紫外实验课件

紫外 可见分光光度分析法 第一节基本原理第二节紫外 可见分光光度计第三节双波长分光光度法测定间苯二甲酸中的对苯二甲酸 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 光谱分析法是基于辐射能与物质相互作用时 测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射 吸收或散射辐射的波长和强度而进行分析的方法 概述 在光谱分析中 依据物质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 主要有 红外吸收光谱 分子振动光谱 吸收光波长范围2 5 1000 m 主要用于有机化合物结构鉴定 紫外吸收光谱 电子跃迁光谱 吸收光波长范围200 400nm 近紫外区 可用于结构鉴定和定量分析 可见吸收光谱 电子跃迁光谱 吸收光波长范围400 750nm 主要用于有色物质的定量分析 吸收光谱法 紫外可见分光光度法原子吸收光谱法红外吸收光谱法X射线吸收光谱法Y射线光谱法 莫斯鲍尔 核磁共振波谱法激光吸收光谱法 电磁波和跃迁类型 Y射线核跃迁X光内层电子跃迁远紫外中层电子跃迁紫外可见外层电子跃迁红外光分子振动微波分子转动 二 光的吸收定律 当强度为I0的一定波长的单色入射光束通过装有均匀待测物的溶液介质时 该光束将被部分吸收Ia 部分反射Ir 余下的则通过待测物的溶液It 即有 I0 Ia It Ir如果吸收介质是溶液 反射光强度一般很小 可忽略不计I0 Ia It t t 1 透光度 透光率 T 透过度T 描述入射光透过溶液的程度 T It I0吸光度A与透光度T的关系 A lgT 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1mol 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 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 2 朗伯 比耳定律数学表达式 A lg I0 It bc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mol L 摩尔吸光系数 单位L mol cm 或 A lg I0 It abcc 溶液的浓度 单位g L a 吸光系数 单位L g cm a与 的关系为 a M M为摩尔质量 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 1 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 照射物质的光经单色器分光后并非真正单色光其波长宽度由入射狭缝的宽度和棱镜或光栅的分辨率决定为了保证透过光对检测器的响应 必须保证一定的狭缝宽度这就使分离出来的光具一定的谱带宽度 2 杂散光的影响 杂散光是指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度范围内 与所选波长相距较远杂散光来源 仪器本身缺陷 光学元件污染造成杂散光可使吸收光谱变形 吸光度变值 3 反射光和散色光的影响 反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光直接对T产生影响散射和反射使T A 吸收光谱变形注 一般可用空白对比校正消除4 非平行光的影响 使光程 A 吸收光谱变形 2 化学性因素 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 朗伯 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 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 故 朗伯 比耳定律只适用于稀溶液 三 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 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 紫外光区 近紫外区200 400nm远紫外区10 200nm 真空紫外区 可见光区 400 750nm 2 紫外可见吸收光谱的产生 E E2 E1 h 用不同波长的单色光照射 测吸光度 吸收曲线与最大吸收波长 max 物质仅吸收特定波长的光 取决于物质的基态与激发态之间的能基差 量子化 即选择性吸收 M h M 光的互补 蓝 黄 基态激发态E1 E E2 3 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 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Ee 振动能量Ev 转动能量Er即E Ee Ev Er e v r 能级跃迁 紫外 可见光谱属于外层电子跃迁产生的光谱 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而呈现宽谱带 4 吸收光谱 吸收曲线 A 吸收光谱 又称吸收曲线 是以波长 为横坐标 吸光度 A 为纵坐标所描绘的图形 峰曲线上比左右相邻处都高的一处 max吸收程度最大所对应的 曲线最大峰处的 谷曲线上比左右相邻处都低的一处 min最低谷所对应的 肩峰 sh介于峰与谷之间 形状像肩的弱吸收峰 末端吸收在吸收光谱短波长端所呈现的强吸收而不呈峰形的部分 2020 4 14 18 5 吸光度测量的条件选择 1 测量波长的选择 2020 4 14 19 2 吸光度读数范围的选择 3 参比溶液 空白溶液 的选择 4 选择适当的狭缝宽度 狭缝的宽度会直接影响到测定的灵敏度和校准曲线的线性范围 选A 0 2 0 8 注 采用空白对比消除因溶剂和容器的吸收 光的散射和界面反射等因素对透光率的干扰 改变溶剂的极性 会引起吸收带形状的变化 改变溶剂的极性 还会使吸收带的最大吸收波长发生变化 下表为溶剂对丙酮紫外吸收光谱的影响 正己烷CHCl3CH3OHH2O 230238237243n 329315309305 6 溶剂对吸收光谱的影响 尽量选择低极性溶剂 能很好地溶解被测物 并形成良好化学和光化学稳定性的溶剂 溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收 在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂 在进行紫外光谱法分析时 必须正确选择溶剂 四 分子吸收光谱与电子跃迁 1 紫外 可见吸收光谱有机化合物的紫外 可见吸收光谱 是其分子中外层价电子跃迁的结果 三种 电子 电子 n电子 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 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 K带 是二个或二个以上 键共轭时 电子向 反键轨道跃迁的结果 可简单表示为 R带 是与双键相连接的杂原子 例如C O C N S O等 上未成键电子的孤对电子向 反键轨道跃迁的结果 可简单表示为n B带 也是苯环上三个双键共轭体系中的 跃迁和苯环的振动相重叠引起的 但相对来说 该吸收带强度较弱 E1带和E2带 是苯环上三个双键共轭体系中的 电子向 反键轨道跃迁的结果 可简单表示为 波长位置由大到小 R B K E2 E1 但一般K和E带常合并成一个吸收带 紫外吸收光谱谱带 金属配合物的紫外 可见吸收光谱 金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子 水合离子 和配位体本身的颜色 金属配合物的生色机理主要有三种类型 配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和 一 电子跃迁摩尔吸收系数 很小 对定量分析意义不大 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 若静电引力结合 变化一般很小 若共价键和配位键结合 则变化非常明显 电荷转移吸收光谱在分光光度法中具有重要意义 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 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 摩尔吸光系数 max一般在104L mol 1 cm 1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 如 乙烯 跃迁的 为162nm max为 1 104L mol 1 cm 1 n 跃迁需能量最低 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 100L mol 1 cm 1 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 为275nm max为22L mol 1 cm 1 溶剂环己烷 2 紫外光谱中常用的几个术语 生色团 分子中可以吸收光子产生跃迁的原子基团 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 N等 助色团 有一些含有非键电子对 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 生色团和助色团 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 由于化合物分子结构中引入取代基或受溶剂的影响 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 如图所示 红移和蓝移 3 有机化合物紫外光谱解析 了解共轭程度 空间效应 氢键等 可对饱和与不饱和化合物 异构体及构象进行判别 紫外 可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是 若在200 750nm波长范围内无吸收峰 则可能是直链烷烃 环烷烃 饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等 若在270 350nm波长范围内有低强度吸收峰 10 100L mol 1 cm 1 n 跃迁 则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团 如羰基 有机合物结构紫外光谱辅析 若在2 0 300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环 若在210 250nm波长范围内有强吸收峰 则可能含有2个共轭双键 若在260 300nm波长范围内有强吸收峰 则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键 若该有机物的吸收峰延伸至可见光区 则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物 如果化合物在220 800nm区间无吸收 表明该化合物是脂肪烃 脂环烃或它们的简单衍生物 如果在220 250nm间显示强吸收 近10000或更大 表明有R带吸收 即分子结构存在共轭双烯或 不饱和醛 酮 如果在250 290nm间显示中等强度 为200 1000 的吸收带 且常显示不同程度精细结构 表明结构中有苯环或某些杂芳环的存在 如果在290nm附近有弱吸收带 100 则表明分子结构中非共轭羰基 如果在300nm上有紫外吸收 说明该化合物有较大的共轭体系 若紫外吸收具有明显的精细结构 说明为稠环芳 稠环杂芳烃或其衍生物 有机化合物的紫外 可见光谱谱图解析 利用Woodward Fieser规则和Scott规则定性 根据Woodward Fieser规则和Scott规则计算最大吸收波长 并与实验值进行比较 来确认物质的结构 Woodward Fieser规则是计算共轭二烯 多烯烃及共轭类化合物 max的经验规则 该规则以1 3 丁二烯为基本母核 确定其基本吸收波长为217nm 然后 根据取代情况与其它结构情况的不同 在此基本吸收波长的数值上 再加一些校正值 用于计算共轭二烯结构化合物的 max已烷 己烷作溶剂 但是它不能预言吸收强度和精细结构 用Scott规则来计算芳香族羰基衍生物和取代苯的 max 其方法类似于Woodward Fieser规则 紫外 可见分光光度分析法 第一节基本原理第二节紫外 可见分光光度计第三节双波长分光光度法测定间苯二甲酸中的对苯二甲酸 一 基本组成 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320 2500nm 紫外区 氢 氘灯 发射185 400nm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 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 仪器 可见分光光度计 仪器 紫外 可见分光光度计 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 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 快束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 1 2nm 两波长同时扫描即可获得导数光谱 紫外 可见分光光度分析法 第一节基本原理第二节紫外 可见分光光度计第三节双波长分光光度法测定间苯二甲酸中的对苯二甲酸 应用分光光度法对共存组分进行不分离定量测定时 通常采用的方法有双波长法 三波长法 导数光谱法 差谱分析法及多组分分析法等方法 其快速 简便的优点使这些方法在实用分析中得到越来越广泛的应用 其中以双波长法的应用为最多 该法的准确度和精密度