测定时加入酸碱缓冲溶液控制酸度。

3、显色温度 不同的显色反应对温度的要求不同。大多数显色反应是在常温下进行的，但有些反应必须在较高温度下才能进行或进行得比较快。例如 Fe 3+ 和邻二氮菲的显色反应常温下就可完成，而硅钼蓝法测微量硅时，应先加热，使之生成硅钼黄，然后将硅钼黄还原为硅钼蓝，再进行光度法测定。也有的有色物质加热时容易分解，例如Fe(SCN)3 ，加热时褪色很快。因此对不同的反应，应通过实验找出各自适宜的显色温度范围。 由于温度对光的吸收及颜色的深浅都有影响，因此在绘制工作曲线和进行样品测定时应该使溶液温度保持一致。

4、显色时间 在显色反应中应该从两个方面来考虑时间的影响。一是显色反应完成所需要的时间，称为“显色(或发色)时间”；二是显色后有色物质色泽保持稳定的时间，称为“稳定时间”。适宜的吸光度测量时间必须通过实验来确定。 确定适宜时间的方法：配制一份显色溶液，从加入显色剂开始计算时间，每隔一定时间测吸光度一次，绘制吸光度-时间关系曲线。曲线平坦部分对应的时间就是测定吸光度的最适宜时间。

5、溶剂的选择 有机溶剂常常可以降低有色物质的解离度，增加有色物质的溶解，从而提高了测定的灵敏度，例如 Fe(SCN) 2+ 在 90％乙醇中的稳定性是在水中的稳定性的200倍。可见 Fe(SCN) 2+ 在 90％乙醇中的稳定性大大提高，颜色也明显加深。因此，利用有色化合物在有机溶剂中稳定性好，溶解度大的特点，可以选择合适的有机溶剂，采用萃取光度法来提高方法灵敏度和选择性。

6、显色反应中的干扰及其消除 (1)、干扰离子的影响 分光光度法中共存离子的干扰主要有以下几种情况： ① 共存离子本身具有颜色。如Fe 3+、Ni 2+、Co 2+、Cu 2+、Cr 3+ 等的存在影响被测离子的测定。 ② 共存离子与显色剂或被测组分反应，生成更稳定的配合物或发生氧化还原反应，使显色剂或被测组分的浓度降低，妨碍显色反应的完成，导致测量结果偏低。 ③ 共存离子与显色剂反应生成有色化合物或沉淀，导致测量结果偏高。若共存离子与显色剂反应后生成无色化合物，但由于消耗了大量的显色剂，致使显色剂与被测离子的显色反应不完全。

(2)、干扰的消除方法 干扰离子的存在给分析工作带来不小的影响。为了获得准确的结果，需要采取适当的措施来消除这些影响。消除共存离子干扰的方法很多，此处仅介绍几种常用方法，以便在实际工作中选择使用。 ① 控制溶液的酸度 这是消除共存离子干扰的一种简便而重要的方法。控制酸度使待测离子显色，而干扰离子不生成有色化合物。例如：以磺基水杨酸测定 Fe 3+ 时，若 Cu 2+ 共存，此时 Cu 2+ 也能与磺基水杨酸形成黄色配合物而干扰测定。若溶液酸度控制在 pH = 2.5，此时铁能与磺基水杨酸形成配合物，而铜就不能，这样就可以消除 Cu 2+ 的干扰。

② 加入掩蔽剂，掩蔽干扰离子 采用掩蔽剂来消除干扰的方法是一种有效而且常用方法。如用 NH4SCN 作显色剂测定 Co 2+ 时，共存离子 Fe 3+ 有干扰。这时可加入 NaF 使 Fe 3+ 生成无色的 FeF63-，这种配离子很稳定，对测定无干扰。 该方法要求加入的掩蔽剂不与被测离子反应，掩蔽剂和掩蔽产物的颜色必须不干扰测定。表 9-4 列出分光光度法中常用的掩蔽剂，以便在实际工作中参考使用。

③ 改变干扰离子的价态以消除干扰 利用氧化还原反应改变干扰离子价态，使干扰离子不与显色剂反应，以达到目的。例如：用铬天菁 S 显色 Al 3+ 时，Fe 3+ 有干扰。若加入抗坏血酸或盐酸羟胺便可以使 Fe 3+ 还原为 Fe2+，从而消除了干扰。 ④ 选择适当的入射光波长消除干扰 例如用 4-氨基安替吡啉显色测定废水中酚时，氧化剂铁氰化钾和显色剂都呈黄色，干扰测定，但若选择用 520 nm 单色光为入射光，则可以消除干扰，获得满意结果。因为黄色溶液在 420 nm 左右有强吸收，但 500 nm 后则无吸收。

⑤ 分离干扰离子 当没有适当掩蔽剂或无合适方法消除干扰时，应采用适当的分离方法(如电解法、沉淀法、溶剂萃取及离子交换法等)，将被测组分与干扰离子分离，然后再进行测定。其中萃取分离法使用较多，可以直接在有机相中显色。

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