紫外-可见吸收光度法新

1、第4章 紫外-可见分光光度法 4.1 基本概念 4.2 基本原理 4.3 紫外-可见分光光度计 4.4 紫外-可见吸收光谱常规分析方法 4.5 有机化合物分子结构分析简介 4.6 应用与示例 4.1 基本概念 4.1.1 跃迁类型 4.1.2 常用术语 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 4.1.4 影响吸收带的因素 4.1 基本概念 异亚丙基丙酮，3-Penten-2-one, 4-methyl-， CAS No: 141-79-7，C6H10O，M=98.143 I 0 I H3C H3C C CH C CH3 O 220240260280300320340 lg 4.5 4.0 3.5

2、3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 =312.78nm /nm lg=4.108 lg=1.773 =236.37nm * 1 E 2 E E hc n E 0 E n E 4.1 基本概念 4.1.1 跃迁类型 有机物的化学键：单键、双键和叁键；电子类型： 电子、电子、n电子。价电子的吸收跃迁过程： )(M)(M激发态基态 h 4.1 基本概念 4.1.1 跃迁类型 n n E 4.1 基本概念 4.1.1 电子跃迁类型 4.1 基本概念 4.1.1 电子跃迁类型 6种主要吸收带在光谱区中的位置 4.1 基本概念 4.1.2 常用术语 吸收光谱是以波长为横坐标、吸光度A(或T、lg) 为

3、纵坐标所描绘的曲线，也称吸收曲线。 在定量分析时，纵坐标采用吸光度A，或透光率T；在 定性鉴别时，纵坐标采用摩尔吸光系数或lg。用于比 较物质的光谱特性。 吸收曲线的峰、谷、肩峰、末端吸收 2.227 500.29 6 3.921 413.60 5 3.850 326.14 4 3.742 275.00 3 3.843 249.71 2 3.863 230.03 1 lg /nm maxmax 峰号 1234 5 6 S S S 4,5-四亚甲基-1,2-二硫杂环戊烯-3-硫酮的 紫外-可见吸收光谱 4,5-Tetramethylene- 1,2-dithiol-3-thione C7H8S3

4、；CAS No.14085-34-8 4.1 基本概念 4.1.2 常用术语 生色团，也称发色基，是有机化合物分子结构中，含 有*跃迁、n*跃迁的基团，即能在紫外-可见光 区产生吸收的基团。如：C=C、C=O、N=N、 NO2、C=S等。 助色团，也称助色基，是指含有非键电子的杂原子饱 和基团，当助色团与生色团或饱和烃相连时，能使该 生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收 强度增加。如OH、NH2、OR、SH、SR、 Cl、Br、I等。 4.1 基本概念 4.1.2 常用术语 红移，也称长移，由于化合物的结构改变(如发生共轭)、 引入助色团、以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向 移动。

5、蓝移，也称短移，由于化合物的结构改变(如发生位阻 变形，削减共轭)、以及溶剂改变等，使吸收峰向短波 方向移动。 4.1 基本概念 4.1.2 常用术语 增色效应：由于化合物结构改变或其他原因，使吸收 强度增加，称增色效应； 减色效应：由于化合物结构改变或其他原因，使吸收 强度减弱，称为减色效应。 强带：max104的吸收峰称为强带； 弱带：max103的吸收峰称为弱带。 4.1 基本概念 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 R带(基团型的)为n*跃迁引起的吸收带，是杂原子 不饱和基团的特征吸收带。如：CO、NO、 NO2、N=N等生色团。 R带特点：吸收峰在较长范围(300nm)，弱吸收( 1

6、00)，测定需较浓溶液；溶剂极性增加时R带发生短移； 当有强吸收带在附近时，R带易被掩盖。 K带(共轭的)是由*跃迁引起的吸收带，产生该吸 收带的生色团是分子中的共轭系统。 K带特点：吸收强度104，共轭双键增加，吸收峰红 移、强度增加。例如： 4 maxmax 4 maxmax 105 . 3nm258 101 . 2nm218 ， ， 53己三烯1 丁二烯1,3 , 4.1 基本概念 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 B带(苯的)是芳香族(含杂芳香族)化合物的特征吸收带。 苯蒸气的B带在230270nm有精细结构，其中心约在 254nm/max250左右。 E带(乙烯型)也是芳香族化合物

7、的特征吸收带，由苯环 三个双键的环状共轭系统的*跃迁所产生，分为： E1带(180nm/4.7104)，E2带(200nm/7000) 4.1 基本概念 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 /nm 苯蒸气B吸收带的精细光谱图 220 230 240 250 260 270 280 A 0 . 1 8 . 0 6 . 0 4 .0 2 . 0 4.1 基本概念 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 165170175180185190195200205 0 . 2 5 . 2 0 . 3 5 . 3 0 . 4 5 . 4 0 . 5 lg nm/ 苯的全紫外吸收光谱 带B 带E 4.1 基本概念

8、 4.1.3 吸收带与分子结构的关系 荷移吸收带是某些含有电子给予体与接受体相连的化 合物，在光能照射下，电子从其相联系的轨道上发生 能级跃迁，产生的吸收带称为荷移吸收带。 场跃吸收带是过渡金属元素的配合物，在配体的配位 场作用下，有光能照射时，则发生配位场能级跃迁， 因此产生的吸收带称为场移吸收带。 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 紫外吸收光谱系分子光谱，吸收带位置易受分子中结 构因素和测定条件等多种因素影响，在较宽波长范围 内变动，其核心是对分子中电子共轭结构的影响。 凡是使共轭结构增强的因素，都会使吸收峰长移，吸 收强度增加，有利于紫外-可见吸收测定；反之，使共 轭结构削

9、弱的因素，都会使吸收峰短移，吸收强度减 小，不利于测定。 在测定条件中，溶剂极性对R带和B带各不相同；体系 pH主要对易解离的弱酸、弱碱的吸收带有影响。 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 化合物中若有2个生色团产生共轭效应，可使吸收带 长移；若2个生色团因立体阻碍而变形，影响共轭效 应，则使吸收带蓝移。例如二苯乙烯，反式结构的K 带比顺式长移，吸光系数增加。 K 带 nm0 .278 992. 3lg HH K 带 nm0 .296 430. 4lg H H 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 在有些、不饱和酮中，当双键与酮基处于适当的立 体排列，使羰基氧的孤电子对和

10、双键的 电子发生超 共轭作用， 以致使相当于 n*跃迁的 R 吸收带向 长波移动，同时其吸收强度增强。 H2CO SCO ： 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 同一物质在不同极性溶剂中，由于溶剂和溶质之间的 相互作用所得吸收光谱不同的现象，称为溶剂效应。 测定非极性化合物多用环己烷作溶剂；测定极性化合 物多用甲醇、乙醇作溶剂。 溶剂极性对两种跃迁能级差的影响：若溶剂的极性增 大，使*跃迁吸收峰长移；使*跃迁吸收峰 短移。 *n * 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 溶剂极性对两种跃迁能级差的影响 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 体系的pH值，无论是对

11、酸性、碱性或中性样品的紫 外吸收光谱都有明显的影响。例如例如：苯酚、苯胺，在 不同的pH条件下，其解离情况不同，从而产生不同 的吸收光谱。 OH O OH HH+ OH NH3 NH2 287nm/270nm，n 235nm/210nm， max max 长短 max 4.1 基本概念 4.1.4 影响吸收带的因素 苯酚(Phenol)、苯胺(Aniline)的紫外吸收光谱。 4.2 基本原理 4.2.1 Lambert-Beer定律 4.2.2 偏离Beer定律的因素 4.2 基本原理 4.2.1 Lambert-Beer定律 定律的数学表达式，通过先微分再积分方式推导出 l I 0 I d

12、l aclAclAEclA I I TA ； 0 lglg 。：，： ；：，： ：，： ； ： ： ：；： ： g/L mol/L mL100g , 0 c c /cE c l TA II 质量吸光系数 摩尔吸光系数 ；百分吸光系数 对应着不同的吸光系数 单位，溶液浓度，不同的浓度 )吸收池厚度(吸收光程 透光率吸光度 入射光、出射光强度； 4.2 基本原理 4.2.1 Lambert-Beer定律 的吸光度。溶液浓度为 表示、定波长处，厚度以摩尔吸光系数，指在一 表示。的吸光度，用溶液浓度为 表示、定波长处，厚度以百分吸光系数，指在一 表示的吸光度，单位溶液浓度以 表示、定波长处，厚度以质量

13、吸光系数，指在一 1 %1 cm1 Lmol1 1cm )g/100mL(1 1cm g)L/(cmg/L 1cm ： ： 。 ： E E aME M 10 %1 cm1 吸光系数：吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸 光度。 4.2 基本原理 4.2.1 Lambert-Beer定律 若溶液是多种吸光组分1、2、3的混合溶液，则溶 液的吸光度将是各组分吸光度的总和。 )( lg 321 332211 AAA lcEcEcE TA 吸光系数的定义：吸光物质在单位浓度及单位厚 度时的吸光度。 吸光系数的物理意义： 在给定单色光、溶剂和温度等条件下，物质的吸 光系数是特征常数，表明物质对某一波长光的

14、吸 收能力； 不同物质对同一波长的单色光一般有不同的吸光 系数，吸光系数愈大，吸光能力愈强，灵敏度愈 高，所以吸光系数是定性和定量的依据。 4.2 基本原理 4.2.1 Lambert-Beer定律 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 比尔定律成立的条件：待测物为均一的稀溶液；无溶 质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光。 当某些条件不满足要求或发生改变，则发生偏离现象。 A c 光度分析工作曲线 正偏离 负偏离 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 测定高浓度样品或高浓度电解质溶液中的痕量组分时， 容易引起偏离Beer定律。 高浓度时，吸收质点靠得很

15、近，会互相影响对方的电 荷分布，使吸收质点对某一给定波长的吸收能力的改 变，从而偏离Beer定律。折射率的改变也会引起偏 离，因为摩尔吸光系数与折射率有关(诱电场效应)， 若溶液浓度改变引起折射率变化很大，也会产生对 Beer定律的偏离。 所以，测定时必须采用稀溶液。 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 是指解离、缔合、生成络合物或溶剂化等会因素。 例如：在水溶液中，随着亚甲蓝阳离子浓度增大，单 体的吸收减弱，而二聚体的吸收增强。 S N NN Cl 亚甲蓝阳离子 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 重铬酸钾的水溶液有下列平衡： 2 42 2 72 CrO2

16、H2OHOCr 橙色350nm 黄色378nm 不同浓度的重铬酸钾溶液 在原位ATR-UV/Vis光谱 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 非单色光引起的偏离 杂散光引起的偏离 散射光和反射光引起的偏离 非平行光引起的偏离 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 透光率测量误差是测量中的随机误差，来自仪器的噪 声有：暗噪声和信号散粒噪声。 暗噪声，仪器本身原因，与光讯号无关； 。： 。， ：， ，； 7 . 02 . 0 434. 0368. 0 lg 434. 0 lg 1 A ccAT TT T c c TElEl A c 最适宜范围 最小/ 求曲线的最低点

17、依此作曲线 1 1 lg 434. 0 1 1 TT K c c T TKT 4.2 基本原理 4.2.2 偏离Beer定律的因素 （实线为暗噪声误差曲线；虚线为散粒噪声误差曲线） 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 4.3.2 光学性能与类型 4.3.3 校正方法 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 光源：产生可见光的是钨灯(卤钨灯)，属于热辐射光 源；产生紫外光的是氘灯(氢灯)，属于气体放电光源。 常用氘灯(A)和多波长检测器氘灯(B)示意图。 (A) 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 单色器是一组元件，由入射狭缝、准直镜、色散元 件、物镜

18、和出射狭缝构成。作用是使光源发出的光 变成所需要的单色光。分为光栅型和棱镜型两种。 * 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 吸收池是用于盛放试液的矩形玻璃槽，有石英玻璃池 (可用于紫外-可见区)和光学玻璃池(仅用于可见区)。 吸收池的两个对面是透光面，另两个对面是毛面(可 手拿取的接触面)。 I 0 I 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 仪器的检测器是将接收到的辐射功率变成电流的转换 器，是一种光电效应检测器。 检测器的类型(以出现时间序排列)：光电管、光电倍 增管、二极管阵列检测器。 光电倍增管 Photomultipl ier Tubes 二极管阵列检测器

19、 Diode array detector 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.1 主要部件 二极管阵列检测器 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.2 光学性能与类型 单光束分光光度计 双光束分光光度计 二极管阵列检测分光光度计 Pye Unicam SP8-200 紫外可见分光光度计光路图 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.2 光学性能与类型 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.2 校正方法 新购买的商品仪器，在使用前必须对其性能进行检查 和校正。校正内容主要有： 波长校正，常用氘灯光源检查；钬玻璃滤光片的可见 光区特征谱线检查；苯蒸气的紫外光区特征吸收检查。 吸光度校正，常以硫酸

20、铜、硫酸钴、铬酸钾标准溶液， 检查其吸光度是否符合标准要求。 吸收池校正，将两个吸收池装入相同的试样溶液，一 个做参比池、一个作样品池，检测吸光度，然后交换 位置再检测，如果两次吸光度均为零则是合格的，否 则不合格。 4.3 紫外-可见分光光度计 4.3.2 校正方法 钬玻璃滤光片紫外- 可见光区吸收光谱 苯蒸气紫外光区 的特征吸收光谱 4.4 常规分析方法 4.4.1 定性鉴别 4.4.2 纯度检测() 4.4.3 单组分定量分析 4.4.4 多组分定量分析() 4.4.5 配合物定量分析 4.4 常规分析方法 4.4.1 定性鉴别 紫外-可见分光光度法对有机化合物的定性鉴别，主要 依据是其

21、光谱特征，包括吸收光谱形状、吸收峰数目、 位置、强度，以及相应的吸光系数值等。 比较而言，紫外-可见吸收光谱的吸收峰数目少，特征 性不强，在定性鉴别中起辅助参考作用。 对比吸收光谱特征数据 对比吸光度(或吸光系数)的比值 对比吸收光谱的一致性 4.4 常规分析方法 4.4.3 单组分定量分析 对于单组分样品的定量分析：选择适当的溶剂将样品 和标准品分别配制成一定浓度的溶液，以溶剂为参比， 对标准溶液进行光谱扫描，获得组分的最大吸收波长。 然后在最大波长处测定标准溶液和样品溶液的吸光度 A，通过比较，获得样品组分的浓度。 c x c x A A O 标准曲线 lE A c A Ac c k A

22、c kcEclA %1 cm1 样 标 样标 样 样 样 ： ： ： ： 吸光系数法 标准对照法 标准曲线法 理论依据是 4.4 常规分析方法 4.4.4 多组分定量分析 双波长法 导数光谱法 (不作要求，课后自学) 4.4 常规分析方法 4.4.5 配合物定量分析 金属离子并不能直接采用紫外-可见分光光度法来进行 定量分析，因为金属离子没有价电子，不存在价电子 能级跃迁问题。若金属离子与有紫外-可见吸收的配位 体(显色剂)形成配合物，则会改变配位体的吸收状况， 以此建立的分析方法，又由于配合都有鲜艳的颜色， 俗称光电比色法。 金属离子配合物的电子能级跃迁机理有三种： 配位体微扰的金属离子d-d或f-f电子跃迁 配位体与金属离子间或两种价态金属离子间的荷移跃 迁 金属离子微扰的配位体内电子跃迁 4.4 常规分析方法 4.4.5 配合物定量分析 对显色反应的要求 显色反应生成是定量反应； 有足够的稳定性； 显色剂与配合物的最大吸收波长有明显的差别； 配合物有足够大的吸光系数； 显色剂有较好的选择性。 4