显色反应及其影响因素

11．3．1 显色反应和显色剂

测定某种物质时，如果待测物质本身有较深的颜色，就可以进行直接测定。当待测离子无色或只有很浅颜色时，需要选择适当的试剂与被测离子反应，生成有色化合物，再进行测定，这是吸光光度法测定无机离子的最常用的方法，将无色或浅色的无机离子转变为有色离子或络合物的反应称为显色反应，所用的试剂称为显色剂。

1．显色反应的选择

按显色反应的类型来分，主要有氧化还原反应和络合反应两大类，而络合反应是最主要的。对于显色反应一般应满足下列要求：

①灵敏度要足够高，有色物质的ε应大于104；选择性好，干扰少，或干扰容易消除。

②有色化合物的组成恒定，符合一定的化学式；对于形成不同配比的络合反应，必须注意控制实验条件，使其生成组成一定的络合物，以免引起误差。

③有色化合物的化学性质应足够稳定，在测量过程中至少保证溶液的吸光度保持基本恒定。这就要求有色化合物不容易受外界环境条件的影响，如日光照射、空气中的氧和二氧化碳的作用等，此外也不应受溶液中其他化学因素的影响。

④有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大，即显色剂对光的吸收与有色化合物的吸收有明显区别，一般要求两者的吸收峰波长之差Δλ（称为对比度）大于60 nm。

2．显色剂

无机显色剂在光度分析中应用不多，例如用KSCN作显色剂测铁、钼、钨和铌；用钼酸铵作显色剂测硅、磷和钒；用过氧化氢作显色剂测钛等。但是因为生成的有色化合物不够稳定，灵敏度和选择性也不高，所以限制了无机显色剂的应用。

在吸光光度分析中应用较多的是有机显色剂，有机显色剂及其产物的颜色与它们的分子结构有密切关系。有机显色剂分子中一般都含有生色团和助色团。生色团是某些含不饱和键的基团，如偶氮基、对醌基和羰基等，这些基团中的电子被激发时所需的能量较小，波长为200 nm以上的光就可以做到，故往往可以吸收可见光而表现出颜色；助色团是某些含孤对电子的基团，如氨基、羟基和卤代基等，这些基团与生色团上的不饱和键相互作用，可以影响生色团对光的吸收，使颜色加深。

有机显色剂种类繁多，现简单介绍几种。

（1）磺基水杨酸

磺基水杨酸属于OO型螯合剂，可与很多高价金属离子生成稳定的螯合物，主要用于测定Fe3＋。磺基水杨酸 （Ssal）与Fe3＋在p H＝1．8～2．5时生成紫红色的Fe（Ssal）＋；在p H＝4～8时生成褐色的Fe（Ssal）2－；在p H＝8～11．5时生成黄色的Fe（Ssal）33－；在p H＞12时，有色络合物被破坏而生成Fe（OH）3。其中Fe（Ssal）＋的λmax和εmax为：

λmax＝520nm，εmax＝1．6×103L·mol－1·cm－1

（2）丁二酮肟

丁二酮肟属于NN型螯合显色剂，用于测定Ni2＋。在Na OH碱性溶液中，当有氧化剂 （如过硫酸铵）存在时，试剂与NP生成可溶性红色络合物。

λmax＝470nm，εmax＝1．3×104L·mol－1·cm－1

（3）1，10－邻二氮菲

1，10－邻二氮菲属于NN型螯合显色剂，是目前测定微量Fe2＋的较好试剂。用还原剂 （如盐酸羟胺）先将Fe3＋还原为Fe2＋，然后在p H＝3～9（一般控制p H＝5～6）的条件下，Fe2＋与试剂作用生成稳定的橘红色络合物。

λmax＝508nm，εmax＝1．1×104L·mol－1·cm－1

（4）二苯硫腙

二苯硫腙，属于含S显色剂，是目前萃取光度测定Cu2＋，Pb2＋，Zn2＋，Cd2＋， Hg2＋等很多重金属离子的重要试剂。采用控制酸度及加入掩蔽剂的方法，可以消除重金属离子之间的干扰，提高反应的选择性。如Pb2＋的二苯硫腙络合物：

λmax＝520 nm，εmax＝1．6×104L·mol－1·cm－1

（5）偶氮胂Ⅲ （铀试剂Ⅲ）

偶氮胂Ⅲ （铀试剂Ⅲ）属于偶氮类螯合剂，可在强酸性溶液中与Th（Ⅳ），Zr （Ⅳ），U（Ⅳ）等生成稳定的有色络合物，也可以在弱酸性溶液中与稀土金属离子生成稳定的有色络合物，是测定这些金属离子的良好显色剂。如偶氮胂Ⅲ与U（Ⅳ）生成的有色络合物：

λmax＝670nm，εmax＝1．2×105L·mol－1·cm－1

（6）铬天青S

铬天青S属于三苯甲烷类螯合显色剂，是测定Al3＋的重要试剂，在p H＝5～5．8的条件下与Al3＋显色。

λmax＝530nm，εmax＝5．9×104L·mol－1·cm－1

（7）结晶紫

结晶紫属于三苯甲烷类碱性染料，常用于测定Tl3＋。在HBr介质中，试剂与Tl Br4－生成有色的离子缔合物，可被醋酸异戊酯萃取。

3．多元络合物

多元络合物是由三种或三种以上的组分所形成的络合物。目前应用较多的是由一种金属离子与两种配体所组成的三元络合物。多元络合物在吸光光度分析中应用较普遍，以下介绍几种重要的三元络合物类型。

（1）混配化合物

混配化合物是由一种金属离子与两种不同配体通过共价键结合成的三元络合物，例如，V，H2O2和吡啶偶氮间苯二酚 （PAR）形成1∶1∶1的有色络合物，可用于钒的测定，其灵敏度高、选择性好。

（2）离子缔合物

金属离子首先与配体生成配阴离子或配阳离子，然后再与带反电荷的离子生成离子缔合物。这类化合物主要用于萃取光度测定，例如Ag＋与1，10－邻二氮菲形成配阳离子，再与溴邻苯三酚红的阴离子形成深蓝色的离子缔合物。用F－，H2O2，EDTA作掩蔽剂，可测定微量Ag＋。

（3）金属离子－配体－表面活性剂体系

许多金属离子与显色剂反应时，加入某些表面活性剂可以形成胶束化合物，使测定的灵敏度显著提高。在这种情况下，金属络合物的吸收峰向长波方向移动，这种现象在吸光光度法中称为红移。目前，常用于这类反应的表面活性剂有溴化十六烷基吡啶、氯化十四烷基二甲基苄胺、氯化十六烷基三甲基铵、溴化十六烷基三甲基铵、溴化羟基十二烷基三甲基铵、OP乳化剂等。例如，稀土元素、二甲酚橙及溴化十六烷基吡啶反应生成三元络合物，在p H＝8～9时呈蓝紫色，用于痕量稀土元素总量的测定。

11．3．2 影响显色反应的因素

显色反应能否完全满足分析的要求，除了主要与显色剂本身的性质有关外，还与显色反应的条件十分相关。如果显色条件不合适，将会影响分析结果的准确度。影响显色反应的因素主要有溶液酸度、显色剂用量、显色反应时间、显色反应温度、溶剂的影响等，这些因素都必须加以控制和选择。

1．溶液酸度

酸度对显色反应的影响很大，主要表现在三个方面。

（1）影响显色剂的平衡浓度和颜色

显色反应所用的显色剂不少是有机弱酸，显然，溶液酸度的变化将影响显色剂的平衡浓度，并影响显色反应的完全程度。例如，金属离子M＋与显色剂HR作用，生成有色络合物MR：

可见，增大溶液的酸度，将对显色反应不利。

另外，有一些显色剂具有酸碱指示剂的性质，即在不同的酸度下有不同的颜色。例如1－ （2－吡啶偶氮）间苯二酚 （PAR），当溶液p H＜6时，主要以H2R的形式 （黄色）存在；p H＝7～12时，主要以HR－的形式 （橙色）存在；p H＞13时，主要以R2－的形式 （红色）存在。大多数金属离子和PAR生成红色或红紫色络合物，因而PAR只适宜在酸性或弱碱性环境中进行测定。在强碱性溶液中，显色剂本身的红色会影响分析。

（2）影响被测金属离子的存在状态

大多数金属离子容易水解，当溶液的酸度降低时，可能形成一系列氢氧基或多核氢氧基配离子。酸度更低时，可能会进一步水解生成碱式盐或氢氧化物沉淀，从而影响显色反应。

（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，络合物的配比往往不同，其颜色也不同。例如磺基水杨酸与Fe3＋的显色反应，当溶液p H分别为1．8～2．5，4～8，8～11．5时，将分别生成配比为1∶1（紫红色），1∶2（棕褐色）和1∶3（黄色）三种颜色的络合物，故测定时应严格控制溶液的酸度。

显色反应的适宜酸度是通过实验来确定的，方法是通过实验作出吸光度－p H关系曲线，从图上来确定适宜的p H范围。

2．显色剂用量

显色反应在一定程度上是可逆的。为了减少反应的可逆性，一般需加入过量显色剂。但显色剂不是越多越好，对于有些显色反应，显色剂若加入太多，反而会引起副反应，对测定不利。在实际工作中，显色剂的适宜用量是通过实验来求得的，方法是固定被测组分的浓度和其他条件，只改变显色剂的加入量，并测量吸光度，作出吸光度－显色剂用量的关系曲线，当显色剂用量达到某一数值而吸光度无明显增大时，表明显色剂用量已足够。

3．显色反应时间

有些显色反应瞬间完成，溶液颜色很快达到稳定状态，并在较长时间内保持不变；有些显色反应虽能迅速完成，但有色化合物很快开始褪色；有些显色反应进行缓慢，溶液颜色需经一段时间后才稳定。因此，必须通过实验来确定最适合测定的时间区间。实验方法为配制一份显色溶液，从加入显色剂起开始计算时间，每隔几分钟测量一次吸光度，制作吸光度－时间曲线，根据曲线来确定适宜的时间。一般来说，对那些反应速率很快、有色化合物又很稳定的体系，测定时间的选择余地很大。

4．显色反应温度

显色反应通常在室温下进行，但是有些显色反应必须加热至一定温度才能完成。例如，用硅钼酸法测定硅的反应，在室温下需10 min以上才能完成，而在沸水浴中则只需30 s便能完成。但需要注意的是，有些显色剂或有色化合物在温度较高时容易分解。

5．溶剂

有机溶剂常降低有色化合物的解离度，从而提高显色反应的灵敏度。如在Fe（SCN）3的溶液中加入与水混溶的有机溶剂 （如丙酮），由于降低了Fe（SCN）3的解离度而使颜色加深，提高了测定的灵敏度。此外，有机溶剂还可能提高显色反应的速率，影响有色络合物的溶解度和组成等。如用偶氮氯膦Ⅲ法测定Ca2＋，加入乙醇后，吸光度显著增大；又如用氯代磺酚S法测定铌时，在水溶液中显色需几小时，加入丙酮后则只需30 min。

6．干扰物质

试样中存在的干扰物质会影响显色反应，造成光度分析的误差，在11．4中将作深入讨论。