第四章 紫外可见分光法.doc

第四章 紫外-可见分光光度法(UV-VIS)教学重点: 原理、仪器构造、有机物分析中的应用教学难点: 助色基团对生色基团的影响1 基本原理一定义 紫外-可见分光光度法又称为紫外-可见吸收光谱法.利用物质的分子对紫外光和可见光（200-800nm）的吸收来进行定性、定量分析及结构分析的一类方法.二. 特点1. 灵敏度高可测定ug/mL级的物质,在某些条件下可达ng/mL级;2. 准确度高相对误差一般1%;3. 选择性好一般不需分离可测定多组份共存试液中的某个待测组份或多组份;4. 操作简便、快速;5. 应用范围广:广泛用于无机和有机物的定性和定量测定外,还可用于结构分析以及有关物理化学常数如:平衡常数、配合物的配合比等的测定;不仅适用于微量组份的测定,而且也可用于常量组份(示差分光光度法)以及多组份同时测定.三. 紫外-可见吸收曲线及定性、定量依据当一束紫外或可见光照射分子时，若分子中的某些价电子的能级差E电恰好等于某一波长(或频率)的紫外或可见光的光能时,则该波长(或频率)的光就会被该物质选择性地吸收, 价电子就会从基态跃迁到激发态.以物质对不同波长的光的吸收程度A为纵坐标,以波长为横坐标作图,所绘制的A曲线即为紫外-可见吸收光谱.见图。某物质的紫外-可见吸收光谱反应了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况. 表现在波形、波峰的强度、位置及数目上. 分子内部电子能级的跃迁而产生的光谱位于紫外或可见区内. 不同的物质,其分子结构不同, 紫外-可见吸收光谱也就不同.从波形波峰的强度位置及数目据此可以进行定性和结构分析.而物质对光的吸收程度A服从朗伯-比尔定律（定量基础）：A= K LC或:A=LC式中:A-吸光度; L-液层厚度,cm;C-物质的浓度; K吸光系数;当C为g L-1时,K的单位为L g-1 cm-1;C以mol L-1 表示时, K用表示,单位为Lmol-1cm-1 摩尔吸光系数. K和与入射光的波长、溶液的性质以及温度有关. 2 紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系 一、紫外-可见吸收光谱与电子跃迁紫外-可见吸收光谱是由于分子中价电子能级跃迁的结果.与紫外-可见吸收光谱有关的电子主要有:形成单键的电子、形成双键的电子以及未参与成键的n电子(孤对电子).用乙醛分子示例如下:根据分子轨道理论,这三种电子的能级顺序为: n * *、成键分子轨道;n非键分子轨道;*、*反键分子轨道;、*轨道由原属于原子的s电子和px电子构成, 、*轨道由原属于原子的py电子和pz电子构成,n轨道由原子中未成键的p电子构成.当化合物吸收光辐射后,分子中的电子跃迁方式有以下几种类型:1. *跃迁电子从轨道跃迁到*轨道称为*跃迁. 饱和有机物都可能产生此类跃迁，如CH4*跃迁所需能量最大,所吸收的辐射的波长最短,处于200nm的远紫外区.目前仪器还难以在远紫外区工作。2. n*跃迁电子从n轨道跃迁到*轨道称为n*跃迁.含有未共用电子对的杂原子(N、S、O、P和卤素原子等)的饱和有机物都可发生这种跃迁，如CH3OH 。n*跃迁所需能量比*跃迁小,吸收峰波长在200nm附近,但大多数仍出现在C=O、C=CC=OC=S,-N=N-等)的不饱和有机化合物可发生的这种跃迁. 如乙醛。n*跃迁所需的能量较小, 相当于200nm-400nm的紫外光.5. *跃迁和*跃迁电子从轨道跃迁到*轨道或电子从轨道跃迁到*轨道分别称为*跃迁和*跃迁.这两种跃迁所需能量比*跃迁小,但相应的波长还是C=CC=O,C=C-O-,-N=O,-N=N-,-COOH等.本身不吸收紫外可见光,但与发色团相连时,可使发色团吸收峰向长波方向移动并增加其强度的官能团称为助色团.例如:-OH,-NH2,-OR,-SH,-X等含杂原子的饱和基团.这些基团中都含有孤对电子,与发色团中的电子相互作用,使*跃迁能量降低,并引起吸收峰位移.2. 红移与兰移某些有机物经取代反应引入含未共用电子对的基团(-OH,-NH2,OR,-SH,-Cl, -NR2,-SR等)后, 吸收峰波长max将向长波方向移动,这种效应称为红移效应.可使某化合物的max向长波方向移动的基团称为向红基团.在某些发色团(如:C=O)的碳原子一端引入取代基之后, 吸收峰波长max会向短波方向移动,这种效应称为兰移效应.可使某化合物的max向短波方向移动的基团称为向兰基团.如:-CH2，-CH2CH3等.三.影响紫外可见吸收光谱的因素1.共轭效应当两个或以上的发色团被一个单键隔开形成共轭体系时,由于大键的形成使各能级间能量差减小,跃迁所需能量减小,使吸收峰的波长红移,吸收强度增加的效应称为共轭效应.随着共轭体系的增加, 吸收峰的波长和吸收强度呈规律性的改变.2.助色效应当助色团与发色团相连时, 助色团的n电子与发色团的电子共轭,使吸收峰向长波方向移动,吸收强度增强的现象称为助色效应.3. 超共轭效应烷基上的电子与共轭体系中的电子共轭, 使吸收峰向长波方向移动,吸收强度增强的现象,称为超共轭效应.超共轭效应的影响比共轭效应小得多.例如:CH2=CH-CH=CH2 max=217nm；CH3-CH=CH-CH=CH2 max=222nm4. 溶剂效应 由溶剂的极性强弱引起的吸收峰波长发生移动,吸收强度和形状发生改变的现象称为溶剂效应.极性溶剂比非极性溶剂影响大. 极性溶剂使n*跃迁所产生的吸收峰向短波方向移动；而*跃迁吸收峰则随溶剂极性增大而向长波方向移动.极性越大,位移幅度也越大.紫外可见吸收光谱应注明所用的溶剂,所选溶剂应该在待测物质的吸收范围内无吸收.5. 空间效应由于空间障碍,妨碍两个发色团处于同一平面(处于同一平面能产生最大的共轭效应),使共轭程度降低, 吸收峰向短波方向移动, 吸收强度降低的现象称为空间效应.见书四.吸收带(略)五.有机物的紫外可见特征吸收光谱带1. 饱和有机物饱和碳氢化合物只有电子,产生*跃迁,属远紫外区,在紫外可见光谱中常作溶剂.当饱和碳氢化合物中的氢被助色团取代时,由于有n电子,可产生n*跃迁,吸收峰红移.例如:CH4 max=122nm, CH3Br max=204nm.2. 不饱和有机物(1)含有孤立双键的化合物烯烃的跃迁类型为: *跃迁.吸收峰160-200nm,例如:乙烯的max为165nm,当双键上的碳被杂原子替代时,(如:C=O,C=S等),还可产生n*跃迁和n*跃迁,使吸收峰红移.(2) 含有共轭双键的化合物共轭效应降低了*跃迁所需能量, 含共轭体系的化合物的吸收强度和吸收峰波长随共轭体系的增加而增加.3. 芳香族化合物 苯在180nm、204nm和254nm处有3个峰.均是由*跃迁产生.其中,其204nm和254nm处的吸收峰位置和吸收强度会随着取代基的性质和位置而变.见p311表10-5. 六无机物的紫外可见吸收光谱 1. 电荷转移吸收光谱当分子中同时具有电子给予体和电子接收体时(如:无机配位化合物),在外来辐射的激发下,会强烈吸收紫外光和可见光,从而使电子从给予体外层轨道向接收体跃迁,产生的光谱称为电荷转移吸收光谱.例如:Fe3+-SCN- Fe2+-SCN 接收体 给予体一个电子由配位体SCN的轨道跃迁到与中心离子Fe3+相关的轨道上时,产生了电荷转移吸收光谱.在配合物的电荷转移过程中,金属离子是电子接收体, 配位体是电子给予体.正是由于电荷转移,才使一些具有d10电子结构的过渡元素形成的卤化物及硫化物如:AgBr、PbI2、HgS等产生颜色.电荷转移吸收光谱谱带的最大特点是:摩尔吸光系数大,一般, max 104，常用来进行定量分析.2.配位体场吸收光谱配位体场吸收光谱是指由过渡金属离子与配位体所形成的配合物(有机化合物),在外来辐射的作用下,吸收紫外光或可见光而得到的相应吸收光谱.第四、五周期的过渡元素分别含有3d或4d轨道,镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道, 是简并轨道,在配位体场的作用下,原来简并的5个d轨道和7个f轨道分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道.如果轨道未充满,当它们的离子吸收光能后,低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d轨道或f轨道上去.这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f-f跃迁.由于它们的基态和激发态之间的能量差别不大,这类光谱位于可见光区,吸光系数不大,max 102，较少用于定量分析,但可用于研究配合物的结构及无机配合物配合键理论等.3紫外-可见分光光度计一 .仪器基本构成由光源、分光系统、吸收池、检测系统组成.见图1. 光源发射稳定性好、强度高的连续紫外可见光。有热辐射光源和气体放电光源两类.热辐射光源用于可见光区,如钨丝灯和碘钨灯，340-2500nm；气体放电光源用于紫外光区,如氢灯和氘灯，160-375nm.2. 分光系统 分光系统将光源发射的复合光分成单色光.由入射狭缝、色散元件、出射狭缝等组成.色散元件：棱镜和光珊,起分光作用。狭缝挡掉干扰光，狭缝的大小影响单色光的纯度,但狭缝太小又会减弱光强.3. 吸收池 吸收池盛放样品溶液或参比溶液.石英池用于可见光和紫外光,玻璃池只能用于可见光. 4. 检测系统 检测系统由检测器和信号显示器组成。检测器将光信号转变成电信号；信号显示器将检测器输出的信号放大并显示出来。常用检测器:硒光电池、光电管、光电倍增管.硒光电池: 300-800nm，容易出现疲劳效应.光电管:210-1000nm，与硒光电池相比灵敏、不易疲劳.光电倍增管:有放大作用,灵敏度比光电管高200倍,分辨率高.二.仪器的类型紫外可见分光光度计类型很多,但可分为三种类型：单光束型、双光束型和双波长型.见图1. 单光束分光光度计光路经单色器分光后的一束平行光,轮流通过参比溶液和样品溶液,以进行吸光度的测定.优点:结构简单,操作方便,维修容易,适用于常规分析.如：国产722型、751型、724型，英国SP500型以及BackmanDU-8型.2. 双光束分光光度计光路经单色器分光后,经反射镜分解为强度相等的两束光,一束通过参比池,另一束通过样品池.光度计能自动比较两束光的强度,此比值即为试样的透射比,经对数变换将它转换吸光度并不作为必须长的函数记录下来. 优点:能自动记录吸收光谱曲线;自动消除光源强度变化所引起的误差.如：国产710型、730型、和740型等都属此类.3. 双波长分光光度计由同一光源发出的光被分成两束,分别经过两个单色器,得到两束不同波长(1和2)的单色光;利用切光器使两束光以一定的俄罗斯频率交替照射同一吸收池（样品溶液）,然后经过光电倍增管和电子控制系统,由显示器显示出两个波长处的吸光度差值A=A1-A2 =（K1-K2）C L特点: 精度高。不必用参比溶液，用样品溶液即可完全扣除背景(包括溶液的混浊、吸收池的误差等); 准确度高。可直接分析相互有干扰(吸收光谱部分重叠)的多组份混合物; 能测定含量很高或很低试样，能进行化学反应动力学研究. 价贵、1和2选择费时。 4紫外-可见光谱法的应用紫外-可见吸收光谱法定性、定量和结构分析，也能用于测定某些化合物的物理化学参数如:摩尔质量、平衡常数、配合物的稳定常数等.一定性分析 有机物的紫外可见光谱比较简单,特征性不强,其定性分析受到一定限制.但适于不饱和有机物尤其是共轭的体系的鉴定,推断未知物的骨架结构. 该法与红外光谱、核磁共振波谱法、质谱法是进行定和结构分析的四大谱图.定性分析方法:比较吸收光谱法和用经验规则计算最大吸收波长,然后与实测值比较.相同测量条件(溶剂、pH值)下,测定未知物的吸收光谱,与所推断化合物的标准物吸收光谱直接比较,或将未知物的吸收光谱数据进行比较来作定性分析.如果吸收光谱的形状（包括吸收光谱的最大max、最小main, 峰的数目、位置、拐点以及max等完全一致,可初步认为是同一个化合物.有时谱图相同,化合物结构不一定相同.因为对紫外可见光的吸收只是分子或离子含有的生色团和助色团的特征,而不是整个分子或离子的特征.因此还需要参照Woodward-Fieser规则和Scott规则，以及红外光谱、核磁共振波谱法或质谱法的配合.Woodward-Fieser规则和Scott规则都是经验规则,当用其他的物理或化学方法判断某化合物的几种可能结构时,可用他们来计算最大吸收波长max,然后与实测值进行比较,以确认物质的结构.二. 结构分析1. 判别顺反异构体反式异构体空间位阻小,共轭程度高,其max和max大于顺式异构体.见书2. 判别互变异构体共轭体系的max和max大于非共轭体系.例如:乙酰乙酸乙酯有酮式和烯醇式两种互变异构体.CH3-CH2-OC2H5 204nm, 弱； CH3-=CH-OC2H5 245nm, 强在极性溶剂中,以酮式存在,吸收峰弱;非极性溶剂中,则以烯醇式为主,吸收峰强.三.定量分析Lambert-Beer定律:A=KLC 或 A=LC1.单组分定量方法标准曲线法:应用最多.配制一系列不同含量的标准溶液,以不含被测组分的空白溶液为参比,在相同条件下测定标准溶液的吸光度,绘制标准曲线. 在相同条件下测定未知样品的吸光度,从标准曲线上找出与之对应的未知样品的浓度. 标准对比法 相同条件下测定试液和某一浓度标液的吸光度Ax和As,由标液的浓度Cs可计算出试样中被测物浓度Cx:As =K Cs,Ax=K Cx,Cx = Cs Ax/ AsCs应与Cx很接近.2. 多组分定量方法根据吸光度具有加和性的特点,在同一试样中可以测定两个以上的组分.假设试样中含有a、b两种组分,在一定条件下将它们转化为有色化合物,分别绘制其吸收光谱,会出现三种情况: 吸收光谱不重叠 见图1在1处组分b无吸收,在2处组分a无吸收.按单组分物质的测定方法分别在1和2处测定组分a和b的浓度和含量. 吸收光谱单向重叠 见图2在1处测定a组分,组分b有干扰;在2处组分b ,a组分有干扰.先在2处测定组分b的吸光度A:A=CbL组分b在2处的摩尔吸光系数,可由b的标液求出.从而可求出组分b的浓度.在1处测定组分a和b的总吸光度A:A=A+A= Ca L + Cb L、分别为a和b在1处的摩尔吸光系数,可由a和b的标液求出.据此,可求出组分a的浓度. 吸收光谱双向重叠: 组分a和组分b的吸收光谱互相重叠.见图3.在组分a和组分b的最大吸收波长1和2处,分别测得混合物的总吸光度A和A.A=A+A= Ca L + Cb LA=A+A= Ca L + Cb L式中, 、分别为组分a和组分b在波长1和2下的摩尔吸光系数,可由组分a和b的,可由a和b的标液在1和2的吸光度求得.解联立方程即可求出a和b的浓度Ca 和Cb.3. 双波长法当吸收光谱相互重叠的a、b两种组分共存时,利用双波长法可以对单个组分进行测定或同时测定双组分.当a、b两种组分共存时,如要测定组分b的含量,组份a的干扰可以通过选择具有对a组分等吸收的两个波长1和2加以消除.以1为参比波长,为2测定波长,对混合物进行测定,可得:A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s式中: A1s 、A2s-在波长1和2下的背景吸收;当1和2相距较近时,可以认为背景吸收相等;A1、A2-混合物在波长1和2下的吸光度;A1a、A2aa组分在波长1和2下的吸光度; A1a=A2a;A1b、A2bb组分在波长1和2下的吸光度.吸光度差A= A2- A1=( A2a- A1a)+ ( A2b- A1b)= A2b- A1b=(2b-1b)LCb对组分b来说, (2b-1b)为一定值,吸收池厚度L也是固定的,所以A与组分b的浓度Cb成正比.同理,适当选择组份b具有等吸收的两个波长,也可以对组分a进行定量测定.4. 示差分光光度法(量程扩展技术)当待测组分含量很高或很低、吸光度超出了准确测量的读数范围时，可采用示差分光光度法进行测量.示差分光光度法是采用浓度与试样含量相近的已知浓度的标液作为参比溶液,测量未知试样的吸光度A值,根据测得的吸光度计算试样的含量.5. 导数光谱法6. 紫外可见吸收光谱法在农林科学中的应(1)在土壤和植物分析中的应用:N、P、K、Ca、Mg、S、S