第七章.1紫外可见分光分析法.ppt

,第七章 1.紫外可见光光度分析法,一、概述二、紫外可见吸收光谱三、分子吸收光谱与电子跃迁四、光的吸收定律,以物质的化学性质为基础的分析方法称为化学分析法。以被测物质的物理和物理化学性质为基础的分析方法称为物理分析法，又因为某些物理性质往往要通过仪器才能显示出来，所以又称为仪器分析法。仪器分析法主要包括光化学分析法、电化学分析法、色谱分析法、质谱分析法和放射化学分析法等，种类很多，而且新的方法在不断出现。,一、概述,基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。分为:光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。,二、紫外可见光光谱,光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：=c；波数=1/=/c 光是由光子流组成，光子的能量：E=h=h c/（Planck常数：h=6.626 10-34)光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光 单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成)可见光区：400-750 nm 紫外光区：近紫外区200-400 nm 远紫外区10-200 nm,紫外可见分子吸收光谱与电子跃迁,物质分子内部三种运动形式：（1）价电子相对于原子核的运动（2）分子内原子在其平衡位置附近的相对振动（3）分子本身绕其重心的转动 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 分子的内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er 即 EEe+Ev+Er,E电子 E振 E转,各对应于一定的能级。在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级Ev，其间隔Ev在0.051eV。每一振动能级上又有许多更小的转动能级Er，其能级间隔Er在0.00350.05eV。显然有EeEvEr。处于同一电子能级的分子因其振动能量不同而处于不同振动能级上；当分子处于同一电子能级又同一振动能级时，还因转动能量不同，而处于不同转动能级上。,分子吸收能量后,分子能级跃迁,即从基态能级跃迁至激发态能级。分子吸收的能量具有量子化的特征，即分子只吸收等于两个能级之差的能量：E=h=h c/由于三种能级跃迁所需能量不同,需要不同波长的光,即在不同的光学区出现吸收谱带。其中电子能级跃迁所需能量较大（1-20ev），若是5ev，代入上式，得到波长为248nm因此，由于电子能级跃迁而产生的吸收光谱主要位于紫外以及可见区（200-780nm）,这种分子光谱称为紫外可见光谱。,在电子能级跃迁时不可避免地要产生振动能级的跃迁。振动能级的能量差一般在0.025-1eV之间。如果能量差是0.1eV，则它为5eV的电子能级间隔的2，所以电子跃迁并不是产生一条波长为248nm的线，而是产生一系列的线，其波长间隔为2482 5nm。,因此，分子光谱是带状光谱,分子对辐射能的吸收具有选择性，吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max。吸收曲线的形状、max及吸收强度等与分子的结构密切相关。,共轭基团相同的不同分子，紫外、可见吸收光谱很相似。,O=CC=C,两分子具有相同的共轭基团,不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，max不变，浓度越大，吸光度越大；在max处吸光度随浓度变化的幅度最大。,紫外吸收光谱的产生,紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。因此，这种吸收光谱决定于分子中价电子的分布情况。按分子轨道理论，在有机化合物分子中有几种不同性质的价电子。形成单键的电子称为键电子；形成双键的电子称为键电子氧、氮、硫、卤素等合有未成对的孤对电子，称为n电子。当它们吸收一定能量后，这些价电子将跃迁到较高的能级(激发态)，此时电子所占的轨道称为反键轨道，一般可将这些跃迁分成如下类：,跃迁,所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的为125nm,乙烷max为135nm。,n跃迁 所需能量较大。吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n*跃迁的分别为173nm、183nm和227nm。,跃迁,所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯*跃迁的为162 nm。,n 跃迁 需能量最低，吸收波长200nm。吸收谱带强度较弱。分子中孤电子和键同时存在时发生n 跃迁。,电子跃迁所需能量大小为：*n*n*,1.饱和烃只有键电子，吸收很大的能量后，才能产生*跃迁，因而在远紫外区（10-200nm）才有吸收带。在紫外可见吸收光谱（200-700nm）中，为什么常用饱和烃（如己烷、庚烷、环己烷等）做溶剂？p271,当饱和单键碳氢化合物中的氢被含有n电子的杂原子（氧、氮、卤素、硫）取代时，产生什么现象呢？由于这类化合物分子中的氧、氮、卤素、硫具有n电子，n电子较键电子易于激发，使电子跃迁所需能量降低，E=h=h c/所以吸收波长向长波波长方向移动该现象为红移，此时产生n*的跃迁。,例：甲烷吸收峰：125-135nm，远紫外区 CH3I吸收峰：150-210nm（*跃迁）及259nm（n*跃迁，n非键轨道）CH2I2吸收峰:292nm CHI3吸收峰：349nm，助色团（Auxochrome）：含n*的基团，能使化合物的max红移的杂原子称助色团。如-NH2，-OH，-SR，Cl。,150-210nm,259nm,2.不饱和脂肪烃 若在饱和碳氢化合物中，引入含键基团，产生什么现象呢？含有孤立双键，具有电子，吸收能量后产生*跃迁在饱和碳氢化合物中（本来只有键电子，吸收很大的能量后，才能产生*跃迁），引入含键的基团，吸收能量后产生*跃迁E=h=h c/下降，使化合物的最大吸收波长移至紫外可见区域，这种基团称为生色团。生色团是含有能发生*或n*跃迁的基团（不饱和键）。,乙烯和丁二烯分子均产生了*吸收，但丁二烯分子*吸收所产生的吸收峰波长明显增加了，吸收强度也大为加强了，这是为什么呢？具有共轭双键的化合物，相间的键与键相互作用（-共轭效应），生成大键。由于大键各能级之间的距离较近（键的平均化），电子容易激发，所以吸收峰的波长就增加，生色团作用大为加强,这就是乙烯和丁二烯分子均产生了*吸收，但吸收峰却不同的原因。,这种由于共轭双键中-*跃迁所产生的吸收带成为K吸收带。其特点是强度大，吸收峰位置（max）一般在217-280nm范围内。K吸收带的波长及强度与共轭体系的数目、位置、取代基的种类等有关。例如共轭双键愈多，红移愈显著，甚至产生颜色。,3.芳香烃苯吸收光谱的特征：特征一，苯的吸收光谱含有两个强吸收带E1（max:185nm）E2（max;204nm）。苯的两个强吸收带是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收。,由于共轭双键中-*跃迁所产生的吸收带成为K吸收带。,以乙酰苯为例来讨论芳烃的吸收光谱的特征：特征一，乙酰苯的吸收光谱含有很强的K吸收带。乙酰苯的K吸收带是由乙酰苯的羰基与苯环的双键共轭产生的。,特征二，乙酰苯的吸收光谱含有强度较弱R吸收带（max 310-350nm）。乙酰苯的R吸收带是C=O中n-*跃迁所引起的。,特征三，乙酰苯的吸收光谱中，苯环的复杂的B吸收带简单化了，同时，吸收强度增加，发生深色移动。这是由于苯环与生色团（羰基）连接相互作用造成的。可见，取代基对苯的吸收光谱是有影响的。再举例说明之。,二取代苯的两个取代基在对位时，波长较大，而间位和邻位取代时，波长较小。例如：max=317.5nm max=273.5nm max=278.5nm,如果对位二取代苯的一个取代基是推电子基团，而另一个是拉电子基团，红移就非常大。例如 max=269nm max=230nm max=381nm,甲基为推电基团/卤素原子、-CN、硝基等为吸电子基,小总结,生色团 能吸收紫外、可见光的结构单元，是含有非键轨道和分子轨道的电子体系。,2)助色团是能使生色团吸收峰向长波方向位移并增强其强度的官能团，是带有非键电子对的基团。,OH,NH2,SH及卤族元素,3)红移和蓝移(或紫移)红移：吸收峰的波长max向长波方向移动。蓝移(紫移)：吸收峰的波长max向短波方向移动。,（二）有机物的吸收光谱,饱和烃及其取代衍生物,助色团带有非键电子对的基团。,OH,NH2,及卤族元素,红移,羰基化合物,R带：n*跃迁，弱吸收R吸收带是C=O中n-*跃迁所引起的。,K带：*跃迁，强吸收K吸收带是由羰基与苯环的双键共轭产生的,苯及其衍生物,苯的两个强吸收带是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收。,E1带:180 nm=60000,E2带:204 nm=8000,B带:250 nm=200,苯环上的取代基使 B带简化、红移，吸收强度增大。,稠环芳烃及杂环化合物,苯的三个吸收带红移，且强度增加。苯环的数目越多，波长红移越多。,常用溶剂有己烷、庚烷、环己烷、二氧杂己烷、水、乙醇等。注意，有些溶剂，特别是极性溶剂，对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响。这是因为溶剂和溶质之间常形成氢键，或溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起n*及*吸收带的迁移。,溶剂对紫外吸收光谱的影响（溶剂效应）,溶剂除对吸收波长有影响外，还影响吸收强度和精细结构。苯酚的B带吸收在非极性庚烷溶剂中，精细结构清晰可见，但在极性乙醇溶液中，完全消失，呈一宽峰。,与可见分光光度计不同之处：可测波长范围为200-1000nm/200-400nm（1）光源：用氢灯或氘灯。（2）单色器：用石英棱镜（或光栅）。（3）吸收池：用石英。（4）检测器：使用两支光电管，一为氧化铯光电管，用于625-1000nm范围；另一为锑铯光电管，用于200-625nm范围。,紫外分光光度计,仪器,紫外-可见分光光度计,一、基本组成 general process,光源,单色器,样品室,检测器,显示,1.光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,2.单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4.检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号,5.结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,1.定性分析 方法：在相同条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图，若两者的谱图相同，则可认为该待测试样与已知化合物有相同的生色团。物质紫外谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，紫外谱相同，两种化合物有时不一定相同。,2.有机化合物分子结构的推断：同分异构体例，乙酰乙酸乙酯存在下述酮-烯醇（共轭双键）互变异构体：,酮式在204nm处仅有弱吸收,烯醇式在245nm处有强的K吸收带,共轭程度强，所需跃迁能量低，波长大,3.纯度检查,如果一化合物在紫外区没有吸收峰而其中的杂质有较强吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。例如要检定甲醇或乙醇中的苯杂质，可利用苯在256nm处的B带吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收。,4.定量分析 原理及步骤与可见光度法相同。标准曲线法（工作曲线法）:第一步：绘制吸收曲线，找出测定波长第二步：配标准系列，测绘出标准曲线第三步：在相同条件下，配制样品，测其A第四步：在标准曲线上查出样品浓度。,1.朗伯比耳定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Ab,1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A c,二者的结合称为朗伯比耳定律,四、光的吸收定律,朗伯比耳定律数学表达式,Alg（I0/It)=b c 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位molL；：摩尔吸光系数，单位Lmolcm；或:Alg（I0/It)=a b c c：溶液的浓度，单位gL a：吸光系数，单位Lgcm a与的关系为：a=/M（M为摩尔质量）,透过度T:描述入射光透过溶液的程度:T=I t/I0吸光度A与透光度T的关系:A lg T,朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为1 g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,透光率T,3.偏离朗伯比耳定律的原因,标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：（1）物理性因素，即仪器的非理想引起的；（2）化学性因素。,（1）物理性因素,难以获得真正的纯单色光。朗比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。,非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,(2)化学性因素,朗比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c10 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：CrO42-2H=Cr2O72-H2O 溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH 对测定有重要影响。,一、普通分光光度法,1.单组分的测定 通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。2.多组分的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。A1=a1bca b1bcb A2=a2bca b2bcb,二、示差分光光度法（示差法）,普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。即采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs cx)。则：Ax=b cx As=b cs x s=b(cx cs）=bc,示差法测得的吸光度与c呈直线关系。由相应的c值，则待测溶液浓度cx：cx=cs+c,示差分光光度法与普通分光光度法的主要区别在于所采用的参比溶液不同，普通分光光度法是以试剂空白为参比，示差分光光度法是以比待测溶液浓度稍低的标准溶液作为参比溶液。,采用普通分光光度法用于高含量组分测定时会产生较大的测量误差，此时应采用示差分光光度法。,示差法为什么能较准确地测定高浓度组分呢？,示差法使透光度的读数标尺扩大了，使读数落入适宜读数范围内，读数误差减小，所以提高了测量的准确度。,1.采用普通光度法以试剂空白为参比溶液分别测定二者的透光度。假设：测得的待测溶液透光度为：Tx=5%标准溶液透光度为：Ts=10%,设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs cx)。,2.采用示差光度法以标准溶液cs为参比溶液测定，此时是用cs将仪器的透光度调节为100%（光吸收调零），然后测定待测溶液cx的透光度。此时标准溶液透光度为：Ts=100%则：测得的待测溶液透光度为：Tx=50%,普通光度法:cs:Ts=10%，cx:Tx=5%，示差法:cs:Ts=100%，cx:Tr=50%，透光度的读数标尺扩大了十倍。读数落入适宜读数范围内，提高了测量的准确度。,三、双波长分光光度法,不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(1和2)；以参比波长1处的吸光度A1作为参比，来消除干扰。在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。A A2 A1(2 1)b c 两波长处测得的吸光度差值A与待测组分浓度成正比。1和2分别表示待测组分在1和2处的摩尔吸光系数。,关键问题:,测量波长2和参比波长1的选择 以两组分x和y的双波长法测定为例：设：x为待测组分，y为干扰组分，二者的2和参比波长1吸光度差分别为:Ax和Ay，A A2 A1(2 1)b c则该体系的总吸光度差Ax+y为：Ax+y=A x+A y 如何选择波长1、2有一定的要求。,选择波长组合1、2的基本要求是：,选定的波长1和2处干扰组分应具有相同吸光度，即：Ay=A y2 A y1=0故：Ax+y=Ax+y=A x+A y A A2 A1(2 1)b cA x=(x2x1)bcx此时：测得的吸光度差A只与待测组分x的浓度呈线性关系，而与干扰组分y无关。,可采用作图法选择符合上述两个条件的波长组合。为满足上述要求，一般是选待测组分的最大吸收波长，和干扰组分等吸收波长。,在选定的两个波长1和2处待测组分的吸光度应具有足够大的差值。,知识重点,为什么分子光谱是带状光谱？P268紫外吸收光谱价电子跃迁的四种类型？P269红移助色团生色团为什么共扼双键分子红移显著？P273B吸收带简述异丙叉丙酮的溶剂效应p277偏离朗伯比耳定律的原因简述紫外吸收光谱的观察判断双键是否移动的方法。,Thanks,