紫外-可见吸收光谱法.ppt

紫外-可见吸收光谱法,5.1 概述,根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收对物质进行定性、定量和结构分析的方法。 紫外光的波长10-400nm。分为远紫外（10-200nm），近紫外（200-400nm）。 可见光的波长（400-750nm）。,特点： 1、灵敏度高 2、准确度高 3、设备简单，费用少，分析速度快。 4、应用范围广。,一、分子吸收光谱的产生及其类型,M+hM* 分子的能量 分子电子振动转动 每种能量是量子化的，分子能量的变化即： 分子电子 振动 转动,能量,E0,E1,E2,e0,e3,e1,e2,e0,e4,e1,e3,e2,e4,e”2,e”1,e”0,e”3,e”4,IR,振动能级,分子的能级图,2.E电子=120eV 紫外可见吸收光谱 E振动=0.051eV 振动-转动光谱 E转动=0.0050.05eV 转动光谱 E电子E振动E转动,二、光谱吸收曲线,各种物质都有特征的分子能级，内部结构的差异决定了它们对光的吸收是具有选择性的。 光谱吸收曲线将各种波长的单色光依次通过一定浓度的某种物质的溶液，测吸光度，然后作图。,吸收曲线,吸收曲线,吸收曲线的讨论：,1、同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max。 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。,吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。 4、不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 5、在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,5.2 朗伯-比尔定律,一、吸光度和透射比 设入射光的强度为I0，吸收光强度为Ia，透射光强度为It，反射光强度为Ir ，则 I0= Ia+ It+ Ir 在吸收光谱中，待测试液和参比试液的吸收池材质和厚度相同，Ir基本不变，且小，其影响可以互相抵消。 I0= Ia+ It,透射比：T= It/ I0 吸光度的定义：A=lgI0/ It=-lgT,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、Lambert-Beer 定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即 k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。 当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即 当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以 表示，即 比 a 更常用。 越大，表示方法的灵敏度越高。 与波长有关，因此， 常以表示。,摩尔吸光系数的讨论 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数； 不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关； 可作为定性鉴定的参数； 同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。,max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。 105 ： 超高灵敏； =(6-10）104 ： 高灵敏； 2104 ： 不灵敏。 在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,三、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）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。,四、有机化合物紫外-可见吸收光谱,一、电子跃迁类型 有机分子包括： 成键轨道，。 反键轨道*，*。 非键轨道n,各轨道的的能级顺序 n * 分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,n* * n* *,(一) *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max为125nm,乙烷max为135nm。,(二) 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。,一些化合物的n *跃迁数据,max:nm max:Lcm-1mol-1,(三) n*跃迁 需能量最低，最大吸收波长200nm，这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10-100Lmol1 cm1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生n* 跃迁。丙酮n*跃迁的max为275nm max为22 Lmol1 cm 1（溶剂环己烷)。,(四) *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，最大吸收波长在200nm左右，摩尔吸光系数max一般在104Lmol1cm1以上，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。,相关术语,生色团：（Chromogenesis group） 最有用的紫外可见光谱是由*和n*跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基等。,助色团： （Auxochromous group） 有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生*共轭作用，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。,红移或蓝移（Redshift or blueshift）： 在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。,无溶剂效应,极性溶剂效应,能量,n,*,*,n,溶剂极性对n*和*跃迁能量的影响,二、有机化合物的紫外可见光谱 饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（ ）跃迁到反键轨道（ *）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。,饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n* 的跃迁。 n* 的能量低于*。 例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。 直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。,2.不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。 *跃迁的能量小于 *跃迁。例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为180nm 在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长， *跃迁的吸收带 将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中， *跃迁产生的吸收带又称为K带。,例：估计下列化合物哪个吸收的光波最长，哪个最短？为什么？,3.羰基化合物 羰基化合物含有C=O基团。 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带， n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。,醛、酮的n*吸收带在270-300nm，强度低（max10-20Lcm-1mol-1)，谱带略宽。 当醛、酮的羰基与双键共轭时，形成，-不饱和醛酮化合物。由于羰基与乙烯基产生-共轭，使* 、n*吸收带分别移至220-260和310-330nm，前一吸收带强（max104Lcm-1mol-1 max104Lcm-1mol-1) ，后一弱（max102Lcm-1mol-1) 。这一特征识别，-不饱和醛酮化合物。,例：化合物 CH3-C(CH3)=CH-CO-CH3(1) CH2=C(CH3)-CH2-CO-CH3(2)为异构体 一个在235nm有最大吸收（max=14000Lcm-1mol-1)，另一个在220nm无高强吸收，鉴别各属于哪种异构体？,羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n* 跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。,4.苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX = 60，000）； E2带出现在204nm（ MAX = 8，000 ）；B带出现在255nm （MAX = 200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。,5.稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。,定性分析（结构及构型） （一）标准谱图法 （二）经验计算法（Woodward)规则 首先从母体特到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体电子体系上的不同取代基以及其它结构因素加以修正。,例(1):计算下列分子的最大吸收波长,母体是同环二烯(B)环 253nm 四个(a,b,c,d)取代烷基 4x5=20nm 两个环外双键 2x5=10nm 计算值 283nm 实验值282nm,例(2):计算下列分子的最大吸收波长,母体是异环二烯 214nm 三个(a,b,c)取代烷基 3x5=15nm 一个环外双键 5nm 计算值 234nm 实测值 234nm,例(3):计算下列分子的最大吸收波长,母体是同环二烯(B)环 253nm 五个(a,b,c,d,e)取代烷基 25nm 三个环外双键 15nm 增加两个共轭双键 2x30=60nm 理论值 353nm 实验值 355nm,例(4) 计算不饱和羰基化合物最大吸收波长,+1,+2,+2,母体环己酮 215nm 增加两个共轭双键 2x30=60nm 一个环外双键 5nm 同环二烯 39nm 一个烷基 12nm 一个(+1)烷基 18nm 两个(+2)烷基 2x18=36nm 计算值385nm 实测值388nm,例(5) 计算不饱和羰基化合物最大吸收波长 母体 215nm 215nm 羰基上连OR基 -22nm 烷基 10nm 烷基 30nm 计算值 233nm 实测值 236nm,12-（1-环己烯基）-2 丙烯在硫酸脱水反应的分子式是C9H14的共轭烯烃化合物，测得其紫外光谱max=242nm(=10100Lmol-1cm-1)。预计脱水过程如下： 推断这个反应机理是否正确，并讨论反应过程。 （修正值：无环二稀母体+217nm，烷基取代基+5nm，环外双键+5nm）,构型: 顺式构型的最大吸收波长比反式异购体要小。原因就是顺式构型的空间位阻大，不容易产生共轭。反max =295nm , 顺max =280nm,五 紫外-可见分光光度计,一、基本组成 紫外-可见分光光度计由辐射光源、分光器、吸收池、检测器和记录器组成。,752紫外光栅分光光度计示意图,1.光源 光源的要求：能发射连续的具有足够强和稳定的辐射，使用寿命长。 紫外可见的光源有白炽光源和紫外光源两类。 白炽光源钨灯、碘钨灯。（320-2500nm） 紫外光源氢灯、氘灯。（160-365nm）,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任一 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 吸收池： 紫外光区用：石英 可见用：光学玻璃 要求：匹配，干燥，无污染。,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,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。,二、紫外-可见分光光度计的类型 1.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.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。,3.双波长：将不同波长的两束单色光(1、2) 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。,定量分析 （一）单组分化合物的分析： 标准曲线法；一元线型回归方程 适用范围：溶液中一种组分，或者待测组分的吸收峰和其他共存组分不重叠。,标准曲线法： 1）绘制待测组分的吸收曲线。找出最大吸收波长为测定波长。 2）配制一系列的标准溶液，以试剂空白溶液为参比，在选定的波长下测定吸光度。 3）绘制标准曲线（A为纵坐标，浓度c为横坐标） 4）在相同条件下测定待测组分的吸光度。,A,Ax,c,cx,一元线型回归方程： AX=KcX+B 配置一系列浓度的标准溶液，测其对应的吸光度，利用计算机化学软件求出其回归方程。,（二）混合物中多组分的测定 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。 两个以上吸光组分混合后，根据吸收峰的干扰情况分为三种,具体做法：在X，Y的最大吸收波长1，2分别测定其吸光度。然后通过联立方程求解。 其中，X,Y 组份在波长 1 和 2 处的