青海大学仪器分析04紫外吸收光谱法

1、2022-2-25第四章第四章 紫外吸收光谱法紫外吸收光谱法applications of UVultraviolet absorption spectrometry, UV2022-2-25一、概述一、概述二、有机化合物分子二、有机化合物分子的电子跃迁和吸收带的电子跃迁和吸收带三、电荷转移吸收带三、电荷转移吸收带四、配位体场吸收带四、配位体场吸收带五、影响吸收带的因五、影响吸收带的因素素2022-2-25一、概述一、概述 紫外紫外-可见吸收光谱法是研究在可见吸收光谱法是研究在200-800 nm光区内的光区内的分子吸收光谱分子吸收光谱的一种方法，它广泛地应的一种方法，它广泛地应用于无机和有机

2、物质的定性和定量测定，灵敏度用于无机和有机物质的定性和定量测定，灵敏度和选择性好。和选择性好。1分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生2分子吸收光谱的分类分子吸收光谱的分类3分子吸收光谱的特点分子吸收光谱的特点2022-2-25紫外可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁。紫外可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁。波长范围：波长范围：100-800 nm.(1) 远紫外光区远紫外光区: : 100-200 nm (2) 近紫外光区近紫外光区: : 200-400 nm(3) 可见光区可见光区: :400-800 nm 250 300 350 400nm1234e e 可用于结构鉴定和定量分析。可用于结构鉴定

3、和定量分析。 电子跃迁的同时，伴随着振电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁动转动能级的跃迁; ;带状光谱带状光谱。2022-2-25 1分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生 由能级间的跃迁引起由能级间的跃迁引起 能级：电子能级、振动能级、转动能级能级：电子能级、振动能级、转动能级 跃迁：电子受激发，从低能级转移到高跃迁：电子受激发，从低能级转移到高 能级的过程能级的过程转振电总EEEEchhE能级差2022-2-25能级跃迁能级跃迁 电子能级间跃迁电子能级间跃迁的同时，总伴随有的同时，总伴随有振动和转动能级间振动和转动能级间的跃迁。即电子光的跃迁。即电子光谱中总包含有振动谱中总包含有振动能

4、级和转动能级间能级和转动能级间跃迁产生的若干谱跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。线而呈现宽谱带。2022-2-252分子吸收光谱的分类分子吸收光谱的分类 分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量 大小顺序大小顺序 转振电EEE1 20200 8000.05 10.78 15.40.001 0.0515.4 40EevnmEevmEevm电振转紫外 可见吸收光谱红外吸收光谱远红外吸收光谱2022-2-253分子吸收光谱的特点分子吸收光谱的特点 由于分子吸收中每个电子能级上耦合有由于分子吸收中每个电子能级上耦合有许多的振许多的振- -转能级，所以处于紫外转能级，所以处

5、于紫外- -可见光可见光区的电子跃迁而产生的吸收光谱具有区的电子跃迁而产生的吸收光谱具有 “ “带带状吸收状吸收” ” 的特点。的特点。2022-2-25图 吸收光谱示意图1. 吸收峰 2.谷 3. 肩峰 4. 末端吸收2022-2-25二、有机化合物分子的电子跃迁和吸收带二、有机化合物分子的电子跃迁和吸收带 ultraviolet spectrometry of organic compounds1. 跃迁2.n跃迁3. 和 n跃迁4. 几种吸收带2022-2-25电子跃迁类型：电子跃迁类型：有机化合物的紫外有机化合物的紫外- -可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：可见吸收光谱是三种电子跃迁的

6、结果：电子、电子、电子、电子、n n电子电子。分子轨道理论分子轨道理论：成键轨道成键轨道反键轨道。反键轨道。当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态( (反键反键轨道轨道) )跃迁。主要有四种跃迁；所需能量跃迁。主要有四种跃迁；所需能量大小顺序为：大小顺序为：n n * * n n * * s sp p *s s *RKE,Bnp p ECOHnp ps sH2022-2-251 1 *跃迁跃迁 所需能量最大；所需能量最大；电子只有吸收远紫外光的能量才能发电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；生跃迁； 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区

7、；饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区； 吸收波长吸收波长200 nm200nm，max104共轭体系增长，共轭体系增长，max红移，红移，max2022-2-25(4) 相当于生色团及助色团中的相当于生色团及助色团中的n *跃迁所引起跃迁所引起的；通常由含杂原子的不饱和基团的的；通常由含杂原子的不饱和基团的n *跃迁产生跃迁产生CO；CN；NN E小，小，max250400 nm，max104 强带（强带（E带和带和K带）带） max 10104 4Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。谱属于此。2022-2-25四、配位体场吸收带四、配位体场吸收带 配位

8、体场吸收带包括配位体场吸收带包括d d- -d d电子跃迁和电子跃迁和 f f- -f f 电子跃电子跃迁产生的吸收带，这两种跃迁必须在配体的配位场迁产生的吸收带，这两种跃迁必须在配体的配位场作用下才可能产生也称作用下才可能产生也称配位场跃迁配位场跃迁；主要用于配合主要用于配合物结构的研究。物结构的研究。 元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别具有具有3d和和4d轨道，镧系和锕系分别具有轨道，镧系和锕系分别具有4f和和5f轨道，轨道，在配体存在下，过渡元素五个能量相等的在配体存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道及镧轨道及镧系和锕系元素系和锕系元素7

9、个能量相等的个能量相等的f轨道分别裂分成几组轨道分别裂分成几组能量不等的能量不等的d轨道和轨道和f轨道，当它们的离子吸收光能轨道，当它们的离子吸收光能后，低能态的后，低能态的d电子或电子或f电子可分别跃迁至高能态的电子可分别跃迁至高能态的d或或f轨道上，轨道上，摩尔吸收系数摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。很小，对定量分析意义不大。2022-2-252022-2-25d-d跃迁产生的光谱某些过渡金属离子的吸收光谱2022-2-25f-f跃迁产生的光谱2022-2-25生色团或助色团：饱和有机化合物中引生色团或助色团：饱和有机化合物中引入生色团或助色团将会使吸收带入生色团或助色团将会使吸收带

10、max位位移和移和max发生变化。发生变化。配位体场：配位体场的改变会使吸收带配位体场：配位体场的改变会使吸收带的特性变化。的特性变化。2022-2-253. 3. 溶剂的影响溶剂的影响n p p*跃迁跃迁：蓝移；蓝移； ；ee p p p p*跃迁：跃迁：红移；红移； ；ee图图 极性溶剂对两种跃迁能级差的影响极性溶剂对两种跃迁能级差的影响2022-2-25溶剂效应对异丙叉丙酮溶剂效应对异丙叉丙酮max的影响的影响跃迁类型max(正己烷) max(氯仿) max(甲醇)max(水)p p*230238237243n p*3293153093052022-2-25NCNNCNH H气态气态溶剂

11、：环己烷溶剂：环己烷溶剂：水溶剂：水对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱2022-2-25极性溶剂使精细结构消失2022-2-25对吸收光谱精细结构影响：对吸收光谱精细结构影响： 溶剂极性溶剂极性，苯环精细结构消失，苯环精细结构消失溶剂影响吸收波长，吸收强度及精细结构（溶剂影响吸收波长，吸收强度及精细结构（fine structure）2022-2-25UV常用的溶剂：烷烃（己烷、庚烷、环己烷）、常用的溶剂：烷烃（己烷、庚烷、环己烷）、 H2O、甲、甲 醇、乙醇等。醇、乙醇等。UV测定非极性化合物多用环己烷作溶剂，而测定极性化合测定非极性化合物多用环

12、己烷作溶剂，而测定极性化合物多用物多用 H2O、甲醇、乙醇作溶剂。、甲醇、乙醇作溶剂。2022-2-25一、比尔定律一、比尔定律二、引起偏离比尔定律的因二、引起偏离比尔定律的因素素第二节 吸收定律absorption law2022-2-25 本节内容自学2022-2-25一、单波长分光光度计一、单波长分光光度计二、双波长分光光度计二、双波长分光光度计三、多通道分光光度计三、多通道分光光度计第三节 紫外分光光度计ultraviolet spectrometer2022-2-25仪器 紫外-可见分光光度计2022-2-25一、单波长分光光度计 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般

13、不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性2022-2-25不用拉动吸收池，可以减小移动误差对光源要求不高可以自动扫描吸收光谱 2022-2-25特点： 自动记录，快速全波段扫描。可消自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。复杂，价格较高。2022-2-25二、二、双波长分光光度计双波长分光光度计 将不同波长的两束单色光(1、2) 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。特

14、点：利用吸光度差值定量消除干扰和吸收池不匹配引起的误差2022-2-25比较：比较：2022-2-25三、三、多通道分光光度计多通道分光光度计多通道仪器多通道仪器（Multichannel Instruments）光电二极管阵列检测器光电二极管阵列检测器(通常具有通常具有316个硅二极管个硅二极管)同时测量同时测量200820 nm范围内的整个光谱范围内的整个光谱, 比单个比单个检测器快检测器快316倍倍2022-2-25HP 8452A多通道二极管阵列分光光度计多通道二极管阵列分光光度计2022-2-25一、定性分析一、定性分析二、定量分析二、定量分析三、测定平衡常数三、测定平衡常数四、研究

15、有机化合物的四、研究有机化合物的异构体异构体五、测定相对分子质量五、测定相对分子质量第四节第四节 紫外吸收紫外吸收光谱法的应用光谱法的应用applications of UV2022-2-25一、定性分析一、定性分析 qualitative analysis1. 对共轭程度、饱和与不饱和化合物、异构体进行对共轭程度、饱和与不饱和化合物、异构体进行 判别判别2. 比较吸收光谱曲线法比较吸收光谱曲线法3. 计算最大吸收波长计算最大吸收波长 2022-2-251、对共轭程度、饱和与不饱和化合物、异、对共轭程度、饱和与不饱和化合物、异 构体进行判别构体进行判别1）若在）若在200800 nm 波长范围

16、内无吸收峰：则可能是直链烷烃、环烷烃、波长范围内无吸收峰：则可能是直链烷烃、环烷烃、 饱和饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。 2）若在）若在270350 nm波长范围内有低强度吸收峰波长范围内有低强度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),（n* 跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如电子的生色团，如 羰羰基。基。醛酮醛酮 n* 跃迁产生的跃迁产生的R 带。带。 3）若在）若在250300 nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。（具有精（具有精细

17、结构的细结构的B 带）。带）。 4）若在）若在210250 nm波长范围内有强吸收峰波长范围内有强吸收峰，表明含有一个共轭体系（表明含有一个共轭体系（K）带。带。 共轭二烯：共轭二烯： K带（带（ 230 nm）；）； 不饱和醛酮：不饱和醛酮：K带带 230 nm ，R带带 310-330 nm 260 nm,300 nm,330 nm有强吸收峰有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系个双键的共轭体系。 2022-2-252.比较吸收光谱曲线法比较吸收光谱曲线法 在相同的实验条件（仪器条件、溶剂）下，将未在相同的实验条件（仪器条件、溶剂）下，将未知物的紫外光谱与标准物质的紫外光谱进行比较，知物的

18、紫外光谱与标准物质的紫外光谱进行比较，若两者谱图若两者谱图 max 与与e emax相同，可认为含有相同的生相同，可认为含有相同的生色团，但不一定是相同的物质。色团，但不一定是相同的物质。 如：甲苯与乙苯谱图基本相同；如：甲苯与乙苯谱图基本相同； 标准谱图库：标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra ,Ultraviolet 2022-2-253. 计算最大吸收波长计算最大吸收波长(1)Woodward-Fieser 经验规则A. A. 共轭二烯、三烯、四烯及不饱和羰基化合物共轭二烯、三烯、四烯及不饱和

19、羰基化合物maxmax的计算：的计算：2022-2-25例例 题题母体母体: 217 nm烷基取代烷基取代(45) 20 nm环外双键环外双键(25) 10 nm 247 nmAB2022-2-25ABABC2022-2-252022-2-25 、不饱和羰基化合物C8H17OAB1234CCH3CH3C8H17OA12B(2)(4)2022-2-25二、二、 定量分析定量分析 quantitative analysis 1. 实验条件的选择实验条件的选择 2. 单组分定量分析单组分定量分析 3. 多组分定量分析多组分定量分析 4. 双波长分光光度法双波长分光光度法 5. 分光光度法的灵敏度分光

20、光度法的灵敏度 6. 分光光度法的误差分光光度法的误差2022-2-251. 实验条件的选择（自学内容）实验条件的选择（自学内容）(1) 波长波长(2) 狭缝宽度狭缝宽度(3) 吸光度值吸光度值(4) 有色化合物的形成有色化合物的形成2022-2-252. 单组分定量分析单组分定量分析 单组分分析：标准曲线法或标准比较法2022-2-253. 多组分定量分析多组分定量分析(1) 当各组分的吸收光谱不重叠时，如单组分测定。当各组分的吸收光谱不重叠时，如单组分测定。(2)(2)若两组分的吸收光谱互相重叠时，可以根据吸光若两组分的吸收光谱互相重叠时，可以根据吸光度的加和性，在多个波长下测定吸光度并利

21、用解联立度的加和性，在多个波长下测定吸光度并利用解联立方程方法求解。即方程方法求解。即BBAABABABBAABABAbcbcAAAbcbcAAA2222211111eeee解两方程即可求出组份解两方程即可求出组份A和和B的浓度。的浓度。2022-2-25BBAABABABBAABABAbcbcAAAbcbcAAA2222211111eeee2022-2-254. 双波长分光光度法双波长分光光度法(1) 单组分的分析单组分的分析(2) 双组分中某一组分的分析双组分中某一组分的分析 (a) 等吸光度波长法等吸光度波长法 (b) 系数倍率法系数倍率法 (c) 导数分光光度法导数分光光度法2022-

22、2-25(a)等吸光度波长法 当光谱重叠、且两组份的两吸收峰在测定波长范围内当光谱重叠、且两组份的两吸收峰在测定波长范围内重叠时，在其光谱中选择两波长，在选定的两波长处，干重叠时，在其光谱中选择两波长，在选定的两波长处，干扰组分有相同的吸收；被测组分与干扰组分的吸收有足够扰组分有相同的吸收；被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比。正比。bcAAAAA)(2121ee参比波长测量波长2022-2-25在双波长分光光度法中在双波长分光光度法中吸光度的差值与干扰组吸光度的差值与干扰组份无关。份无关。例例,

23、苯酚与苯酚与2,4,6-三氯苯酚三氯苯酚(y)混合混合物中苯酚物中苯酚(x)的双波长分光光度的双波长分光光度法测定。法测定。选选 1为参比波长为参比波长, 2为测量波长为测量波长得得 A 1= e e x 1bcx + e e y 1bcy A 2= e e x 2bcx+ e e y 2bcy A=A 2-A 1= (e e x2bcx+e e y 2bcy)-(e e x 1bcx+e e y 1bcy)在等吸光度的位置在等吸光度的位置(G, F), e e y 2 e e y 1，则上式成为则上式成为 A=(e e x 2- e e x 1）bcx A与与cx成正比成正比, 可用于测定可

24、用于测定2022-2-255. 分光光度法的灵敏度分光光度法的灵敏度)(10113cmgmlMae)(11cmmolLbcAe)()(100 . 1223cmgMScmgaSe2022-2-256. 分光光度法的误差分光光度法的误差 自学内容2022-2-25三、测定平衡常数三、测定平衡常数弱酸HB在溶液中存在如下平衡 HB HBBHBlgpHpaK配制配制HB总浓度总浓度c相同，但酸度不同的三份溶液，即酸相同，但酸度不同的三份溶液，即酸性、碱性和一定性、碱性和一定pH值的缓冲溶液；在酸型体、碱型值的缓冲溶液；在酸型体、碱型体、缓冲溶液的最大吸收波长下测得吸光度分别为体、缓冲溶液的最大吸收波长

25、下测得吸光度分别为Aa、Ab和和A。当其离解常数为当其离解常数为Ka时有：时有：2022-2-25 在酸性溶液中在酸性溶液中HB以酸式型体存在，且浓度为以酸式型体存在，且浓度为c；在碱在碱性溶液中性溶液中HB以碱式型体以碱式型体B-存在，浓度也为存在，浓度也为c；在一定在一定pH缓冲溶液中，缓冲溶液中，HB的酸型体和碱型体同时存在，且的酸型体和碱型体同时存在，且c=HB+B-。则则bcAaaebcAbbe)HB(HBBHBeeeecbbbbAbaba酸、碱型体的吸光系数分别为：酸、碱型体的吸光系数分别为：在一定在一定pH值溶液中的总吸光度为：值溶液中的总吸光度为：分别用吸光系数和离解常数代入并整理得到：分别用吸光系数和离解常数代入并整理得到：)(H)(HBBHbaaAAAAK)()(lgpHpAAAAKaba即：式中式中pH用电位法用电位法测定测定2022-2-25四