紫外分光光度法.ppt

第六章紫外吸收光谱分析,第一节光的基本性质,一、光学分析法（一）光学分析法依据物质发射的电磁辐射或物质与电磁辐射相互作用而建立起来的各种分析法的统称。,（二）分类：1光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射、辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法按能量交换方向分吸收光谱法发射光谱法按作用结果不同分原子光谱线状光谱分子光谱带状光谱,2非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法分类：折射法、旋光法、比浊法、射线衍射法3光谱法与非光谱法的区别：,3、发射光谱,4、吸收光谱,例：-射线；x-射线；荧光,例：原子吸收光谱，分子吸收光谱,二、光谱法仪器分光光度计,主要特点：五个单元组成,光源,单色器,样品池,检测器,记录装置,三、光的基本性质,光是一种电磁波，具有波动性和微粒性1、波动性2、微粒性,例如：为200nm的光，一个光量子的能量是：由于光量子能量小（10-19J），因此定义：1eV（电子伏）=1.602110-19J则,第二节紫外吸收光谱的基本原理,一、分子吸收光谱的产生能级：电子能级、振动能级、转动能级价电子运动：电子绕原子核作相对运动原子振动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动分子平动：跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程,E分子=E电子+E振动+E转动+E平动式中：E电子代表分子中电子跃迁的能量E振动代表分子的振动能量E转动代表分子的转动能量，和分子的转动惯量有关E总代表分子的总能量E平动代表分子的平动能量，只和温度有关，对分子吸收光谱意义不大，可以不考虑,按照量子力学的观点，分子吸收外界能量时，只能吸收等于两个能级之差的能量，否则不能被吸收。式中：E2终止态的能量E1起始态的能量E光子的能量,双原子分子能级示意图,分子的“电子光谱”是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带，称为“带状光谱”。由于各种物质分子结构不同对不同能量的光子有选择性吸收吸收光子后产生的吸收光谱不同利用物质的光谱进行物质分析的依据。,二、光的吸收定律,当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则:I0IaItIr,在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为:I0IaIt透过光的强度It；与入射光的强度Io比之比称为透光度或透光率，用T表示。TIt/Io,（1）Lambert定律当一束单色光通过浓度一定的溶液时，液层厚度愈大，光线强度减弱愈显著。,（2）Beer定律当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。,令：A=-logT，A定义为吸光度A=-logT=ELC,例1.有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液,其强度减弱20%。若通过5cm厚度的相同溶液,其强度减弱百分之几?解：lgT1c1=lgT25c1lgT2=5lgT1=5lg0.80=-0.485T2=32.7%,即减弱67.3%,吸光度具有加和性。A总Aa+Ab+Ac+。应用;进行光度分析时，试剂或溶剂有吸收，则可由所测的总吸光度A中扣除，即以试剂或溶剂为空白的依据；测定多组分混合物；校正干扰。,2、吸光系数定性的依据:在一定条件下（如单色光波长，溶剂一定、温度一定等），不同物质对同一波长的单色光，可以有不同的吸光系数。定量的依据:在稀溶液的条件下，液层厚度一定时，吸光度和浓度呈线性关系，此时吸光系数是斜率，其值越大，灵敏度越高。,（1）摩尔吸光系数：含义：指浓度为1mol/L的溶液，在液层厚度为1cm时的吸光度。104，为强吸收102104，为中强吸收102，为弱吸收（2）比吸收系数或称为百分吸收系数，含义：指浓度为1（w/v）的溶液，用厚度为1cm吸收池时的吸光度,例：氯霉素（Mr323.15）的水溶液在278nm有最大吸收。假设用纯品配制100ml含2.00mg的溶液，以1.00cm厚的吸收池在278nm处测得透光率为24.3。求吸光度A和吸光系数、。解：A=-logT=-log0.243=0.614,3、引起偏离Lambert-Beer定律的因素（1）吸收定律本身的局限性只有在稀溶液中才能成立（2）化学因素溶液中的溶质可因c的改变而有离解、缔合、配位以及与溶剂间的作用等原因而发生偏离L-B定律的现象。,（3）仪器因素（非单色光的影响）目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯-比耳定律的程度愈严重。（4）其它光学因素散射和反射非平行光,三、电子跃迁的类型,价电子成键的价电子电子饱和的键电子不饱和的键非成键的价电子n电子,轨道电子围绕原子或分子运动的几率轨道不同，电子所具有能量不同,基态与激发态：电子吸收能量，由基态激发态,预备知识：,两个氢原子形成一个氢分子时，两个氢原子上的S电子形成键后能量降低了，成为更稳定的状态成键轨道，以表示分子外层还有一种更高的能级存在，称为反键轨道，以*表示,成键轨道与反键轨道：n*n*200nm以下150250nm200nm200700nm,第三节有机化合物的紫外吸收光谱,一、紫外吸收光谱曲线的表示方法,二、紫外光谱中常用的光谱术语1、发色团和助色团（1）生色团（发色团）：具有轨道的不饱和官能团称为发色团有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团具n电子和电子的基团产生n*跃迁和*跃迁跃迁E较低例：CC；CO；CN；NN,注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强,（2）助色团：本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收峰加强同时使吸收峰长移的基团有机物：连有杂原子的基团例：OH，OR，NH2，NR2，X当这些基团单独存在时一般不吸收紫外-可见区的光辐射。但当它们与具有轨道的生色基团相结合时，将使生色团的吸收波长长移（红移），且使吸收强度增强（助色团至少要有一对与生色团电子作用的孤对电子）,2、红移和蓝移由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）3、增色效应和减色效应增色效应：吸收强度增强的效应减色效应：吸收强度减小的效应,4、吸收带（1）R带：由含杂原子的不饱和基团的n*跃迁产生CO；CN；NNE小，max250400nm，max200nm，max104共轭体系增长，max红移，max溶剂极性，对于(CHCH)nmax不变对于CHCCOmax红移,3B带：由*跃迁和苯环的振动的重叠引起的产生芳香族化合物的主要特征吸收带max=254nm，宽带，具有精细结构；max=200极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失,4E带：由苯环环形共轭系统的*跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带E1180nmmax104（常观察不到）E2200nmmax=7000强吸收苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并一起红移（长移）,有机化合物结构与紫外信息的关系,（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）270-350nm有吸收峰（=10-100）醛酮n*跃迁产生的R带。（3）250-300nm有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。（4）200-250nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。,第四节影响紫外光谱的因素,1溶剂效应：对max影响：n-*跃迁：溶剂极性，max蓝移-*跃迁：溶剂极性，max红移,对吸收光谱精细结构影响,溶剂极性，苯环精细结构消失,溶剂的选择极性；纯度高；截止波长max,2pH值的影响：影响物质存在形式，影响吸收波长例：苯胺，以乙醇作溶剂，max为230nm以稀酸作溶剂，max为203nm利用溶剂pH值不同对光谱的影响，可以测定化合物结构中的酸性或碱性基团,3、超共轭效应在共轭体系中，如果存在烷基取代，则烷基的C-H键的电子和共轭体系的电子会产生重叠，使电子活动范围扩大，跃迁能量降低，吸收峰波长向长波长方向移动，这种作用为超共轭效应。4、助色效应助色团和某些生色团相连时，使吸收波长max红移，吸收强度增大，这种效应称为助色效应。,第五节紫外可见分光光度计,一、光源：提供入射光的装置光源的发光面积应该小，同时应附有聚光镜把光聚集在单色器的进光狭缝。1、钨灯:作为可见光源，适用范围为3501000nm2、氢灯或氘灯作为紫外光源，是一种气体放电发光的光源，发射200400nm的连续光谱，,二、单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件,1、色散元件功能：把混合光分散为单色光的元件棱镜对不同波长的光折射率不同分出光波长不等距色散元件长区密，短区疏光栅衍射和干涉分出光波长等距,2、准直镜准直镜是以狭缝为焦点的聚光镜。3、狭缝入口狭缝：限制杂散光进入出口狭缝：使色散后所需波长的光通过。狭缝的宽度对分光质量影响：狭缝过宽，单色光不纯；狭缝太窄，则光通量小，灵敏度降低,三、吸收池：玻璃能吸收UV光，仅适用于可见光区石英不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）四、检测器：将光信号转变为电信号的装置光电换能器，是把所接受到的光信号转变成电信号的元件常用的有：光电管和光电倍增管,1、光电管,阴极表面可涂渍不同光敏物质产生的光电流约为硒光电池的1/10。优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。缺点：有微小暗电流（Darkcurrent，40K的放射线激发）。,2、光电倍增管,五、显示器光电管输出的光电流很小，需要经过放大后才能以某种方式将测定结果显示出来。常用的显示装置有:检流计、曲线扫描、荧光屏显示等，数据工作站。电表指针、数字显示、荧光屏显示等；显示方式：A、T(%)、c等,第六节紫外吸收光谱的应用,一、定性分析,吸收光谱的形状吸收峰的数目吸收峰的位置（波长）吸收峰的强度相应的吸光系数,定性鉴别的依据吸收光谱的特征,(一）比较吸收光谱法根据化合物吸收光谱的形状、吸收峰的数目、强度、位置进行定性分析待测样品相同条件样品谱标准物质标准谱（二）计算max的经验规律,二、有机化合物分子结构的推断1.推测官能团200280nm无吸收不含不饱和键，不含苯环，可能是饱和化合物210250nm强吸收*，2个共轭单位260350nm强吸收*，35个共轭单位270350nm弱吸收n*，无强吸收，孤立含杂原子的双键C=O,-NO2,-N=N-260nm（230270）中吸收*，有苯环,2、异构体的判断（1）顺反异构体的判断生色团和助色团处在同一平面上时，才产生最大的共轭效应。由于反式异构体的空间位阻效应小，分子的平面性能较好，共轭效应强。因此，反式异构体的吸收峰波长及强度都大于顺式异构体的吸收峰波长及强度。,顺式280nm13500,反式295nm27000,肉桂酸,(2)互变异构体的判断例如：乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式两种互变异构体：酮式异构体没有共轭体系，在近紫外光区没有强吸收，只是在为272nm(为16)处有弱吸收，是n*跃迁所产生R吸收带。烯醇式异构体有共轭体系，所以在近紫外有强吸收，为243nm(为16000)，是*跃迁共轭体系的K吸收带。,两种异构体的互变平衡与溶剂有密切关系,在极性溶剂如水中,在非极性溶剂如乙烷中，由于形成分子内的氢键,三、定量分析应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区，大约可测定50多种元素有机化合物，主要在紫外区1.单组分物质的定量分析测定条件：选择合适的分析波长（max）A：0.20.8选择适当的参比溶液,（1）比较法：在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液，在max下测A标准溶液As=CsL被测溶液Ax=CxLCx=CsAx/As注意：Cs与Cx大致相当,（2）标准曲线法,配制一系列（510）个不同浓度的标准溶液，在适当通常为max下，以适当的空白溶液作参比，分别测定A，然后作A-c曲线。同条件下测定试样溶液吸光度Ax，查找对应的cx。,2.多组分物质的定量分析（只讨论2组分）在某特定波长下测定A总=A1+A2+A3+吸光度加和性（1）吸收光谱互不重叠,在1处测a组分，b组分不干扰在2处测b组分，a组分不干扰,(2)第二种情况:部分重叠在1处a、b组分都吸收在2处b组分吸收，a组分不干扰,A1a+b=A1a+A1bA2b=E2bCbL,ab,12,（3）第三种情况:两吸收曲线互相重叠第一法：解方程组选定两个波长1及2，测得试液的吸光度为A1和A2，则可解方程组求得组分a、b的浓度ca、cb：在1处：在2处,第二法：等吸光度双波长（消去）法,找等吸收度点,四、光度法显色反应条件和测量条件的选择（一）影响显色反应的因素及反应条件的选择1、显色反应的选择（1）选择性好：干扰少或易排除；（2）灵敏度高（S）：尤其是对低含量组分，一般选择：104105L/molcm（3）有色化合物稳定、组成恒定（4）有色化合物与显色剂的颜色差别大,2、影响显色反应的因素及反应条件(1)显色剂的用量被测物质与显色剂的反应可用下列一般式表示：M十RMR（被测物）（显色剂）（有色配合物）为了使显色反应尽可能完全，一般应加入过量的显色剂。如果配合物稳定度高，而且在一定条件下能保持稳定，显色剂不必大量过量。在分析实践中，由于待测物质的浓度未知，稍过量的显色剂是必要的。,(2)溶液的酸度酸度对显色剂浓度的影响所用的显色剂不少是有机弱酸（以HR表示），酸度提高则平衡倾向于生成HR，使R的实际浓度降低，不利于显色反应的进行。因此。显色时溶液的酸度不能高于某一限度。此外，在不同的酸度下，R的浓度不同，有时可引起有色配合物配位数的改变。,酸度对被测离子形态的影响当被测离子是容易水解的金属离子时，若酸度低于某一限度，被测离子形成羟基配合物、多核羟基配合物、碱式盐或氢氧化物沉淀，不利于光度分析。,对显色剂颜色的影响许多有机显色剂具有酸碱指示剂的性质，随着pH的改变，显出不同的颜色，在选择酸度时必须考虑这种情况。例如H2RH+HRHR2-（黄色）（橙色）（红色）,pH6.9,pH12.4,(3)显色时间有些显色反应能瞬间完成，且有色化合物的颜色很快达到稳定状态，在较长时间内保持不变有些显色反应虽能迅速完成，但由于空气的氧化、光的照射或其他原因使有色化合物的颜色逐渐减退有些显色反应需要一定时间才能完成,(4)显色温度对显色反应速度的影响。反应速度常随温度的升高而加快。由于温度的升高可能导致某些有色配合物发生分解或氧化还原反应，因而会使有色配合物破坏而不利于光度测定。,温度升高会引起有色配合物离解度的增大，使其稳定性降低而导致吸光度下降。温度变化会使有色配合物的摩尔吸光系数改变，从而使吸光度发生改变。在分析实践中，并不是每一显色反应都同时存在上述四个方面的影响。通过绘制吸光度一温度曲线可以确定反应的适宜温度。,（5）溶剂通常，水溶性有色配合物因加入适当有机溶剂，使溶液的介电常数降低，使配合物离解度减小，或稳定性增大。有时，可增大速度,（二）分光光度法测量误差及实验条件的选择误差可能来自光源的电压不稳定，光电元件灵敏度的变化和仪器刻度读数不准确等。如果测量时透光率读数的绝对误差是T，对于同一台仪器，它基本上是常数。但由于吸光度与透光率之间是负对数关系，在不同A值时，同样的T的读数误差所引起的吸光度的绝对误差A是不同的。A值越大，由T引起的A也越大。,设当T=0.01时，不同T%时所对应的c/c可从相关表查得：当T%=36.8%即A=0.434时，c/c最小；当T%在15-65%之间即A在0.20.8范围内，c/c较小。实际测定时：可通过控制溶液的c及b使A在0.20.8范围内。,2、测量波长选择入射光的波长对测定结果的灵敏度和准确度都有很大的影响。选择时，应先绘制有色溶液的光吸收曲线。然后选用该溶液的最大吸收波长来进行测量。,如果试液中某种组分在同样的