新编仪器分析第四版第二章分子吸光分析法

1、1第二章 分子吸光分析法2第一节第一节 光谱分析法导论光谱分析法导论光谱分析法：光谱分析法：基于物质对不同波长光的吸收、发射等现象基于物质对不同波长光的吸收、发射等现象 建立的分析法。建立的分析法。光谱：光谱：光的不同波长成分及强度分布按波长或波数次序排列的记光的不同波长成分及强度分布按波长或波数次序排列的记录，描述物质吸收或发射光的特征，给出有关组成、含量和结构。录，描述物质吸收或发射光的特征，给出有关组成、含量和结构。3光谱分析法光谱分析法原子光谱原子光谱分子光谱分子光谱原子吸收光谱原子吸收光谱原子发射光谱原子发射光谱分子发光光谱分子发光光谱分子吸收光谱分子吸收光谱（分子荧光、磷光、化学发

2、光）（分子荧光、磷光、化学发光）(UV-Vis 、 IR)4一、分子能级一、分子能级能级能级：分子具有的不同运动状态对应的能量值，每一种分子分子具有的不同运动状态对应的能量值，每一种分子都有特定的能级数目与能级值，这些能级值是量子化的。都有特定的能级数目与能级值，这些能级值是量子化的。基态：基态：分子处于最低能级的状态。分子处于最低能级的状态。激发态：激发态：分子从外界获得能量而跃迁至较高能级的状态。分子从外界获得能量而跃迁至较高能级的状态。光致激发光致激发:处于基态的分子受到光的能量激发，选择性吸收特处于基态的分子受到光的能量激发，选择性吸收特征频率的能量而跃迁到能量较高激发态能级。征频率的

3、能量而跃迁到能量较高激发态能级。 高能态（激发态）高能态（激发态）Ei低能态（基态）低能态（基态）E0吸收吸收h 满足满足E=光光=h 5Er转动能转动能0.0040.025eV分子大小分子大小 、键长、键长Ee价电子能价电子能120eV化学性质信息化学性质信息Ev振动能振动能0.0251eV价键特性价键特性E总= Ee+ Ev+ ErE总= E内能 + E平动+ Ee+ Ev+ Er分子是由多个原子以各种不同化学键组成分子是由多个原子以各种不同化学键组成E内能内能是分子的固有内能，即在温度绝对零度时仍然存在的能量是分子的固有内能，即在温度绝对零度时仍然存在的能量E平动平动是分子平均动能，与温

4、度有关，连续变化是分子平均动能，与温度有关，连续变化与光谱与光谱无关无关与光谱与光谱有关有关6hchEEE127二、光的性质二、光的性质光是一种电磁波，以巨大速度通过空间不需要任光是一种电磁波，以巨大速度通过空间不需要任何物质作为传播媒介的一种能量何物质作为传播媒介的一种能量 。具有波粒二重性和单色性具有波粒二重性和单色性光强度光强度/nm单色性单色性描述光纯度的参数描述光纯度的参数激光激光 1.010-8nm8第二节第二节 紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱一、吸收曲线（吸收光谱）一、吸收曲线（吸收光谱） 以物质对不同波长光的吸光度以物质对不同波长光的吸光度A为纵坐标，以入射光的波为纵坐标，

5、以入射光的波长长为横坐标为横坐标，在，在200-800nm波长范围所绘制的曲线波长范围所绘制的曲线)103.7(6634maxnm丙酮叶绿素叶绿素a在丙酮溶液中的吸收光谱在丙酮溶液中的吸收光谱114.103 .7cmmolL摩尔吸光系数摩尔吸光系数 在一定在一定下，下，c=1mol/L，b=1cm时的吸时的吸光度，物质在一定条件下（波长，温度，光度，物质在一定条件下（波长，温度，溶剂）的特性常数。溶剂）的特性常数。bcA9二、有机化合物分子的电子跃迁二、有机化合物分子的电子跃迁分子轨道理论分子轨道理论反键轨道非键轨道成键轨道反键轨道非键轨道成键轨道/nm能能量量轨道：轨道： 电子围绕分子或原子

6、运动的几率分布。电子围绕分子或原子运动的几率分布。101. n *跃迁跃迁 孤对孤对n电子跃迁到电子跃迁到 *反键轨道，反键轨道，含杂原子的饱和有机化合物含杂原子的饱和有机化合物 （表（表2.2）2. *跃迁跃迁 处于处于 成键轨道上的电子跃迁到成键轨道上的电子跃迁到 *反键轨道反键轨道，不饱和有机化合物不饱和有机化合物-C=C-, 很大很大（104）为强吸收。为强吸收。共轭体系共轭体系max3. n *跃迁跃迁孤对孤对n电子跃迁到电子跃迁到 *反键轨道反键轨道, CO；CN；NN, 较小较小吸收波长吸收波长200400nm11三、无机化合物分子的电子跃迁三、无机化合物分子的电子跃迁2.配位体

7、场跃迁配位体场跃迁发生在过渡元素的配位化合物中。发生在过渡元素的配位化合物中。能量相等的能量相等的d轨道或轨道或f轨道分裂成能量不等的轨道间的跃迁轨道分裂成能量不等的轨道间的跃迁1.电荷转移跃迁电荷转移跃迁当受到光致激发时，电子在分子内从供给体外层轨道跃迁到接受当受到光致激发时，电子在分子内从供给体外层轨道跃迁到接受体轨道上。由此产生的吸收光谱为电荷转移光谱，体轨道上。由此产生的吸收光谱为电荷转移光谱，10432hFeSCNFeSCN 12四、相关的基本概念四、相关的基本概念1、预离解跃迁、预离解跃迁分子接受的能量用于发生化学键的断裂，不产生分子分子接受的能量用于发生化学键的断裂，不产生分子光

8、谱。光谱。2、生色团、助色团、生色团、助色团生色团（发色团）生色团（发色团）:能吸收紫外可见光的基团。能吸收紫外可见光的基团。具有不饱和键和未成对电子的基团具有不饱和键和未成对电子的基团CO；CC；NN, 助色团：本身无紫外吸收，与生色团或饱和烃相连，可使吸收助色团：本身无紫外吸收，与生色团或饱和烃相连，可使吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。 OH，NH2, X 133长移和短移长移和短移 吸收峰位置向长波方向的移动，叫长移（红移），相应的基吸收峰位置向长波方向的移动，叫长移（红移），相应的基 团称为向红基团团称为向红基团 吸收峰位置向短波

9、方向移动，叫短移（蓝移），相应的基团吸收峰位置向短波方向移动，叫短移（蓝移），相应的基团称为向蓝基团。（表称为向蓝基团。（表2.3）增色效应（浓色效应）：使吸收强度增强。增色效应（浓色效应）：使吸收强度增强。减色效应（淡色效应）：使吸收强度降低。减色效应（淡色效应）：使吸收强度降低。144溶剂效应溶剂效应:溶剂极性的不同，引起吸收峰的红移或蓝移溶剂极性的不同，引起吸收峰的红移或蓝移（1）对）对max影响：影响： n -*跃迁：溶剂极性跃迁：溶剂极性，max蓝移蓝移 -*跃迁：溶剂极性跃迁：溶剂极性，max红移红移（2）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

10、构消失，苯环精细结构消失（3）影响对光谱强度）影响对光谱强度选择溶剂时要考虑溶剂本身的吸收光谱选择溶剂时要考虑溶剂本身的吸收光谱155、吸收带、吸收带吸收带：吸收峰在光谱中的位置。吸收带：吸收峰在光谱中的位置。（1）R吸收带吸收带 由含杂原子的不饱和基团的由含杂原子的不饱和基团的n *跃迁产生跃迁产生,通常在通常在200400nm, 100(弱吸收弱吸收) （2）K吸收带吸收带 由共轭体系的由共轭体系的*跃迁产生，通常在跃迁产生，通常在217280nm 104，共轭体系增长，共轭体系增长，max红移，红移，max 16（3）B吸收带吸收带 由芳香族化合物由芳香族化合物*跃迁产生，通常在跃迁产生

11、，通常在230270nm，一系列吸收峰，又称精细结构吸收带一系列吸收峰，又称精细结构吸收带, max=254nm, =100（4）E吸收带吸收带 由芳香族化合物的环状共轭系统由芳香族化合物的环状共轭系统 *跃迁产生跃迁产生E1 184nm 104 （在远紫外区）（在远紫外区）E2 204nm 103 （强吸收）（强吸收） B吸收带和吸收带和E吸收带吸收带芳香族化合物的特征吸收带芳香族化合物的特征吸收带 可用来判断是否有芳香环存在可用来判断是否有芳香环存在17第三节第三节 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计一、仪器基本组成一、仪器基本组成光源单色器吸收池检测器显示器1. 1. 光源光源具有足

12、够的辐射强度、较好具有足够的辐射强度、较好的稳定性的稳定性; ; 辐射光是连续的辐射光是连续的且有较长的使用寿命且有较长的使用寿命。紫外区：氢、氘灯，紫外区：氢、氘灯， 发射发射160375nm的连续光谱。的连续光谱。可见光区：碘钨灯作为光源，可见光区：碘钨灯作为光源，3501000nm。 18 2.2.单色器单色器 将光源发射的连续光分出单一波长的单色光的光学系统。将光源发射的连续光分出单一波长的单色光的光学系统。光栅光栅衍射和干涉，分出光波长等距衍射和干涉，分出光波长等距 棱镜棱镜对不同波长的光折射率不同，分出光波长不等距对不同波长的光折射率不同，分出光波长不等距色散元件色散元件狭缝狭缝入

13、射狭缝入射狭缝出射狭缝出射狭缝透镜透镜准光装置准光装置聚光装置聚光装置193.3.吸收池吸收池用于盛放试液或参比溶液的装置用于盛放试液或参比溶液的装置玻璃玻璃能吸收能吸收UV光，仅适用于可见光区光，仅适用于可见光区石英石英不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区不能吸收紫外光，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）要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致） 4.4.检测器检测器将光学信号转变为电信号的装置将光学信号转变为电信号的装置要求：灵敏度高；响应时间短要求：灵敏度高；响应时间短 选择性高，稳定性好选择性高，稳定性好 5.5.信号显示器信号显示器 记录显示信号的装置，工作站、打

14、印机等记录显示信号的装置，工作站、打印机等20二、仪器的类型二、仪器的类型1、单波长单光束分光光度计、单波长单光束分光光度计2、单波长双光束分光光度计、单波长双光束分光光度计参比池参比池光源光源单色器单色器样品池样品池检测器检测器光源光源单色器单色器参比池参比池样品池样品池检测器检测器斩光器斩光器213、双波长分光光度计、双波长分光光度计4、多通道分光光度计、多通道分光光度计1 12 2检测器检测器切光器切光器光源光源吸收池吸收池PMT光源光源透镜透镜吸收池吸收池光栅光栅光电二极管阵列光电二极管阵列PDA222sAbcA111sAbcA1212ssAA 、相近，2121AAAbc （-）22第

15、四节第四节 紫外紫外-可见吸收光谱的应用可见吸收光谱的应用一、定性分析一、定性分析从吸收光谱中初步推断官能团，尤其是共轭体系从吸收光谱中初步推断官能团，尤其是共轭体系 200800nm无吸收，链状或环状脂肪族化合物无吸收，链状或环状脂肪族化合物 210250nm有强吸收带，有强吸收带，104,两个共轭单位两个共轭单位 260300nm有强吸收，可能有有强吸收，可能有35个共轭单位个共轭单位 270350nm有弱吸收峰，且有弱吸收峰，且200270nm无吸收，可能有无吸收，可能有带孤对电子的未共轭生色团，如羰基带孤对电子的未共轭生色团，如羰基 260nm附近有吸收，可能有芳香环结构附近有吸收，可

16、能有芳香环结构 230270nm有精细结构是芳香环特征结构有精细结构是芳香环特征结构 如果有颜色，共轭生色团一般在如果有颜色，共轭生色团一般在45个以上个以上231、比较法、比较法相同条件下，相同条件下，与标准品或标准与标准品或标准图谱比较图谱比较24二、定量分析二、定量分析1、 Lambert-Beers Law定量依据定量依据bcA-102-103-104- 弱吸收弱吸收 中吸收中吸收 较强吸收较强吸收 强吸收强吸收L.mol-1.cm-1 在一定条件（波长，温度，溶剂）下，物质特性常数在一定条件（波长，温度，溶剂）下，物质特性常数Lambert-Beer定律适用范围：定律适用范围：单色光

17、单色光 ；均匀稀溶液（；均匀稀溶液（ 10-2 mol/L）25例：维生素例：维生素B12 的水溶液在的水溶液在361nm处的摩尔吸光系数为处的摩尔吸光系数为207，用用1cm比色池测得某维生素比色池测得某维生素B12溶液的吸光度是溶液的吸光度是0.414，求该，求该溶液的浓度溶液的浓度?解：0.4140.00200/207 1Acmol mll262比较法比较法 相同条件下配制样品溶液和标准溶液，相同条件下配制样品溶液和标准溶液，在同一波长处测二者吸光度在同一波长处测二者吸光度cAcAccAA样样标样样标标标例：精密吸取例：精密吸取B12注射液注射液2.50mL，加水稀释至，加水稀释至10.

18、00mL；另配制对照液，精密称定对照品另配制对照液，精密称定对照品25.00mg ，加水稀释至，加水稀释至1000mL。在。在361nm处，用处，用1cm吸收池，分别测定吸光度吸收池，分别测定吸光度为为0.508和和0.518，求，求B12注射液注射液的浓度？注射液注射液的浓度？ mLgCCii/1 .98518. 0508. 01000100000.25105 . 2273标准曲线法标准曲线法配制一系列浓度不同的标准溶液，在一定波长下分别测定吸光度配制一系列浓度不同的标准溶液，在一定波长下分别测定吸光度A。以以A为纵坐标，浓度为纵坐标，浓度c为横坐标，绘制为横坐标，绘制A-c标准曲线。标准曲

19、线。完全相同的条件下，测定被测溶液的吸光度，完全相同的条件下，测定被测溶液的吸光度，并从标准曲线上找出对应的被测溶液浓度或含量。并从标准曲线上找出对应的被测溶液浓度或含量。00.10.20.30.40.50.60.70.8024681012Concentration (ug/mL)AbsBlank Standard SampleSample284多组分物质的定量分析多组分物质的定量分析abcAAAA总定量依据：三种情况：三种情况：1 1）两组分吸收光谱不重叠（互不干扰）两组分吸收光谱不重叠（互不干扰）2 2）两组分吸收光谱单向重叠）两组分吸收光谱单向重叠3 3）两组分吸收光谱相互重叠）两组分吸

20、收光谱相互重叠29红外光能量较低，只红外光能量较低，只能引起分子的振动能能引起分子的振动能级跃迁，级跃迁，振动能级跃迁时会伴振动能级跃迁时会伴随转动能级的跃迁随转动能级的跃迁分子振分子振-转光谱转光谱红外光区：波长在红外光区：波长在0.761000m 近红外区：近红外区：0.762.5m 中红外区：中红外区：2.525m 远红外区：远红外区：251000m 第五节第五节 红外吸收光谱法红外吸收光谱法30红外吸收光谱：红外吸收光谱： T%为纵坐标，或为横坐标红外吸收光谱法：红外吸收光谱法：利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构、定性和定量的分析

21、方法，又称红外分收的特性来进行结构、定性和定量的分析方法，又称红外分光光度法光光度法4110()()cmm T曲线 前密后疏T 曲线 前疏后密31IR与与UV的区别的区别IRUV跃迁类跃迁类型型分子振动能级伴随转动分子振动能级伴随转动能级跃迁能级跃迁分子外层价电子能分子外层价电子能级跃迁级跃迁适用适用有红外吸收的化合物有红外吸收的化合物n-*跃迁跃迁 -*跃迁跃迁特征性特征性特征性强特征性强简单、特征性不强简单、特征性不强用途用途鉴定化合物类别鉴定化合物类别 鉴定官能团鉴定官能团推测结构推测结构定量定量 推测有机化合物共推测有机化合物共轭骨架轭骨架321.1.产生红外光谱的条件产生红外光谱的条

22、件 满足两个条件：满足两个条件： (1) (1) 辐射光子具有的能量满足振动跃迁所需的能量；辐射光子具有的能量满足振动跃迁所需的能量； (2) (2) 辐射与物质分子间有相互偶合作用。辐射与物质分子间有相互偶合作用。 分子振动有偶极矩的变化分子振动有偶极矩的变化对称分子对称分子：没有偶极矩，辐射不能没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：引起共振，无红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。等。非对称分子非对称分子：有偶极矩变化，有偶极矩变化，红外活性。红外活性。 一、基本原理一、基本原理33分子振动方程式分子振动方程式k化学键的力常数（化学键的力常数（N/cm），将化学键两端的原子由平衡位

23、），将化学键两端的原子由平衡位置拉长置拉长0.1nm后的恢复力，与键能和键长有关。后的恢复力，与键能和键长有关。单键：；双键：单键：；双键：812；三键：；三键：1218 折合质量，折合质量， =m1m2/（m1+m2）Ar 折合相对原子质量折合相对原子质量 Ar = Ar 1 Ar 2/（ Ar 1+ Ar 2） 双原子分子的振动双原子分子的振动化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧121 3 0 22ArrkcNkkcAAK,AK,Ar r,则则或或342.2.多原子分子的振动多原子分子的振动振动方式的数目为振动的自由度，每个振动自由度相应一个振动方式的数

24、目为振动的自由度，每个振动自由度相应一个基频吸收带基频吸收带基频基频二倍频二倍频三倍频三倍频35N个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度个原子组成分子，每个原子在空间具三个自由度3N分子运动自由度 平动自由度 转动自由度 振动自由度3N分子振动自由度（平动自由度转动自由度）36FN非线性分子：35FN线性分子：水分子H2O非线性分子3 363F 36CO2分子 线性分子3 354F 2400/cm660/cm37实际峰数比理论值少的原因：实际峰数比理论值少的原因：（1）振动频率相同，简并为一个峰）振动频率相同，简并为一个峰（2）振动频率相近，仪器无法分辨，表现为一个峰）振动频率相近，仪器无

25、法分辨，表现为一个峰（3）振动无偶极矩的变化，不产生吸收光谱）振动无偶极矩的变化，不产生吸收光谱（4）振动吸收强度太弱或频率超出检测范围，检测不出）振动吸收强度太弱或频率超出检测范围，检测不出383.基团频率和指纹区基团频率和指纹区基团频率：基团频率：同一类基团振动频率非常接近，都在一定频率区同一类基团振动频率非常接近，都在一定频率区间出现吸收谱带，称为官能团的基团频率（间出现吸收谱带，称为官能团的基团频率（40001300cm-1）11870 1540C Ocm（强）39（双）HN（单）HN（强单）HN403.基团频率和指纹区基团频率和指纹区基团频率：基团频率：同一类基团振动频率非常接近，都

26、在一定频率区同一类基团振动频率非常接近，都在一定频率区间出现吸收谱带，称为官能团的基团频率（间出现吸收谱带，称为官能团的基团频率（40001300cm-1）11870 1540C Ocm（强）指纹区：指纹区：在在1800600区域中，一些单键的振动很容易区域中，一些单键的振动很容易受附近化学键振动的影响，分子结构稍有不同，吸收光谱受附近化学键振动的影响，分子结构稍有不同，吸收光谱就有细微的差异，显示分子的特征，犹如人的指纹。就有细微的差异，显示分子的特征，犹如人的指纹。41（双）HN（单）HN（强单）HN42400060025001900叁键和累积双键区叁键和累积双键区40002500氢键区：

27、氢键区：X-H伸缩振动伸缩振动19001200双键伸缩振动区双键伸缩振动区1200单键区单键区表表2.8100 ，vs（非常强）（非常强） 20-100，s 10-20，m 1-10, w红外光谱中，红外光谱中，峰强弱等级的划分峰强弱等级的划分43影响峰位的因素影响峰位的因素化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。结构和外部因素影响。内部因素内部因素 电子效应电子效应振动偶合振动偶合氢键影响氢键影响费米共振费米共振外部因素外部因素试样状态试样状态测试条件测试条件溶剂极性溶剂极性温度温度44电子效应电子效应a诱导效应诱导

28、效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动吸电子基团使吸收峰向高频方向移动b.共轭效应：共轭效应： 共轭体系使振动频率移向低波数区共轭体系使振动频率移向低波数区12k45氢键效应氢键效应费米共振费米共振 频率相近的倍频峰与基频峰的相互作用使泛频峰强度增加或分裂频率相近的倍频峰与基频峰的相互作用使泛频峰强度增加或分裂46 （1）确定试样的来源和理化性质）确定试样的来源和理化性质 （2）计算不饱和度）计算不饱和度n1、n3、n4、分别为一价、三价、四价原子数目、分别为一价、三价、四价原子数目 U=0 饱和脂肪族化合物饱和脂肪族化合物 U=1 一个双键或脂环一个双键或脂环 U=2 一个三键或两个双键一个

29、三键或两个双键 U=4 一个苯环一个苯环 例：苯甲醛（例：苯甲醛（C7H6O）不饱和度的计算）不饱和度的计算431222nnnU22 7652U 二、红外光谱定性和定量分析二、红外光谱定性和定量分析1. 定性分析定性分析47（3）红外光谱解析）红外光谱解析 a.红外光谱解析顺序：先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；红外光谱解析顺序：先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后肯定先粗查，后细找；先否定，后肯定;寻找有关一组相关峰寻找有关一组相关峰佐佐证证b.峰的三要素：峰位、峰强、峰峰的三要素：峰位、峰强、峰482. 定量分析定量分析基线法基线法0lgIAbcI灵敏度低，不适于微量组分的测定灵敏度低，不适于微量组分的测定49三、红外吸收光谱仪三、红外吸收光谱仪1.色散型红外吸收光谱仪色散型红外吸收光谱仪特点：特点：扫描速度慢，扫描速度慢，不能测定瞬间不能测定瞬间光谱变化，光谱变化，分辨率低，分辨率低，不能联用。不能联用。502.干涉分光型红外光谱仪（傅里叶变换红外光谱仪）干涉分光型红外光谱仪（傅里叶变换红外光谱仪）特点：分辨率高特点：分辨率高,波数精度高波数精度高 （0.01cm-1） 灵敏度高（灵敏度高（10-910-12g） 扫描速度快扫描速度快51第六节第六节 实验技术实验技术一、