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显色反应及其影响因素
日期：2024-05-14 16:20
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摘要：
显色反应及其影响因素
分光光度法应用的显色反应，按反应类型，主要有氧化还原反应和络合反应两大类，其中络合反应是*主要的。
1 分光光度法对显色反应的要求
对于显色反应，一般应满足下列要求：
1) 择性好、干扰少或干扰容易消除。
2)敏度高。分光光度法一般用于微量组分的测定，故一般选择生成有色化合物的摩尔吸光系数高的显色反应。但灵敏度高的反应不一定选择性好，所以必须**加以考虑。同时对于高含量组分的测定，不一定选用*灵敏的显色反应。
3)有色化合物的组成恒定，符合一定的化学式。对于形成不同络合比的络合反应，必须注意控制试验条件，使生成一定组成的络合物，以免引起误差。
4)有色化合物的化学性质应足够稳定，至少保证在测量过程中溶液的吸光度变化很小。这就要求有色化合物不容易受外界环境条件的影响，诸如日光照射、空气中的氧和二氧化碳的作用等，同时亦不应受溶液中其它化学因素的影响。
5)有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大。这样显色时的颜色变化鲜明，而且在这种情况下试剂空白一般较小。有色化合物与显色剂之间的颜色差别，通常用“反衬度（对比度）”表示，它是有色化合物MR和显色剂R的*大吸收波长之差λ：
λ＝λMR*大－λR*大 （2-6）
一般要求λ在60nm以上。
2 影响显色反应的因素
影响显色反应的因素主要包括以下几个方面：
2.1 显色剂的用量
显色反应一般可用下式表示：
M ＋ R MR
被测组分 显色剂 有色化合物
为了保证显色反应应尽可能地进行完全，一般需要加入过量显色剂。但不是显色剂越多越好。对于有些显色反应，显色剂加入太多，反而会引起副反应，对测定不利。在实际工作中，通常根据试验结果来确定显色剂的用量。试验的方法是使被测组分浓度不变，加入不同量的显色剂，在其他条件相同的情况下测定吸光度。
显色剂用量对显色反应的影响是各种各样的，一般有三种可能出现的情况，如图2-1(a)、(b)、(c)所示。其中(a)的曲线是比较常见的。开始时随着显色剂浓度的增加吸光度不断增加，当显色剂浓度达到某一数值时，吸光度不再增大，出现ab平坦部分。这意味着显色剂浓度已足够，因此可以在ab之间选择合适的显色剂浓度。
图(b)与(a)不同的地方是曲线的平坦区域较宽，当显色剂浓度继续增大时，吸光度反而下降。如硫氰酸盐测定钼就是这种情况。因为Mo(Ⅴ)与SCN－生成一系列配位数不同的络合物：
Mo(SCN)2+3 Mo(SCN)5 Mo(SCN)6-
浅红 橙红 浅红
如果SCN－浓度太高，由于生成浅红色的Mo(SCN)6-络合物，使吸光度降低。遇此情况，应严格控制显色剂的量，否则得不到正确的结果。
图(c)与前两种情况完全不同，当显色剂的浓度不断增大时，吸光度不断增大。如SCN－测定Fe3+时，随着SCN－浓度的增大，生成颜色愈来愈深的高配位数络合物Fe(SCN)-4、Fe(SCN)2-5，溶液颜色由橙黄色变至血红色。对于这种情况，只有十分严格控制显色剂的量，测定才有可能进行。
2.2 溶液的酸度
酸度对显色反应的影响主要有如下几方面：
（1） 影响显色剂的浓度和颜色
显色反应所用的显色剂不少是有机弱酸，显然，溶液的酸度将影响显色剂的离解，并影响显色反应的完全程度。这可从下列反应式看出
M+HR MR+H+
图2-1 吸光度与显色剂浓度的关系
可见，酸度增加对显色反应是有利的。
同时，许多显色剂具有酸碱指示剂性质，即在不同的酸度下有不同的颜色。遇此情况，在选择酸度时需加以考虑。例如1-（2-吡啶偶氮）-间苯二酚（PAR），由离解平衡可以看出，当溶液的pH值小于6时，主要以黄色H2R形式存在；pH7～12时，主要以橙色HR-形式存在；pH大于13时，主要以红色R2-形式存在。大多数金属离子和PAR生成红色和红紫色络合物，因而PAR只适宜在酸性或弱酸性溶液中进行比色测定。在碱性溶液中，显色剂本身已显红色，比色测定显然难以进行。
pKa1 pka2
H2R H+ + HR- H+ +R2-
6.9 12.4
黄色 橙色 红色
(2) 影响被测金属离子的存在状态
大部分金属离子很容易水解，当溶液的酸度降低时，它们在水溶液中除了以简单的金属离子形式存在外，还可能形成一系列的羟基或多核羟基络离子。如Al3+在pH≈4时，即有下列水解反应发生：Al(H2O)63+ Al(H2O)5OH2+ + H+
2Al(H2O)5OH2+ Al2(H2O)6(OH)33+
当酸度更低时，可能进一步水解生成碱式盐或氢氧化物沉淀。显然，这些水解反应的存在，对显色反应的进行是不利的。如生成沉淀，则使显色反应无法进行。
(3) 影响络合物的组成
对于某些生成逐级络合物的显色反应，酸度不同，络合物的络合比不同，其色调也不同。如磺基水杨酸与Fe3+的显色反应，在不同酸度的条件下，可能生成1:1、1:2和1:3三种颜色不同的络合物，故测定时应控制溶液的酸度。
显色反应*适宜的酸度，通常是通过实验来确定的。具体的方法是固定溶液中被测组分与显色剂的浓度，调节溶液不同的pH值，测定溶液吸光度。用pH值作横坐标，吸光度作纵坐标，作出pH值与吸光度关系曲线，图2-2，从中找出*适宜的pH值。
A
pH
图2-2 pH值与吸光度关系曲线
2.3 显色温度
在一般情况下，显色反应大多在室温下进行。但是，有些显色反应必须加热到一定温度才能完成。如用过硫酸铵(在硝酸银的存在下)氧化Mn2+生成MnO4-的的显色反应就是如此。又如用硅钼蓝法测定硅时，生成硅钼黄的反应，在室温下需10min以上才能完成，在沸水浴中则只需30s。某些有色化合物在温度较高时容易分解，这一情况是应该注意的。
2.4 显色时间
有些有色化合物能瞬间形成，颜色很快达到稳定状态，并在较长时间保持不变；有些有色化合物虽能迅速形成，但很快就开始褪色；有些化合物形成缓慢，需经一段时间后颜色才稳定。因此，应根据实际情况，确定在*合适的时间内进行测定。
2.5 溶剂
有机溶剂会降低有色化合物的离解度，从而提高了显色反应的灵敏度。同时，有机溶剂还可能提高显色反应的速度，以及影响有色络合物的溶解度和组成。如用偶氮氯膦Ⅲ测Ca2+，加入乙醇后吸光度显著增加。又如用氯代磺酚S测Nb，在水溶液中显色须几小时，加入丙酮后则只需30min。
2.6 溶液**存离子的影响
如果共存离子本身有颜色，如Fe3+、Ni2+、Cr3+、Cu2+、Co2+等则会造成干扰。如果共存离子和被测组分或显色剂生成无色络合物，这将降低被测组分或显色剂的浓度，从而影响显色剂与被测组分的反应，引起负误差。如果共存离子与显色剂生成有色络合物，则引起正误差。上述各种干扰情况可用下列几种方法消除。
（1） 控制溶液的酸度。如用二苯硫腙测定Hg2+时，Cu2+、Co2+、Ni2+、Sn2+、Zn2+、Pb2+、Bi3+等均干扰，如果在稀硫酸(0.5mol/L)介质中，则上述离子都不与二苯硫腙作用。
（2） 加入掩蔽剂。如用二苯硫腙测定Hg2+时，在0.5 mol/LH2SO4介质中尚不能消除Ag+和大量Bi3+的干扰，这时可加入KSCN掩蔽Ag+，用EDTA掩蔽Bi3+，从而达到消除干扰的目的。
（3） 利用氧化还原反应改变干扰离子的价态，以消除干扰。如用铬天箐S比色测定铝时，Fe3+有干扰，加入抗坏血酸将Fe3+还原为Fe2+后，干扰即可消除。
（4） 利用校正系数。例如硫氰酸盐法测定钢中W时，V(Ⅳ)会与SCN-生成蓝色(NH4)2［VO(SCN)4］络合物，干扰测定。为扣除V(Ⅳ)的干扰，常用校正系数法。即在相同的条件下，用标准钨和钒通过实验求出1％钒相当于使结果偏高0.20％（随实验条件不同略有变化）。这样，试样中钒量事先测得后，就可以从钨的测定结果中扣除钒的影响，从而求得钨的含量。
（5） 利用参比溶液消除显色剂和某些有色共存离子的干扰。例如用铬天箐S比色测定钢中铝时，Ni2+、Cr3+等干扰。为此取一定量的试液，加入少量NH4F，使Al3+与F-生成AlF63-络合物而被掩蔽。然后加入显色剂及其他试剂，以此作为参比溶液，这样便消除了Ni2+、Cr3+的干扰，也消除了显色剂本身颜色的影响。
（6） 选择适当的波长。例如用丁二酮肟比色法测定钢中镍时，Ni(Ⅳ)与丁二酮肟的络合物 λ*大吸收峰在460nm～470nm处。由于用酒石酸钾钠或柠檬酸钠掩蔽Fe3+，考虑到酒石酸铁络合物在460nm～470nm处也有一定的吸收，会干扰镍的测定。因此便选用520nm～530nm波长处作镍的测定，这样灵敏度虽稍低些，但却消除了Fe3+的干扰。
（7） 采用适当的分离方法。
