紫外可见吸收光谱法S.ppt

2020 3 14 1 5 1基本原理一 概述1 定义 在光谱分析中 依据物质的分子对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法 2 分类 红外吸收光谱 IR 分子振动光谱 吸收光波长范围0 25 1000 m 主要用于有机化合物结构鉴定 主要应用中红外2 5 25 m 2020 3 14 2 紫外吸收光谱 UV 电子跃迁光谱 吸收光波长范围200 400nm 近紫外区 研究对象大多为具有共轭双键结构的分子 可用于无机物和有机物的定性和定量分析 可见吸收光谱 Vis 电子跃迁光谱 吸收光波长范围400 780nm 主要用于有色物质的定量分析 本章主要讲授紫外可见吸光光度法 2020 3 14 3 UV Vis吸收光谱与电子结构密切相关 物质的分子对200 780nm的入射光进行选择性吸收 由于价电子能级跃迁而产生的带状光谱 2020 3 14 4 3 方法特点 灵敏度高 可测定10 6 10 7g mL 1的物质 准确度高 RE 一般在1 5 分析速度快 方法简单 仪器设备小型 易于操作 应用广泛 常用于无机物定量分析 有机物进行鉴定及结构分析 推测有机化合物中的官能团及分子骨架结构 2020 3 14 5 方法的局限性有些有机化合物在UV Vis光区没有吸收谱带 如正己烷 正庚烷等 有的吸收光谱相近 如甲苯和乙苯的光谱大体相同 还要借助于红外 IR 核磁共振 NMR 质谱 MS 等进行定性及结构分析 2020 3 14 6 二 紫外可见吸收光谱1 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 hc Planck常数 h 6 626 10 34J S 光的波长越短 频率越高 其能量越大 2020 3 14 7 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 780nm紫外光区 近紫外区200 400nm远紫外区 10 200nm 真空紫外区 2 物质对光的选择性吸收及吸收曲线 M0 h M M 热 M 荧光或磷光 基态激发态E1 E E2 2020 3 14 8 白光 绿 紫 橙 青蓝 黄 蓝 青 红 互补色光示意图 2020 3 14 9 E E2 E1 h 物质结构不同 具有不同的量子化能级排布 物质分子对入射光具有选择性吸收 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同 用不同波长的单色光照射 测吸光度 吸收曲线 最大吸收波长 max 蓝 黄450 480nm580 600nm 2020 3 14 10 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 2 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 2020 3 14 11 3 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 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 2020 3 14 12 紫外 可见吸收曲线 2020 3 14 13 三 光的吸收定律1 朗白 比耳定律布格 Bouguer 和朗白 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 A b1852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二者的结合称为朗白 比耳定律 其数学表达式为 A lg I0 It bc 2020 3 14 14 A lg I0 It bcA 吸光度 描述溶液对光的吸收程度 b 液层厚度 光程长度 cmc 溶液的摩尔浓度 mol L 摩尔吸光系数 L mol cm 或 A lg I0 It abcc 溶液的浓度 g L a 吸光系数 L g cm a与 的关系为 a M M为摩尔质量 2020 3 14 15 1 朗白 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 2 朗白 比耳定律成立的前提条件 入射光为单色光 吸收发生在均匀的介质中 在吸收过程中 吸光物质之间不发生相互作用 2020 3 14 16 3 摩尔吸光系数物理意义 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 4 吸光系数a L g 1 cm 1 相当于浓度为1g L 液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度 2020 3 14 17 2 摩尔吸光系数 的讨论 1 吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 2 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 与待测物浓度无关 3 可作为定性鉴定的参数 2020 3 14 18 4 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 2020 3 14 19 3 偏离朗白 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 引起这种偏离的原因 1 入射光非单色光 仪器的非理想引起的 2 溶液不均匀 3 溶液中发生了化学变化 2020 3 14 20 物理性因素难以获得真正的纯单色光 朗白 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 2020 3 14 21 为克服非单色光引起的偏离 首先应选择比较好的单色器 此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处 化学性因素朗白 比耳定律的假定 所有的吸光质点之间不发生相互作用 只有稀溶液 c10 2mol 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 2020 3 14 22 朗伯 比耳定律只适用于稀溶液 当溶液中存在着离解 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 此时溶液pH对测定有重要影响 2020 3 14 23 四 分子吸收光谱与电子跃迁1 紫外 可见分子吸收光谱与电子跃迁 1 物质分子内部三种运动形式 与光谱产生有关的运动 分子中电子相对于原子核的运动 分子中原子间的相对振动 分子本身绕其质量重心的转动 2 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 2020 3 14 24 分子的内能 电子能量Ee振动能量Ev转动能量Er即E Ee Ev Er e v r 远IR IR 中 UV Vis 2020 3 14 25 UV Vis光谱属于电子跃迁光谱 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相互叠加而呈现宽谱带 2020 3 14 26 UV Vis光谱的产生是由于分子中价电子能级跃迁产生的 2 价电子种类在有机化合物分子中 与UV Vis光谱有关的价电子共三种 形成单键的 电子 形成双键的 电子 分子中未成键的孤对电子 即n电子 2020 3 14 27 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 外层电子吸收紫外或可见辐射后 从基态向激发态 反键轨道 跃迁 主要有四种跃迁 所需能量 E大小顺序为 n n 2020 3 14 28 3 价电子的跃迁方式 1 跃迁 200nm 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 UV Vis吸收光谱中用饱和烃类 正己烷或正庚烷 作分析时的溶剂 2020 3 14 29 2 n 跃迁 150 250nm 饱和碳氢化合物中的H被N O S X取代 实现这类跃迁所需要的能量较高 其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区 150 250nm 为102 103 中等强度吸收 如 CH3OH CH3Cl CH3I的 max分别为183 173 258nm 2020 3 14 30 3 跃迁 200nm或200 700nm强吸收 凡含双键或三键不饱和有机化合物 它需要的能量较低 吸收峰一般处于近紫外光区 在200nm左右 很大 为强吸收带 共轭程度越大 所需能量越低 max增大 不饱和烃 共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁 如 乙烯 丁二烯 己二烯的 max分别为162 217 268nm 2020 3 14 31 4 n 跃迁 200 400nm弱吸收 含杂原子的双键不饱和有机化合物 所需能量最低 吸收波长200 400nm 较小 弱吸收 如丙酮n 跃迁的 max 275nm max 22L mol 1 cm 1 溶剂环己烷 UV Vis光谱的主要研究对象为 和n 跃迁 2020 3 14 32 4 生 发 色团与助色团 1 生 发 色团最有用的紫外 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 N N 乙炔基 腈基 C三N等 2020 3 14 33 某些常见生色团的吸收光谱 2020 3 14 34 2 助色团有一些含有n电子 杂原子 的基团 如 OH OR 烷氧基 NH COOR 酯基 SR 烷硫基 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n 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 2020 3 14 35 5 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 max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 2020 3 14 36 含n电子取代使n 红移 如CH4 CH3Cl CH3I的 max分别为125 173 258nm 极性溶剂使n 蓝移 使 红移 2020 3 14 37 6 吸收带 吸收峰的波带位置 1 R吸收带 弱带 n 跃迁的吸收带又称R吸收带 max在200 400nm 强度弱 一般 为102以下 如 含羰基 C O 偶氮 N N 基团的化合物 2 K吸收带 强带 在共轭非封闭 烯烃 体系中 由 跃迁产生的吸收带又称为K吸收带 吸收强度大 一般 104 吸收峰在217 280nm 有两个以上的双键共轭时 随着共轭系统的延长有红移现象 如苯乙烯 苯甲醛等有K带 极性溶剂使K带红移 2020 3 14 38 K吸收带及其红移现象 芳环上有发色基团取代时 苯乙烯 苯乙酮 也有K带 2020 3 14 39 3 B吸收带 苯吸收带 芳香族化合物的 跃迁而产生的精细结构吸收带 吸收峰在230 270nm 102 常用B吸收带的精细结构来判断芳香族化合物 但苯环上有取代基且共轭时 B带简单化 红移和增色 B带在蒸汽状态或非极性溶剂中极为明显 而在极性溶剂中B带不明显或消失 苯的紫外吸收光谱 异辛烷 2020 3 14 40 4 E吸收带 封闭共轭体系 芳香族化合物的 跃迁而产生的特征吸收带 分为E1吸收带和E2吸收带 E1带出现在185nm 104 E2带出现在204nm 103 芳香族化合物为环状共轭体系 苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统产生了E1 E2吸收带 是芳香族化合物的特征吸收 B吸收带和E吸收带是芳香族化合物的特征吸收带 常用来判断化合物中是否有芳香环存在 2020 3 14 41 5 2UV Vis分光光度计 752型UV Vis分光光度计 2020 3 14 42 一 仪器的基本构造 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 2020 3 14 43 可见光区 钨灯或碘钨灯作为光源 其辐射波长范围在320 1000nm 紫外区 氢 氘灯 发射180 360nm的连续光谱 D2灯MgF2窗 115 230nm 石英窗 155 310nm 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 色散元件 将复合光分解成单色光 棱镜或光栅 目前大多仪器使用光栅 可用于整波段 成本低 便于保存 分辨能力均匀一致 2020 3 14 44 玻璃棱镜只能用于可见光区 石英棱镜可用于紫外光区 石英在紫外光区有较高的色散率 而在可见光区的色散率不及光学玻璃 光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的 光栅在很宽的波长范围内具有相同的色散率 2020 3 14 45 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 紫外区须采用石英池 1cm 可见区一般用玻璃池 0 5 1 2 3cm 2020 3 14 46 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 光电倍增管 PMT 或光电二极管阵列 PDA 检测器 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 2020 3 14 47 二 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 2020 3 14 48 2 双光束利用斩光器将单色光一分为二 分别经过参比和样品池 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 2020 3 14 49 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 无需参比池 A A 1 A 2 可测高浓度 混浊 多组分混合试样 2020 3 14 50 5 3显色与测量条件的选择一 显色反应的选择及类型1 灵敏度高 选择性高 生成物稳定 显色剂在测定波长处无明显吸收 两种有色物最大吸收波长之差 对比度 要求 60nm 2 配位显色反应当金属离子与有机显色剂形成配合物时 产生很强的紫外 可见吸收光谱 Fe2 与邻二氮菲 橙红色溶液Cr6 与二苯碳酰二肼 红色溶液 2020 3 14 51 3 氧化还原显色反应某些元素的氧化态 如Mn Cr 在紫外或可见光区能强烈吸收 可利用氧化还原反应对待测离子进行显色后测定 如 钢中微量锰的测定 Mn2 不能直接进行光度测定 2Mn2 5S2O82 8H2O 2MnO4 10SO42 16H 将Mn2 氧化成紫红色的MnO4 后 在525nm处进行测定 2020 3 14 52 二 显色反应条件的选择1 显色剂用量 选择曲线变化平坦处 2 反应体系的酸度 在相同实验条件下 分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度 选择曲线中A较大且恒定的平坦区所对应的pH范围 3 显色时间与温度 实验确定4 溶剂 一般尽量采用水相测定 2020 3 14 53 三 共存离子干扰的消除1 加入掩蔽剂例 测定Ti4 可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3 黄色 成为Fe PO 23 无色 消除Fe3 的干扰 又如 用铬天菁S光度法测定Al3 时 加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3 还原为Fe2 消除Fe3 的干扰 2 选择适当的显色反应条件 3 分离干扰离子 2020 3 14 54 四 测定条件的选择1 选择适当的入射波长一般应该选择 max为入射光波长 如果 max处有共存组分干扰时 则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长 依据 吸收最大 干扰最小 2020 3 14 55 2 选择合适的参比溶液 目的测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度 参比溶液的选择一般遵循以下原则 若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收 其它所加试剂均无吸收 用纯溶剂 水 作参比溶液 若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收 而试液本身无吸收 用 试剂空白 不加试样溶液 作参比溶液 2020 3 14 56 若待测试液在测定波长处有吸收 而显色剂等无吸收 则可用 试样空白 不加显色剂 作参比溶液 若显色剂 试液中其它组分在测量波长处有吸收 则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂 作为参比溶液 2020 3 14 57 3 控制适宜的吸光度 读数范围 不同的透光度读数 产生的误差大小不同 2020 3 14 58 浓度测量值的相对误差 c c 不仅与仪器的透光度误差 T有关 而且与其透光度读数T的值也有关 是否存在最佳读数范围 何值时误差最小 2020 3 14 59 最佳读数范围与最佳值设 T 0 5 则可绘出溶液浓度相对误差 c c与其透光度T的关系曲线 如图所示 T在20 65 之间时 浓度相对误差较小 c c 2 最佳读数范围 用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T 20 65 吸光度A 0 70 0 20 可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为 Tmin 36 8 Amin 0 434 2020 3 14 60 吸光度A的读数范围A 0 20 0 70T 65 20 根据朗白 比耳定律 可用改变吸收池厚度 b 或待测液的浓度 c 来使吸光度A处在适宜的范围内 2020 3 14 61 5 4分光光度测定方法一 普通分光光度法1 单组分的测定通常比较法或采用A C标准曲线法定量测定 BlankStandardSampleSample 2020 3 14 62 2020 3 14 63 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 Aa 1 abCa求出CaAb 2 bbCb求出Cb 2020 3 14 64 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 2020 3 14 65 3 配合物组成的测定 1 物质的量比法固定一种组分如金属离子M的浓度 改变配位剂R的浓度 分别测定其吸光度 以吸光度A为纵坐标 配位剂与金属离子的浓度比值为横坐标作图 利用外推法可得一交叉点D D点所对应的浓度比值就是配合物的配合比 2020 3 14 66 2 连续变化法设配位反应为M nRMRnM为金属离子 R为配合剂 并设cM和cR为溶液中M和R两组分的浓度 cM cR c0 常数 金属离子和配位剂的物质的量分数分别为 2020 3 14 67 配制一系列不同xM 或xR 值的溶液 溶液中配合物浓度随xM而改变 当xM 或xR 与形成的配合物组成相当时 即金属离子和配位剂物质的量之比和配合物组成一致时 配合物的浓度最大 根据与最大吸光度对应的x值 即可求出n 2020 3 14 68 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 即提高入射光强度 并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 Ax bcxAs bcs x s b cx cs b c 2020 3 14 69 测得的待测溶液与标准溶液的吸光度之差 相当于普通法中吸光度A A Ax As b cx cs b c示差法测得的吸光度与 c呈直线关系 由标准曲线上查得相应的 c值 则待测溶液浓度cx cx cs c 2020 3 14 70 示差法标尺扩展原理普通法 cs的T 10 cx的T 5 示差法 cs做参比 调T 100 则 cx的T 50 标尺扩展10倍 2020 3 14 71 三 双波长分光光度法 了解 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A 1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 A 1 A 2 1 2 bc两波长处测得的吸光度差值 A与待测组分浓度成正比 2020 3 14 72 x为待测组分 y为干扰组分 2 2020 3 14 73 2020 3 14 74 选择波长组合 1 2的基本要求 选定的波长 1和 2处 干扰组分应具有相同吸光度 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 2020 3 14 75 P83第10题K2CrO4的碱性溶液在372nm处有最大吸收 若碱性K2CrO4溶液的浓度为3 00 10 5mol L 1 吸收池厚度为1cm 在此波长下测得透光率为71 6 计算 1 该溶液的吸光度 2 摩尔吸光系数 3 若吸收池厚度为3cm 则透光率为多少 2020 3 14 76 max 372nm C 3 00 10 5mol L 1 b 1cm 2020 3 14 77 P83第11题苯胺在 max为280nm处的k为1430L mol 1 cm 1 现欲制备一苯胺水溶液 使其透射率为30 吸收池厚度为1cm 问制备100mL该溶液需苯胺多少克 2020 3 14 78 2020 3 14 79 P83第12题某组分A溶液的浓度为5 00 10 4mol L 1 在1cm吸收池中于440nm及590nm下其吸光度分别为0 638和0 139 另一组份B溶液浓度为8 00 10 4mol L 1 在1cm吸收池中于440nm及590nm下其吸光度分别为0 106和0 470 现有A B组份混合溶液在1cm吸收池中于440nm及590nm下其吸光度分别为1 022和0 414 试计算混合溶液中A B组份的浓度 2020