紫外 可见分光光度法.ppt

1 紫外 可见分光光度法 UltravioletandVisibleSpectrophotometry UV Vis 2 基本内容 1 紫外 可见光谱的产生及基本原理 2 有机化合物的电子跃迁规律以及与分子结构的关系 3 各类有机化合物的紫外 可见光谱 4 影响紫外 可见吸收光谱的因素 5 紫外 可见分光度计 6 紫外 可见吸收光谱的应用 3 一 分子光谱概述 电磁辐射 光的粒子性是指光可以看成是由一系列量子化的能量子 即光子 组成 光子能量为E hn hc nl h为Plank常数 h 6 626 10 34Js 光的本质是电磁辐射 光的基本特性是波粒二象性 waveandcorpuscleduality 4 电磁辐射与光谱分析法 物质具有能量 是诱电体 物质与光的作用可看成是光子对能量的授受 即hn E1 E0 该原理广泛应用于光谱解析 电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁 跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变 因这种改变是量子化的 故称为跃迁 不同波长的光 能量不同 跃迁形式也不同 因此有不同的光谱分析法 5 分子紫外 可见吸收光谱 分子的紫外 可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种光学分析方法 紫外 可见光谱区域 6 吸收与分子能级变化A 转动能级跃迁 远红外区 B 转动 振动能级跃迁 近红外区 C 转动 振动 电子能级跃迁 紫外 可见区 吸光后 分子总能量变化 E Eel Evib Erot 定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物 经待测物吸收后 测量其对不同波长光的吸收程度 吸光度A 以吸光度A为纵坐标 辐射波长为横坐标作图 得到该物质的吸收光谱或吸收曲线 据吸收曲线的特性 峰强度 位置及数目等 研究分子结构 吸收谱带的位置 即吸收频率或波长 是由产生谱带的跃迁能级间的能量差决定的 反映了分子内能级的分布状况 吸收谱带的强度 即在给定频率的摩尔吸收系数 是由分子两能级之间的跃迁几率决定的 紫外 可见光谱不具有红外光谱那样的精细结构 不如红外光谱广泛用于有机化合物鉴定 分子结构与吸收光谱 7 8 1 可能的跃迁类型有机分子包括 成键轨道 反键轨道 非键轨道n 二 紫外 可见吸收光谱跃迁类型 9 电子能级及跃迁示意图 p p 所需能量较大 位于远紫外区 没有实际意义 各轨道能级高低顺序 n 分子轨道理论计算结果 可能的跃迁类型 n n 10 跃迁能量很大吸收光谱在真空紫外区多为饱和烃 甲烷125nm乙烷135nm 11 n 跃迁所需能量小于 跃迁 150 250nm 含有未共用电子对 n电子 原子的饱和化合物都可发生含有S N O Cl Br I电负性越小 电子越易被激发 激发波长越长 跃迁的摩尔吸光系数比较小 一般在100 3000L molcm 化合物 max maxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200 CH3 2O1842520 12 和n 跃迁 和n 跃迁能量低 200nm 含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁 有机化合物的紫外 可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础 13 例子 1 乙醛分子在160 180 290nm处产生吸收 它们对应的电子跃迁类型分别是 2 环戊烯 190nm 甲醚 185nm 三乙胺 195nm 分别对应的跃迁类型是 3 一化合物可能是 N CH2 CH2 CH3或 N CH CH2其紫外吸收光谱为 该化合物是何种化合物 A 14 和n 跃迁 生色团 Chromogenesisgroup 分子中含有非键或 键的电子体系 能吸收特征外来辐射时并引起n 和 跃迁 可产生此类跃迁或吸收的结构单元 称为生色团 15 助色团 Auxochromousgroup 含有孤对电子 可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团 称之为助色团 常见助色团助色顺序为 F CH3 Br OH OCH3 NH2 NHCH3 NH CH3 2 NHC6H5 O 184 204 254 270 苯 苯酚 OH为助色团 A 16 红移或蓝移 Redshiftorblueshift 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 17 和n 跃迁的区别 跃迁能量 n p 所需能量最低 在近紫外区 有时在可见区 p p 跃迁所需能量高 在近紫外区 跃迁几率 p p 跃迁几率比n p 跃迁几率大100 1000倍 溶剂效应不同 在p p 跃迁中 导致吸收谱带 max红移 在n p 跃迁中 导致吸收谱带 max向短波区移动 蓝移 18 吸收带的划分 落在200 780nm的紫外 可见光区的吸收可以用紫外 可见吸收光谱测定 在有机化合物的结构解析以及定量分析中常用 19 电荷转移吸收谱带涉及的是给予体的一个电子向接受体的一个电子轨道上的跃迁 激发态是这一内氧化还原过程的产物 电荷转移过程可表示如下 电荷转移吸收谱带 特点是吸收强度大 emax 摩尔吸光率 104l molcm 因此含有这类结构的分子测定灵敏度高 hv 电子接受体电子给予体 20 金属离子影响下的配体 跃迁 金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化 导致吸收光谱蓝移或红移 偶氮氯瞵III 偶氮氯瞵III U VI 配合物 500600700 nm A 21 过渡元素的d轨道为简并轨道 Degenerationorbit 当与配位体配合时 轨道简并解除 d轨道发生能级分裂 如果轨道未充满 则低能量轨道上的电子吸收外来能量时 将会跃迁到高能量的d轨道 从而产生吸收光谱 d电子跃迁吸收谱带 22 d轨道电子云分布及在配场下的分裂示意图 谱带出现在可见区 吸收系数 max较小 102 很少用于定量分析 多用于研究配合物结构及其键合理论 23 f电子跃迁吸收谱带 镧系及锕系离子5f电子跃迁产生的 f电子跃迁吸收谱带出现在紫外 可见区 由于f轨道为外层轨道所屏蔽 受溶剂性质或配位体的影响很小 故谱带窄 少数无机阴离子 如NO3 max 313nm CO32 max 217nm NO2 max 360 280nm N3 max 230nm CS32 max 500nm 等也有紫外 可见吸收 无机离子吸收谱带 24 小结 分子结构 光谱特征 定性分析 不同结构的分子由于共轭程度不同 分子吸收的特征不同 相同共轭结构的分子骨架 因助色团的加入或改变 导致光谱位移和吸收系数变化 相同配体 因过渡金属离子不同 导致配位场的变化或电荷转移跃迁 或配体共轭结构的变化 光谱发生变化 25 各种因素对吸收谱带的影响表现为谱带位移 谱带强度的变化 谱带精细结构的出现或消失等 吸收谱带的影响因素 1 共轭体系的存在 红移 210nm 多烯的p p 跃迁 H CH CH n H 共轭效应使跃迁能量降低 26 a 及a 位有取代基的二苯乙烯化合物的紫外光谱 27 28 3 取代基 红移或蓝移 给电子基或吸电子基 极化现象显著增加 给电子基形成p p共轭 降低了能量 lmax红移 吸电子基是指易吸引电子而使电子容易流动的基团 产生 电子永久性转移 max红移 取代苯的p p 跃迁吸收特性 29 4 溶剂效应 红移或蓝移或使吸收峰的振动精细结构消失 5 pH值 红移或蓝移苯酚在酸性或中性水溶液中 有210 5nm及270nm两个吸收带 而在碱性溶液中 则分别红移到235nm和287nm 30 三 吸收光谱的测量 Lambert Beer定律几个术语 当强度为I0的入射光束 Incidentbeam 通过装有均匀待测物的介质时 该光束将被部分吸收 未被吸收的光将透过 Emergent 待测物溶液以及通过散射 Scattering 反射 Reflection 包括在液面和容器表面的反射 而损失 这种损失有时可达10 那么 I0 Ie Is Ir 因此 在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响 31 Lambert Beer定律 定量分析的基础 32 Ix dIx dIxIx 吸收光强 入射光强 吸收率 任一截面的吸收率 dx 33 a dn ds adn 截面为S的区域内俘获光的有效面积 从分子吸收的角度考虑 34 因此俘获光的几率应为 35 a1 dn1 dn2 dn3 a3 a2 ds a1dn1 a2dn2 a3dn3 36 dIx Ix dS S 1 2 3 由吸光度定义 对于单一组分 若浓度以重量浓度表示 37 偏离L B定律的因素样品吸光度A与光程b总是成正比 但当b一定时 A与c并不总是成正比 即偏离L B定律 这种偏离由样品性质和仪器决定 1 样品性质影响a 待测物高浓度 吸收质点间隔变小 质点间相互作用 对特定辐射的吸收能力发生变化 变化 b 试液中各组份的相互作用 如缔合 离解 光化反应 异构化 配体数目改变等 会引起待测组份吸收曲线的变化 c 溶剂的影响 对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响 d 胶体 乳状液或悬浮液对光的散射损失 38 2 仪器因素仪器因素包括光源稳定性以及入射光的单色性等 a 入射光的非单色性 不同光对所产生的吸收不同 可导致测定偏差 39 假设入射光由测量波长 x和干扰 i波长组成 据Beer定律 溶液对在 x和 i的光的吸光度分别为 当 x i时 或者说当 x i时 有A xbc 符合L B定律 当 x i时 或者说当 x i时 则吸光度与浓度是非线性的 二者差别越大 则偏离L B越大 当 x i 测得的吸光度比在 单色光 x处测得的低 产生负偏离 反之 当 x i 则产生正偏离 40 A C 0 1 1 2 41 特别是存在非吸收线 或吸收很小 杂散光 和浓度较大时 I变的很小 I i b 谱带宽度与狭缝宽度 单色光 仅是理想情况 经分光元件色散所得的 单色光 实际上是有一定波长范围的光谱带 即谱带宽度 单色光的 纯度 与狭缝宽度有关 狭缝越窄 它所包含的波长范围越小 单色性越好 42 紫外 可见吸收光谱的灵敏度 0 4343Naiai 1x10 15cm2N 6 02x1023 因为 为摩尔吸光系数ai的单位是cm2 cm3是ml 变成L除1000 所以 0 4343Nai 0 4343x6 02x1023x1x10 15 1000 105 43 若1 吸收A 0 0044b 1C A0 0044 b100000 4 4x10 8 M 此即为方法的理论灵敏度 思考题 UV VIS的理论灵敏度为4 4x10 8M 这一极限值能够从哪几个方面突破 请你提出有效的方法 44 光源 单色器 狭缝 样品室 检测器 四 紫外 可见光度计 45 紫外 可见光度计仪器由光源 单色器 吸收池和检测器四部分组成 光源对光源基本要求 足够光强 稳定 连续辐射且强度随波长变化小 1 钨及碘钨灯 340 2500nm 多用在可见光区 2 氢灯和氘灯 160 375nm 多用在紫外区 46 100400800 钨丝灯 相对辐射功率 47 D2灯 H2灯 200250300 nm 相对辐射功率 48 单色器 Mnochromator 在UV Vis光度计中 单色器通常置于吸收池的前面 可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解 通常由入射狭缝 准直镜 色散元件 物镜和出射狭缝组成 49 吸收池 Cell Container 用于盛放样品 可用石英或玻璃两种材料制作 前者适于紫外区和可见光区 后者只适于可见光区 有些透明有机玻璃亦可用作吸收池 检测器 硒光电池 光电倍增管 二极管阵列检测器 1cm 5cm 石英 玻璃 50 2 紫外 可见光度计工作原理分光光度计分为单波长和双波长仪器 1 单波长分光光度计单光束双光束特点 双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池 因此可消除光源不稳产生的误差 51 2 双波长分光度计 通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池 测得吸光度差 A AB1和 AB2分别为在 1和 2处的背景吸收 当 1和 2相近时 背景吸收近似相等 二式相减 得这表明 试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比 特点 可测多组份试样 混浊试样 而且可作成导数光谱 不需参比液 消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差 克服了电源不稳而产生的误差 灵敏度高 52 用于悬浊液和悬浮液的测定 消除背景吸收 用于吸收峰相互重叠的混合组分的同时测定 设有混合组分X Y 53 3 分光光度计的校正当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移 因此需要对其进行校正 波长标度校正 使用镨 钕玻璃 可见光区 和钬玻璃 紫外光区 进行校正 因为二者均有其各自的特征吸收峰 吸光度标度校正 采用K2CrO4标准液校正 在25oC时 于不同波长处测定0 04000g L的KOH溶液 0 05mol L 的吸光度A 调整光度计使其A 54 五 分光光度测定方法 1 分光光度滴定以一定的标准溶液滴定待测物溶液 测定滴定中溶液的吸光度变化 通过作图法求得滴定终点 从而计算待测组分含量的方法称为分光光度滴定 间接滴定法 直接滴定法 选择被滴定物 滴定剂或反应生成物之一摩尔吸光系数最大的物质的lmax为吸收波长进行滴定 间接滴定法需使用指示剂 光度滴定与通过指示剂颜色变化用肉眼确定滴定终点的普通滴定法相比 准确性 精密度及灵敏度都要高 光度滴定已用于酸碱滴定 氧化还原滴定 沉淀滴定和络合滴定 55 2 差式分光光度法 透光率A在0 2 0 8范围内误差最小 超出此范围 如高浓度或低浓度溶液 其吸光度测定误差较大 尤其是高浓度溶液 更适合用差示法 一般分光光度测定选用试剂空白或溶液空白作为参比 差示法则选用一已知浓度的溶液作参比 该法的实质是相当于透光率标度放大 56 高吸收法在测定高浓度溶液时使用 选用比待测溶液浓度稍低的已知浓度溶液作标准溶液 调节透光率为100 低吸收法在测定低浓度溶液时使用 选用比待测液浓度稍高的已知浓度溶液作标准溶液 调节透光率为0 最精密法是同时用浓度比待测液浓度稍高或稍低的两份已知溶液作标准溶液 分别调节透光率为0或100 57 设试样浓度为Cx 以溶剂作参比时 其吸光度为Ax0 若选浓度为Cs 其以溶剂为参比时吸光度为AS0 的已知溶液作参比 调节透光率为100 根据吸收定律 有 以溶剂作参比时 Ax0 Ax A0 AS0 AS A0 差示法 以已知浓度为Cs的溶液作参比时 Ax Ax0 AS0 b Cx Cs b C 58 1 定义 将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法 导数光谱是解决干扰物质与被测物光谱重叠 消除胶体等散射影响和背景吸收 提高光谱分辨率的一种数据处理技术 2 原理 已知 对波长求一阶导数 得 可见 一阶导数信号与浓度成正比 同样可得到二阶 三阶 n阶导数信号亦与浓度成正比 3 导数光谱法 59 60 3 导数峰高测量方法测量方法有三 如下图 正切法 相邻峰 极大或极小 切线中点至相邻峰切线 极小或极大 的距离d 峰谷法 两相邻峰值 极大或极小 间的距离p1或p2 峰零法 极值峰至零线间的距离Z 61 4 动力学分光光度法 动力学分光光度法是以测定反应速度为基础的 氧化还原反应 络合催化交换反应与酶催化反应 设有一个反应速度较慢的显色反应 为催化剂H催化而加速 若F为在紫外 可见区有吸收的化合物 则F的生成反应速度可表示为 上式积分 得 由吸光度定义 62 固定时间法 t为常数时 A k1CH 选择一系列CH的标准溶液 并测定固定时间t时的吸光度A 绘制A CH工作曲线 由待测样在t时的吸光度值求得CH 测定CH的方法有 固定浓度法 测量显色产物F达到一定吸光度值时所需的时间 CF为常数时 CH K t 配制一系列不同浓度CH的标准溶液 测定达到一定吸光度A时的时间t 绘制CH 1 t工作曲线 由待测样经反应达到A时所需要的时间t求得CH 斜率法 由吸光度A随反应时间的变化速率DA Dt来测定CH 因为DA Dt kCH 配制标准溶液具有不同的CH 分别测定A t曲线 求得曲线斜率DA Dt 再绘制DA Dt CH工作曲线 对待测样亦同样测定A t曲线 求得曲线斜率DA Dt 从DA Dt CH工作曲线上求得CH 斜率法实验数据多 准确度高 动力学分光光度法的特点是灵敏度高 10 6 10 9g ml 有的可达10 12g ml 但由于影响因素多 不易严格控制 测定误差较大 63 5 反射光谱法 反射光谱法测定的是从样品表面反射回来的辐射能量大小 反射率定义为 R I I0 100 I为被反射的辐射强度 I0为从某些标准表面反射回来的辐射强度 64 六 紫外 可见分光光度法的应用 1 定性分析 判断异构体 紫外吸收光谱的重要应用在于测定共轭分子 共轭体系越大 吸收强度越大 波长红移 前者有紫外吸收 后者的lmax 200nm 酮式烯醇式lmax 275nm e 100lmax 245nm e 18 000 65 判断共轭状态 可以判断共轭生色团的所有原子是否共平面等 如二苯乙烯 ph CH CH ph 顺式比反式不易共平面 因此反式结构的最大吸收波长及摩尔吸光系数要大于顺式 顺式 lmax 280nm e 13 500 反式 lmax 295nm e 27 000 已知化合物的验证 与标准谱图比对 紫外 可见吸收光谱可以作为有机化合物结构测定的一种辅助手段 66 2 定量分析a 单组份定量方法标准曲线法标准加入法 样品组成比较复杂 难于制备组成匹配的标样时用标准加入法 将待测试样分成若干等份 分别加入不同已知量0 C1 C2 Cn的待测组分配制溶液 由加入待测试样浓度由低至高依次测定上述溶液的吸收光谱 作一定波长下浓度与吸光度的关系曲线 得到一条直线 若直线通过原点 则样品中不含待测组分 若不通过原点 将直线在纵轴上的截距延长与横轴相交 交点离开原点的距离为样品中待测组分的浓度 67 b 多组分定量方法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 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cx及cy 68 c 分析条件选择 所选择的溶剂应易于溶解样品并不与样品作用 且在测定波长区间内吸收小 不易挥发 溶剂的选择 69 测定浓度的选择当分析高浓度的样品时 误差大 通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0 2 0 8范围内 由L B定律 微分后得 将上两式相比 并将dT和dc换为 T和 c 得 当相对误差 c c最小时 求得T 或A 70 3 弱酸离解常数的测定 设有一元弱酸HB 其离解反应如下 若测出 B 和 HB 即可求出Ka 测定时 配制三份不同pH值的溶液 一份为强碱性 一份为强酸性 分别在B 和HB的最大吸收波长处测定吸光度 求出各自的摩尔吸光系数 第三份为已知pH值的缓冲溶液 分别在B 和HB的最大吸收波长处测得总吸光度 解联立方程求得 B 和 HB 然后按前式求出pKa或Ka 71 4 配合物组成和稳定常数测定1 摩尔比法 饱和法 具体做法 固定cM 增加cR 并测定一系列MRn的吸光度A 以cR cM比值对A作图 得如图所示曲线 其中 曲线拐点处对应的值为配合比n 设MRn的电离度为 则 72 2 等摩尔连续变化法 Job法 具体做法 保持cR cM c恒定 但改变cM与cR的相对比例 若以cM c对吸光度A作图 当达最大吸光度时cM cR之比即为配位比 由两曲线外推的交点所对应的cM c亦可得出配位比 若比值为0 5 则配位比n为1 1 若比值为0 33 则配位比n为1 2 或者n 1 cM c cM c 该法适于离解度小 配合比低的配合物组成测定 73 3 斜率比法求配合比 配制两个系列的溶液 络合剂R的初使浓度保持过量并恒定 改变加入金属离子的浓度形成MRn 溶液1 金属离子M的