仪器分析第三章(含练习题)

第3章紫外可见分光光度法法UltravioletandvisibleSpectrometry(UV-Vis),紫外-可见吸收光谱朗伯-比尔定律紫外可见分光光度计分析条件的选择UV-Vis的应用,3.1.1分子吸收光谱的形成,紫外可见吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，也称为电子光谱。(1)远紫外光区:100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm（已学）物质颜色与吸收光的关系：,3.1紫外可见吸收光谱,紫外可见吸收光谱与电子跃迁,物质分子内部三种运动形式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。,3.1.2有机化合物的紫外-可见光谱,（一）电子跃迁类型,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果：电子、电子、n电子。,分子轨道理论：成键轨道-反键轨道。,当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。主要有四种类型跃迁，其所需能量大小顺序为：nn104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。,（二）电荷迁移跃迁,吸收光度法所使用的显色剂绝大多数含有生色团及助色团，本身为有色物质。当与金属离子配位时，作为配位体的显色剂，其共轭结构发生了变化，产生-*跃迁，导致其吸收光谱蓝移或红移。定量分析中，要求络合物与配位剂的最大吸收波长之差大约在60nm以上。,（三）金属离子影响下的配位体-*跃迁,3.1.4常用术语,吸收峰、谷、肩峰、末端吸收,吸收曲线,3.1.4常用术语,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）,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则不相同。定性分析依据,Ca-K-B络合物;Mg-K-B络合物的吸收曲线,不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，即吸光度随着浓度的增大而增大定量分析依据,物质对光的选择性吸收,在一定实验条件下，Ac,生色团与助色团,生色团：在近紫外光区和可见光区有特征吸收的基团。,结构特征：含有n非键电子和电子。,生色团与助色团,助色团：,分子中含有杂原子的基团。,结构特征：含有n非键电子。,使发色团红移，吸收强度增强。,红移与蓝移（紫移）增色与减色,某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。,在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动(红移)，吸收强度也随之增强(增色)。,3.1.5影响紫外-可见光谱的因素,（一）共轭作用,非共轭体系各生色团将独立地产生吸收,但吸收强度增加。,Y=H,R*150-160nm（K）n*275-295nm（R）,C=O基团可产生n*、n*、*三个吸收带。n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区，R带吸收较弱（max100）。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于在结构上的差异，它们n*吸收带的光区稍有不同。,羰基化合物,Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团，这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生p共轭,K带红移，R带蓝移；R带max=205nm；10-100,不饱和醛酮K带红移：177250nmR带红移：290310nm,苯及其衍生物,苯环上助色基团对吸收带的影响,顺反异构：,顺式：max=280nm；max=10500反式：max=295.5nm；max=29000,互变异构：,酮式：max=204nm烯醇式：max=243nm,（二）立体化学效应,溶剂对紫外可见光谱的影响较为复杂。溶剂极性增大，B带精细结构消失，吸收带变向平滑。改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。,（三）溶剂对吸收光谱的影响,溶剂对最大吸收波长的影响,如：异丙叉丙酮,溶剂极性增加，n*跃迁吸收带蓝移是因为：,从上面C=O（羰基）键的电子云分布可以知道，相对于激发态*轨道来说，基态时氧原子上的n电子处于定域状态，更为集中，使得羰基的极性较为明显，因此，在n*跃迁中，基态的极性比激发态更强一些。,而在极性溶剂中，化合物与溶剂静电的相互作用或氢键作用都可使基态或激发态趋于稳定，但是极性大的稳定作用更强一些，因此极性大的溶剂对基态n电子的影响更大一些，随着溶剂极性的增大，基态和激发态之间的能量差增加，使吸收带蓝移。,这是因为：,在*跃迁中，基态时电子主要集中在碳氧之间，使得基态的极性弱于激发态。,n*跃迁：兰移；,*跃迁：红移；,N-亚硝基二甲胺在不同溶剂中的紫外吸收光谱图,由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，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。选择溶剂时注意下列几点：,3.2光吸收的基本定律,3.2.1朗伯比尔定律,透射比（透光度）,吸光度,吸光度（A）的大小是溶液吸光程度的度量，A越大，表明溶液对光的吸收越强。,物理意义：当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后，溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比，这是吸光光度法进行定量分析的理论基础。前提条件：入射光为平行单色光且垂直照射；吸光物质为均匀非散射体系；吸光质点之间无相互作用（稀溶液）；辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程，无荧光和光化学现象发生。,在含有多种吸光物质的溶液中，溶液对某一单色光的总吸光度等于各吸光物质的吸光度之和，即：,b:cmc:gL-1k用a表示,a称为吸收系数单位：Lg-1cm-1A=abc,(2)摩尔吸收系数,b:cmc:molL-1k用表示,称为摩尔吸收系数单位：Lmol-1cm-1,3.2.2吸收系数,(1)吸收系数a,影响的因素:波长、吸光物质性质、溶剂、温度、溶液的组成、仪器灵敏度等。,当波长、温度、溶剂等条件一定时：不同物质不同同一物质随而改变，max时其表示为max，max，灵敏度max104Lmol-1cm-1的方法较灵敏同一物质不随浓度的变化而变化。,3.2.3引起偏离朗伯比尔定律的因素,（一）与样品溶液有关的因素1)溶液浓度过高引起的偏差2)化学反应引起的偏差3)介质不均匀引起的偏差（二）与仪器有关的因素1)非单色光引起的偏差因此，通常应选择最大吸收波长为测定波长。2)非平行入射光引起的偏差,例：用邻二氮菲分光光度法测铁。已知溶液中Fe2+的浓度为500g/L，液层厚度为2cm，在508nm处测得透射比为0.645。计算吸收系数a和摩尔吸收系数(已知铁的摩尔质量为55.85g/mol)。,3.3紫外及可见分光光度计,3.3.1仪器基本部件,3.3.1仪器基本部件,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。,2)单色器（分光系统）,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。,棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同。,2)单色器（分光系统）,3)吸收池,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(红敏600-1200nm和蓝敏220-625nm)。,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。,1、单光束分光光度计,3.3.2分光光度计的构造原理,2、双光束分光光度计,3、双波长分光光度计,多组分混合物混浊试样分析背景干扰共存组分干扰,3.3.2分光光度计的校正（一）波长校正：镨钕玻璃或钬玻璃（二）吸光度校正：铬酸钾溶液,3.4分析条件的选择,3.4.1仪器测量条件3.4.2显色反应条件3.4.3参比溶液3.4.4干扰及消除办法,3.5紫外可见光谱法应用,3.5.1定性分析,（一）吸收曲线比较法,1.与标准化合物的吸收光谱比较,2.与标准谱图进行比较,（二）经验公式计算,63,（一）伍德沃德-费泽（Woodward-Fieser）规则共轭双键的数目，共轭体系上取代基的种类、数目和立体结构等因素都对共轭多烯体系的紫外光谱产生影响。Woodward-Fieser总结出共轭烯烃最大吸收波长的计算方法，用于估算共轭多烯体系K带的max：,64,环状共轭二烯波长计算法,65,链状共轭多烯类化合物的波长计算法,66,应用此规则的注意事项：（1）当有多个母体可供选择时，应优先选择较长波长的母体，如共轭体系中若同时存在同环二烯与异环二烯时，应选择同环二烯作为母体；（2）环外双键在这里特指C=C双键中有一个C原子在该环上，另一个C原子不在该环上的情况（如结构式A），而结构式B和C则不是；ABC,67,（3）计算时应将共轭体系上的所有取代基及所有环外双键均考虑在内，对“身兼数职”的基团应按实际“兼职”次数计算增加值，同时应准确判断共轭体系的起点与终点，防止将与共轭体系无关的基团计算在内；（4）该规则不适用于共轭体系双键多于四个的体系，也不适用于交叉共轭体系，典型的交叉共轭体系骨架结构如下：,68,例1计算下面化合物的max同环共轭二烯母体基本值253nm增加共轭双键（230）+60nm环外双键（35）+15nm环残基或烷基取代（55）+25nm酰氧基取代+0nmmax计算值353nm（实测值：356nm）,环外双键+5,烷基+53,O,R,烷基,例2烷基,基准值253nm共轭双键+30,酰氧基+0计算值303nm实测值304nm,O酰氧基,共轭双键环外双键,烷基,70,异环共轭二烯母体基本值：214nm增加共轭双键（130）+30nm环外双键（35）+15nm环残基或烷基取代（55）+25nmmax计算值284nm（实测值：283nm）,71,链状共轭双键基本值217nm4个环残基或烷基取代+20nm2个环外双键+10nmmax计算值247nm（实测值：247nm）,72,链状共轭双键基本值217nm4个环残基或烷基取代+20nm1个环外双键+5nmmax计算值243nm（实测值：243nm）,73,（二）Scott规则芳香羰基化合物用具有芳香羰基结构的化合物max计算方法，表2-11为Scott规则，用于估算具有芳香羰基结构（XC6H4COZ）的化合物E2吸收带的max：,74,（二），-不饱和羰基化合物,，-不饱和醛、酮Woodward,Fieser和Scott总结共轭醛，酮K带的max的计算规则：,75,应用该规则计算时应注意以下两点：A）环上的羰基不作为环外双键看待，例如在结构中无环外双键；B）该规则仅适用于乙醇或甲醇溶剂，溶剂改变对实测值影响较大，需将计算值进行溶剂校正，见下表：表：，-不饱和醛、酮max的溶剂校正,76,例：计算下列化合物的max,六元环，-不饱和酮的基本值215nm1个烷基取代+10nm2个烷基取代+122nm2个环外双键+52nm259nm（实测值258nm）,77,直链，-不饱和酮的基本值215nm延长1个共轭双键+30nm1个烷基位取代+18nm1个烷基位取代+18nm281nm（实测值281nm）,78,六元环，-不饱和酮的基本值215nm1个烷基位取代+10nm2个烷基位取代+122nm2个环外双键+52nm259nm（乙醇中实测值254nm）,79,六元环，-不饱和酮的基本值215nm延长2个共轭双键+302nm同环共轭双键+39nm1个烷基位取代+12nm3个烷基位以远取代+183nm1个环外双键+5nm385nm（乙醇中实测值388nm）,80,（三）Scott规则（乙醇为溶剂）,醛,酮,羧酸或酯,81,例：计算下列化合物的maxZ=OH基本值230nm对位NH2取代+58nm计算值288nm（实测值288nm）,82,Z=R基本值246nm邻位OH取代+7nm邻位环残基+3nm间位Cl取代+0nm计算值256nm（实测值257nm）,83,Z=H基本值250nm对位NHAc取代+45nm计算值295nm（实测值292nm）,紫外光谱的结构分析应用举例例1.胆甾烯酮（I）的烯醇式乙酸酯的结构可以是（II）或（III），经测定其紫外光谱max=238nm(log=4.2)。哪个结构更合理？,O,R,(I),O,O,R,(III),O,O,R,(II),O,R,(I),HO,R,+,HO,R,214+53+5=234nm,253+53+5=273nm,O,O,R,(II),O,O,R,(III),例2.由花精油合成得到的紫罗兰酮的两个异构体的结构就是利用紫外光谱来确定的。,K带：228nm(14000)296nm(11000),O,CHO,OC2H5ONa/C2H5OH,H+,-紫罗兰酮,+,-紫罗兰酮,O,O,计算值：227nm,299nm,3.5.2结构分析,判断异构体,酮式：max=204nm；无共轭烯醇式：max=243nm,max=270nm；max=400nm；,（一）单组份定量分析（二）多组份定量分析（三）双波长法（四）示差分光光度法（五）导数分光光度法（六）光度滴定,3.5.3定量分析,（一）单组份定量分析,定量分析的依据：朗伯-比耳定律吸光度：A=bc透光度：-lgT=bc,A,c,标准曲线,Ax,cx,（