第四章 紫外-可见吸收光谱法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 紫外,可见吸收光谱法,Ultraviolet-visible spectrometry,UV/,Vis,1,2,第一节 分子吸收光谱概述,1,分子的能量及能级图,原子光谱为线状光谱，分子光谱为带状光谱；,原子光谱图,分子光谱图,3,分子中的能量,物质分子内部三种运动形式：,（,1,）电子相对于原子核的运动；,（,2,）原子核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,三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。,分子的内能：电子能量,E,e,、,振动能量,E,v,、转动能量,E,r,即,:,E,E,e+,E,v+,E,r,4,在分子的同一电子能级，因振动能量不同分为若干“支级”,振动能级，在同一振动能级中，因转动能量不同又分为若干“支级”,转动能级。,各能级之间的能量差,E,大小为：,E,e,E,v,E,r,5,紫外可见吸收光谱：,分子价电子能级跃迁,波长范围：,100-800 nm.,(1),远紫外光区,:,100-200nm,(2),近紫外光区,:,200-400nm,(3),可见光区,:,400-800nm,2,分子吸收光谱的产生及特点,6,能级跃迁,电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现,宽谱带,。,7,讨论：,（,1,）电子能级的能量差,e,较大,(1,20eV),。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外,可见光区，,紫外,可见光谱或分子的电子光谱,；,（,2,）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是,物质定性,的依据；,（,3,）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，,定量分析,的依据。,8,3,光吸收定律,吸收定律：,朗伯比尔,定律,A,Kcb,吸光度具有加和性。,成立条件,:,(1),入射光为单色平行光；,(2),吸收过程中各物质无相互作用；,(3),辐射与物质的作用仅限于吸收过程，无荧光、散射和光化学现象；,(4),吸收物是一种均匀分布的连续体系。,9,4,吸收曲线,10,1,电荷转移吸收光谱,第二节 金属配合物的紫外,可见吸收光谱,（自学）,某些同时具有电子给予体部分和电子接受体部分的分子，吸收紫外或可见光，电子从给予体外层轨道向接受体跃迁产生的光谱称为电荷转移光谱。,11,1.1,配位体,金属的电荷转移,这一过程相当于金属的还原，因此，具有较易还原的金属和较易氧化的配位体分子中，易产生这类电荷转移吸收光谱,12,1.2,金属,配位体的电荷转移,产生这种电荷转移的必要条件是金属离子容易被氧化（处于低氧化态），而配位体容易被还原，配位体具有空的反键轨道，可接受从金属离子中转移出来的电子。,13,1.3,金属,金属间的电荷转移,配合物中含有两种不同氧化态金属时，电子可以在两种不同氧化态金属之间转移，其中高氧化态金属起电子接受体的作用。,14,2,配位体场吸收光谱,在配体的作用下过渡金属离子的,d,轨道和镧系、锕系的,f,轨道裂分，吸收辐射后，产生,d,一,d,、,f,一,f,跃迁；,必须在配体的配位场作用下才可能产生也称,配位场跃迁,；,摩尔吸收系数,很小，对定量分析意义不大。,15,3,金属离子微扰的配位体内电子跃迁,金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。,16,1,有机化合物的电子跃迁类型,有机化合物的紫外,可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：,电子、,电子、,n,电子。,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态,(,反键轨道,),跃迁。主要有四种跃迁，所需能量,大小顺序为：,n,n,第三节 有机化合物的紫外,可见吸收光谱,17,1.1,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,200 nm,；,例：甲烷的,max,为,125nm,乙烷,max,为,135nm,。,只能被真空紫外分光光度计检测到；,作为溶剂使用；,18,1.2,n,跃迁,所需能量较大。,吸收波长为,150,250nm,，,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。杂原子的电负性越小，电子越易被激发，激发波长越长。,19,1.3,跃迁,所需能量较小，并且随双键共轭程度增加，所需能量降低。共轭作用使吸收大大增强，波长红移，,max,和,max,均增加。,吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，,max,一般在,10,4,L,mol,-1,cm,-1,以上，属于,强吸收,。,20,1.4,n,跃迁,所需能量最小,吸收波长一般都处于大于,200nm,的近紫外区，甚至还可能在可见光区。,跃迁几率小，是,弱吸收,带，一般,max,200nm,的光,),，但当它们与生色团相连时，就会与生色团上的不饱和键相互作用，增强生色团的生色能力,(,吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加,),，这样的基团称为,助色团,。,生色团和助色团,27,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长,max,和吸收强度发生变化。,max,向长波方向移动称为,红移,，向短波方向移动称为,蓝移,(,或紫移,),。吸收强度即摩尔吸光系数,增大或减小的现象分别称为,增色效应,或,减色效应,。,28,第四节 紫外,可见吸收光谱分析法,1,有机化合物的定性及结构分析,1.1,定性分析,结构确定的辅助工具,max,：,化合物特性参数，可作为定性依据；,max,，,max,都相同，可能是一个化合物；,标准谱图库：,46000,种化合物紫外光谱的标准谱图,29,1.2,结构分析,（,1,）推断有机物中可能存在的特征生色团及其共轭程度,1）,200-400,nm,无吸收峰。饱和化合物，单烯。,2）,270-350,nm,有吸收峰（,=10-100,）,醛酮,n,*,跃迁产生的吸收带。,3）,250-300,nm,有中等强度的吸收峰（,=200-2000,），,芳环的特征吸收。,4）,200-250,nm,有强吸收峰（,10,4,），,表明含有一个共轭体系。,260nm,，,300 nm,，,330 nm,有强吸收峰，,3,4,5,个双键的共轭体系。,30,（,2,）构形和构象的确定,互变异构：,酮式：,max,=204 nm,；,无共轭,烯醇式：,max,=243 nm,顺式：,max,=280nm,；,max,=10500,反式：,max,=295.5 nm,；,max,=29000,顺反式异构：,31,2,定量分析,2.1,显色反应及显色剂,显色反应的要求：,（,1,）灵敏度高,（,2,）选择性好，干扰少，或干扰容易消除,（,3,）生成的有色化合物组成恒定，符合一定的化学式,（,4,）有色化合物的化学性质足够稳定,（,5,）有色化合物与显色剂之间的颜色差别要大,32,影响显色反应的因素：,（,1,）显色剂用量,（,2,）溶液的酸度,（,3,）显色时间,（,4,）反应温度,（,5,）溶剂,（,6,）溶液中共存离子的影响,显色剂：,（,1,）无机显色剂,（,2,）有机显色剂,是含有生色团和助色团的化合物,33,2.2,定量分析方法,校准曲线法,测量条件的选择：,（,1,）入射光波长的选择,（,2,）控制适当的吸光度范围,（,3,）选择适当的参比溶液,（,4,）灵敏度校正,校准曲线偏离朗伯比尔定律的原因：,（,1,）非单色光引起的偏离,（,2,）散射光引起的偏离,（,3,）化学因素引起的偏离,34,由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。,设试样中有两组份,X,和,Y,，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：,2.3,多组分的同时测定,35,图,a),：,X,Y,组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。,图,b),和,c),：,X,Y,相互干扰，此时可通过解联立方程组求得,X,和,Y,的浓度：,其中，,X,Y,组份在波长,1,和,2,处的摩尔吸光系数,可由已知浓度的,X,Y,纯溶液测得。解上述方程组可求得,c,x,及,c,y,。,36,2.4,示差分光光度法,(1),高含量组分的分析,测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则,A,值很大，会产生读数误差。此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有：,A,x,=,Lc,x,(,待测物浓度,),A,s,=,Lc,s,(“,空白”浓度,),A=,A,x,-A,s,=,L(c,x,-c,s,)=,L,c,37,具体做法：,以浓度为,c,s,的标准溶液调,T=100%,或,A=0,（,调零），所测得的试样吸光度实际就是上式中的,A,，,然后求出,c,，,则试样中该组份的浓度为,(,c,s,+,c,),。,A=,A,x,-A,s,=,L(c,x,-c,s,)=,L,c,38,(2),低浓度法,先用空白参比溶液调节分光仪的透射率为,100,，再用一个比待测试液浓度稍高的参比液调节分光仪的投射率为,0,。此法适于痕量物质的测定。,39,(3),极限精密法,选择两个组分相同而浓度不同的标准溶液,(C,1,、,C,2,),作参比。待测试液的浓度介于两者之间。先用一个比试样浓度大的参比，调节投射率为,0,，再用一个比试样浓度小的参比，调节投射率为,100,。用此法测量试样的吸光度，在整个吸光度读书范围内都是适宜的，故称最精确。,40,3,络合物组成和络合平衡的研究,摩尔比法,41,等摩尔连续变化法,42,第五节 紫外,可见分光光度计,仪器,紫外,-,可见分光光度计,43,1,仪器的基本结构,光源,单色器,吸收池,检测器,读数装置,44,1.1,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,320,2500 nm,。,紫外区：氢、氘灯。发射,180,375 nm,的连续光谱。,45,1.2,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意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。,46,1.3,吸收池（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。,47,1.4,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，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,48,5.,读数装置,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,49,2,仪器类型,1.2,单光束,简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.2,双光束,自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,50,光路图,51,1.3,双波长,将不同波长的两束单色光,(,1,、,2,),快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。无需参比池。,=,1,2 nm,。,52,第六节 双波长及导数吸收光谱法的应用,1,双波长分光光度法,1.1,基本原理,将不同波长的两束单色光,(,1,、,2,),快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。无需参比池。,53,1.2,应用,因此，用双波长法可以消除因试样浑浊产生的背景吸收。,由于消除背景后的试样吸收与其浓度呈正比，因此可对试样进行定量分析。,（,1,）双波长法测定浑浊试样,当,1,和,2,的光束经过混浊试样后，根据吸光度的加和性，样品在,1,和,2,的吸光度应包括它们在,1,、,2,背景吸收部分，即：,A,1,=,1,cb,A,S1,A,2,=,2,cb,A,S2,A=,A,2,A,1,=(,2,-,1,),cb,54,（,2,）吸收光谱相互重叠组分的分析,等吸收点法,系数倍率法,55,2,导数吸收光谱法,用吸光度对波长求一阶或高阶导数并对波长,作图，可以得到导数光谱。对比尔定律,A=,bC,求导，得到：,因此，吸光度,A,的导数值与浓度,C,成比例。,导数光谱的特点在于,灵敏度高,，,可减小光谱干扰,。因而在分辨多组分混合物的谱带重叠、增强次要光谱,(,如肩峰,),的清晰度以及消除混浊样品散射的影响时有利。,56,第七节 紫外,可见吸收光谱法在环境中的应用,在国家环境保护局颁发的大气、水质监测项目,150,多种标准分析方法中，有,60,余种是紫外,可见吸收光谱法，在各类分析方法中所占的比例位居第一。,57,