H仪器分析-1b-2紫外可见

光谱分析(一),紫外及可见光谱分析Page96-125,2020/5/10,清华大学化学系,2,紫外-可见吸收光谱分析内容提要,紫外-可见吸收光谱法概述紫外-可见吸收光谱的理论基础影响因素分析紫外-可见吸收光谱的定量基础紫外-可见分光光度计分光光度测定方法紫外-可见分光光度分析法的应用,2020/5/10,清华大学化学系,3,紫外-可见吸收光谱法概述,紫外-可见吸收光谱法：是基于分子和晶体内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法，属于分子光谱范畴。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关，是由电子在能级间的跃迁所产生的。一般分子结构中具有多个电子能级，可以产生多种跃迁过程，形成多个吸收峰。紫外可见光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子；此外，还可以研究无机晶体材料的能带间跃迁过程。吸收光谱的位置：谱带的跃迁能级能量差所决定；吸收光谱的强度：分子能级之间的跃迁几率所决定；,2020/5/10,清华大学化学系,4,紫外-可见吸收光谱法概述,物质与光的作用：光子与物质发生相互作用，产生能量的转移。h=E1-E0作用本质：物质吸收光能后激发电子在不同能级间产生跃迁；不同波长的光，由于能量不同，可以激发的跃迁形式也不同,可以产生不同的光谱分析方法。如UV-Vis，IR等紫外可见光谱区域UV:200-380nmVIS:380-780nm780nm以上为近红外区；,2020/5/10,清华大学化学系,5,紫外-可见吸收光谱法概述,2020/5/10,清华大学化学系,6,紫外-可见吸收光谱法概述,紫外及可见光与含共轭键结构有机分子的相互作用，可以激发分子轨道上电子的跃迁；可以激发无机化合物的电子从价带克服能带间隙跃迁到导带；定性应用：判断是否有共轭键结构，测定无机物的能带间隙宽度；定量应用：吸收定律（朗伯-比尔定律）,2020/5/10,清华大学化学系,7,紫外-可见吸收光谱法概述,O=C-C=C生色团相同，分子结构不同，但吸收光谱相同,2020/5/10,清华大学化学系,8,紫外-可见吸收光谱法概述,无机化合物Bi2WO6光催化剂的例子W3dBi6s,2020/5/10,清华大学化学系,9,紫外可见吸收光谱的特点和用途,特点：仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快检测灵敏度较高，最低检出限可达10-6g/ml有较好的选择性，可在多组分共存的条件下对一种物质进行检测精密度和准确度高。应用范围广泛如医药、化工、环境、冶金、地质等用途：有机物分子结构的鉴定；定量分析；固体材料的光学特性研究；,2020/5/10,清华大学化学系,10,紫外-可见吸收光谱的理论基础,分子结构与吸收光谱1.分子光谱是带状光谱2.电子能级和跃迁影响紫外-可见吸收光谱的因素1.共轭效应的影响2.取代基的影响3.溶剂的影响,2020/5/10,清华大学化学系,11,分子结构与吸收光谱,紫外-可见吸收光谱属于分子光谱；分子光谱是带状光谱，原子光谱是线状光谱；分子对电磁辐射的吸收是分子能量变化的总和（电子跃迁，分子振动，分子转动等）。,2020/5/10,清华大学化学系,12,分子光谱是带状光谱的原因：分子对电磁辐射的吸收是分子能量变化的总和；分子的吸收光谱是由成千上万条彼此靠得很近的谱线所组成。电子跃迁分子振动分子转动（0.25nm）分子平动分子碰撞变宽会超过转动谱线间的间距；在溶液中，相邻分子间的碰撞导致谱带加宽分子各种能级的细微变化谱带的进一步加宽和汇合；转动和振动的能量很低，容易被包封成带；,分子结构与吸收光谱,2020/5/10,清华大学化学系,13,分子结构与吸收光谱,2020/5/10,清华大学化学系,14,电子能级和跃迁,分子结构与吸收光谱,与有机物分子紫外-可见吸收光谱有关的电子跃迁是：形成单键的电子形成双键的电子非键的n电子反键电子，*,*n,2020/5/10,清华大学化学系,15,分子结构与吸收光谱,*跃迁max170nm，远紫外区或真空紫外区饱和有机化合物的电子跃迁在远紫外区甲烷，max=125nmn*跃迁maxN(CH3)2NH2OHOCH3NHCOCH3OCOCH3CH2CH2COOHH,2020/5/10,清华大学化学系,38,取代基的影响,吸电子基：易吸引电子而使电子容易流动的基团。如：NO2,CO,CNH等吸电子基团，也产生电子的永久性转移，max红移。电子流动性增加，吸收光子的吸收分数增加，吸收强度增加；吸电子基的作用强度顺序N+(CH3)3NO2SO3HCOHCOOCOOHCOOCH3ClBrI给电子基与吸电子基同时存在时，产生分子内电荷转移吸收，max红移，max增加。,2020/5/10,清华大学化学系,39,取代基的影响,分子内电荷转移吸收,K吸收带,B吸收带,2020/5/10,清华大学化学系,40,溶剂的影响,溶剂极性增大，*跃迁吸收带红移，主要是溶剂极性大，分子与溶剂的静电作用强，激发态稳定能量低，产生红移；溶剂极性增大n*跃迁吸收带蓝移。主要原因是n电子与溶剂形成氢键，降低了n电子的能量；极性溶剂往往使吸收峰的振动精细结构消失,2020/5/10,清华大学化学系,41,溶剂极性增大*跃迁波长红移,2020/5/10,清华大学化学系,42,溶剂极性增大n*跃迁波长蓝移,水,2020/5/10,清华大学化学系,43,极性溶剂中振动精细结构消失,2020/5/10,清华大学化学系,44,质子性溶剂氢键的影响,当生色团为质子受体时吸收峰蓝移，生色团为质子给体时吸收峰红移。,2020/5/10,清华大学化学系,45,质子性溶剂氢键的影响,2020/5/10,清华大学化学系,46,浓度的影响,浓度的影响浓度增大，二聚体吸收峰,2020/5/10,清华大学化学系,47,吸收光谱的影响因素小结,共轭体系增大，max红移，max增大空间位阻增大，max蓝移，max减小。含给电子基或吸电子基时，max红移，max增加。分子内电荷转移吸收，max红移，max增加。溶剂极性增大，*跃迁吸收带红移，n*跃迁吸收带蓝移。极性溶剂使振动精细结构消失质子性溶剂极性增大，生色团为质子给体时红移，质子受体时蓝移8.平面共轭分子高浓度时出现二聚体吸收峰,2020/5/10,清华大学化学系,48,紫外-可见吸收光谱的定量基础吸收定律,Lambert-Beer定律Lambert-Beer定律的成立条件Lambert-Beer定律的加和性影响Lambert-Beer定律的因素,2020/5/10,清华大学化学系,49,吸收定律定量分析的依据,Lambert定律：光吸收与吸收层厚度的关系吸收物质浓度一定时，吸光度与吸收层厚度成正比Beer定律：吸光度与溶液浓度的关系吸收层厚度一定时，吸光度与溶液浓度成正比,2020/5/10,清华大学化学系,50,Lambert-Beer定律,Lambert-Beer定律或Beer定律,透光率(transmittance),吸光度(absorbance),透过光强,入射光强,2020/5/10,清华大学化学系,51,B:跃迁几率，B1a:分子截面积(cm2)，一般有机分子平均为10-15cm2105L/molcmA=0.0044时，检出下限C=A/b=4.4x10-8MM=100时，C=4.4x10-6g/L，ppb量级。,摩尔吸光系数：定量分析的灵敏度指标，与波长有关=8.7x1019Ba,Lambert-Beer定律,2020/5/10,清华大学化学系,52,Lambert-Beer定律的成立条件,均一溶液，稀溶液入射光为单色光溶液界面无反射，光度计内无杂散光溶液为真溶液（无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射）吸收过程中，吸收物质的行为互不相关,2020/5/10,清华大学化学系,53,Lambert-Beer定律的加和性,彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质吸光度的总和:,2020/5/10,清华大学化学系,54,影响Lambert-Beer定律的因素,高浓度电解质溶液的影响化学因素的影响仪器因素的影响其他影响因素,2020/5/10,清华大学化学系,55,影响比尔定律的因素浓度的影响,浓度的影响浓度高或高浓度电解质溶液时偏离比尔定律a)分子间的相互作用。高浓度时，质点会互相影响对方的电荷分布，对某一给定波长光的吸收能力改变，从而偏离比尔定律。b)与折射率有关(诱电场效应)，若溶液浓度改变引起折射率变化很大时，会产生对比尔定律的偏离。,2020/5/10,清华大学化学系,56,化学因素的影响,解离、缔合、生成络合物或溶剂化等会对比尔定律产生偏离。只有在等吸收点(isosbesticpoint)时才符合比尔定律。例1重铬酸根的电离平衡,例2苯甲酸的电离平衡,C6H5COOH+H2O=C6H5COO-+H3O+max（nm）273268max(l/molcm)970560,2020/5/10,清华大学化学系,57,等吸收点,化学因素,化学平衡存在时在等吸收点处作工作曲线！,测定总含量，不受条件变化的影响,2020/5/10,清华大学化学系,58,影响Lambert-Beer定律的因素仪器因素的影响,非单色光的影响只有当1=2时，1,2之间的差别越大偏离线性越明显杂散光的影响对比尔定律产生负偏离，220nm或在可见区测量，杂散光的影响严重狭缝宽度的影响当狭缝宽度小于半峰宽的1/10时，偏离比尔定律不严重,2020/5/10,清华大学化学系,59,非单色光的影响,单色器发出的光并非纯粹的锐线光源，而是有一定宽度。设分光后含1和2两个波长的光，对应1和2，只有当1=2时，I01=I02,A=bC,1,2之间的差别越大偏离线性越明显,2020/5/10,清华大学化学系,60,非单色光的影响,2020/5/10,清华大学化学系,61,非单色光的影响,在A带测定偏离小！,2020/5/10,清华大学化学系,62,杂散光的影响,Is：杂散光强度,测得的吸光度,若,负偏离,杂散光的影响：对比尔定律产生负偏离220nm或在可见区测量，杂散光的影响严重,2020/5/10,清华大学化学系,63,杂散光的影响,2020/5/10,清华大学化学系,64,狭缝宽度的影响,狭缝宽度的影响狭缝宽度s、谱带宽度，比值s/对测定结果有影响,2020/5/10,清华大学化学系,65,影响比尔定律的其它因素,溶剂I2-四氯化碳（紫色）；I2-乙醇（棕色）光效应：散射（胶态溶液）、荧光等,2020/5/10,清华大学化学系,66,紫外-可见分光光度计,基本结构光源单色器吸收池检测器工作原理单光束仪器双光束仪器单波长仪器双波长仪器,2020/5/10,清华大学化学系,67,紫外-可见分光光度计的基本结构,2020/5/10,清华大学化学系,68,紫外-可见分光光度计,2020/5/10,清华大学化学系,69,光源,提供激发能，使待测分子产生吸收。要求：能够提供足够强的连续光谱、有良好的稳定性；较长的使用寿命，且辐射能量随波长无明显变化。热辐射光源：利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射。如钨灯、卤钨灯。可见区。气体放电光源：在低压直流电条件下，氢或氘气放电所产生的连续辐射。一般为氢灯或氘灯，紫外区。,2020/5/10,清华大学化学系,70,光源,2020/5/10,清华大学化学系,71,紫外-可见分光光度计单色器,作用：将复合光按照不同波长分开光学性能：有光栅和棱镜两类衡量指标：色散率，分辨率，集光本领,2020/5/10,清华大学化学系,72,紫外-可见分光光度计棱镜单色器,白光经棱镜的色散,2020/5/10,清华大学化学系,73,紫外-可见分光光度计棱镜单色器,棱镜的材料特性，称为色散,棱镜公式,由棱镜的几何条件（如顶角）决定,2020/5/10,清华大学化学系,74,紫外-可见分光光度计棱镜的光学特性指标,1色散率,角色散率,线色散率,两条波长相差的谱线在焦面上被分开的距离,倒线色散率更常用,焦面上单位长度内容纳的波长数,两条波长相差的谱线被分开的角度,p54-55,2020/5/10,清华大学化学系,75,2分辨率,恰能分辨的两条谱线的波长差,两条谱线的平均波长,棱镜数目,等腰棱镜的底边长,紫外-可见分光光度计棱镜的光学特性指标,2020/5/10,清华大学化学系,76,3集光本领Lightgatheringpower,入射于狭缝的光源亮度为一单位时，在焦面上单位面积内所得到的辐射通量,准直镜焦距,准直镜直径,集光本领用表示,增加，集光本领增加,紫外-可见分光光度计棱镜的光学特性指标,2020/5/10,清华大学化学系,77,紫外-可见分光光度计光栅单色器,白光经光栅的色散,UV-VIS:3002000条/mm或12001400条/mm（常用）,2020/5/10,清华大学化学系,78,n=d(sini+singr),分辨率,角色散率,光栅公式,小的整数，衍射级数,光栅常数，槽间距,入射角,衍射角,线色散率,焦距,倒线色散率,光栅刻痕数,法线附近，线色散率不随波长变，优于棱镜,紫外-可见分光光度计光栅单色器,2020/5/10,清华大学化学系,79,紫外-可见分光光度计中阶梯光栅,中阶梯光栅,提高色散率的方法：,闪耀角,2020/5/10,清华大学化学系,80,紫外-可见分光光度计中阶梯光栅性能,2020/5/10,清华大学化学系,81,紫外-可见分光光度计检测器,光电池光电管,可见区测量、价廉耐用、响应速度慢、灵敏度低,灵敏度、响应时间优于光电池,灵敏度高，响应快,响应速度最快。灵敏度低于光电倍增管,二极管阵列检测器,光电倍增管、,2020/5/10,清华大学化学系,82,紫外-可见分光光度计光电倍增管,放大倍数高，灵敏度高!,2020/5/10,清华大学化学系,83,紫外-可见分光光度计二极管,不使用出口狭缝焦面上放一系列二极管阵列,响应速度快!,2020/5/10,清华大学化学系,84,紫外-可见分光光度计,二极管陈列检测,2020/5/10,清华大学化学系,85,紫外-可见分光光度计,1单光束仪器,2双光束仪器,3双波长仪器双波长分光光度法导数分光光度法,紫外-可见分光光度计的类型,2020/5/10,清华大学化学系,86,紫外-可见分光光度计单光束仪器,例：721分光光度计,2020/5/10,清华大学化学系,87,单光束仪器的不足：,1）操作麻烦：,空白I0样品I,任一波长下,2）不能进行吸收光谱的自动扫描3）光源不稳定会影响测量精度,紫外-可见分光光度计单光束仪器,2020/5/10,清华大学化学系,88,测量方便，不需要更换吸收池补偿了仪器不稳定性的影响实现了快速自动吸收光谱扫描不能消除试液的背景成分吸收干扰,紫外-可见分光光度计双光束仪器,2020/5/10,清华大学化学系,89,紫外-可见分光光度计双光束仪器,2020/5/10,清华大学化学系,90,紫外-可见分光光度计双波长仪器,2020/5/10,清华大学化学系,91,紫外-可见分光光度计双波长仪器光路图,2020/5/10,清华大学化学系,92,可以降低杂散光，光谱精度高。消除背景吸收，可用于悬浊液和悬浮液的测定。固定1在等吸收点处，测定2处的吸光度变化，可以抵消混浊的干扰（同一比色池），提高测定精度。无须分离，可用于混合组分的同时测定。,紫外-可见分光光度计双波长仪器特点,2020/5/10,清华大学化学系,93,双波长仪器消除杂散光的原理,若：,，,则：,（杂散光吸收）,紫外-可见分光光度计双波长仪器特点,2020/5/10,清华大学化学系,94,固定1在等吸收点处，测定2处的吸光度变化，可以抵消混浊的干扰（同一比色池），提高测定精度。,双波长仪器消除背景吸收,紫外-可见分光光度计双波长仪器特点,2020/5/10,清华大学化学系,95,双波长仪器消除共存组分干扰,设有混合组分x和y，,选择y在1,2的吸收相等，使,则：,如果无等吸收点，可以通过作图法选择。,紫外-可见分光光度计双波长仪器特点,2020/5/10,清华大学化学系,96,双波长仪器消除共存组分干扰,紫外-可见分光光度计双波长仪器特点,2020/5/10,清华大学化学系,97,固定1和2两波长差为1-2nm进行波长扫描，得到一阶导数光谱(A/)。有的仪器还带有测定二阶导数光谱的电路。,紫外-可见分光光度计导数分光光度法,2020/5/10,清华大学化学系,98,（1）灵敏度取决于，拐点最大，灵敏度最高；（2）为吸收曲线极大值；（3）可减小光谱干扰。在分辨多组分混合物的谱带重叠、增强次要光谱(如肩峰)的清晰度以及消除混浊样品散射的影响时有利。,紫外-可见分光光度计导数分光光度法,2020/5/10,清华大学化学系,99,丹磺酰氯（D）及其与滥用药物心得宁（P）、巴比妥（B）、可待因（C）衍生物的室温磷光光谱、一阶导数光谱,紫外-可见分光光度计导数分光光度法,2020/5/10,清华大学化学系,100,分光光度滴定差示分光光度法反射光谱法,紫外-可见分光光度计分光光度测定方法,2020/5/10,清华大学化学系,101,分光光度滴定,分光光度滴定通过吸光度作图法求得滴定终点直接滴定法：max选被滴定物、滴定剂或产物之一间接滴定法：需使用指示剂分光光度滴定的准确性、精密度及灵敏度高于普通滴定法,2020/5/10,清华大学化学系,102,分光光度滴定举例,被滴定物：锌原卟啉,滴定剂：组胺,产物：主客体络合物,2020/5/10,清华大学化学系,103,分光光度滴定,被滴定物1滴定剂2产物3,分光光度滴定,2020/5/10,清华大学化学系,104,差示分光光度法,A在0.2-0.8范围内误差最小。高浓度或低浓度溶液，其吸光度测定误差较大。差示法：用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高吸收法：测定高浓度溶液。用浓度稍低的已知溶液作参比T%=100%。低吸收法：测定低浓度溶液。用浓度稍高的已知溶液作参比T%=0。最精密法：用比待测液浓度稍高和稍低的溶液作为参比，调节T为0和100%,2020/5/10,清华大学化学系,105,差示分光光度法,2020/5/10,清华大学化学系,106,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：I：被反射的辐射强度I0：从某些标准表面反射回来的辐射强度反射光谱的测定是在紫外-可见分光光度计上加一可进行反射操作的附件。,2020/5/10,清华大学化学系,107,紫外-可见分光光度法的应用,1.6.1定性分析,2.判断共轭状态,单组分定量分析,平衡常数的测定,络合物组成的测定,1.判断异构体,混合物分析,3.已知化合物的验证：,2020/5/10,清华大学化学系,108,紫外-可见分光光度法的应用,定性分析：判断异构体,烯醇式，=245nm,=18,000,不饱和酮的特征吸收,=275nm,=100,2020/5/10,清华大学化学系,109,单组分定量分析,特点：可用于无机及有机体系。一般可检测10-4-10-5mol/l的微量组分，通过某些特殊方法(如胶束增溶)可检测10-6-10-7mol/l的组分。准确度高，一般相对误差1-3%，有时可降至百分之零点几。非吸收组分的测定需要衍生。,紫外-可见分光光度法的应用,2020/5/10,清华大学化学系,110,1.分析条件的选择1)溶剂的选择,单组分定量分析,2)测定浓度的选择,A=0.2-0.8，吸光度测量误差小。A=0.4343时，吸光度测量误差最小。,3)测定波长的选择,2.定量分析方法,标准曲线法、标准加入法,灵敏度及测定精度高,紫外-可见分光光度法的应用,2020/5/10,清华大学化学系,111,混合物分析,紫外-可见分光光度法的应用,2020/5/10,清华大学化学系,112,平衡常数的测定,研究化学平衡、分子识别中主客体结合常数、酸解