9紫外-可见-OK.ppt

1、第九章 紫外-可见分光光度分析法,第一节 基本原理,一、概述 光谱分析法是指物质与电磁辐射作用时，物质内部发生能级跃迁，测量由此产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度来进行分析的方法。,依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有: 红外吸收光谱： 分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用于有机化合物结构鉴定。 紫外吸收光谱： 电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。 可见吸收光谱： 电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750 nm ，主要用于有色物质或与显色剂作用生成有色物质的定量分析。,二、紫外可见吸收光谱

2、,1光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。 波动性 = c ； 波数 = 1/ = /c 粒子性： E = h = h c / （h=6.626 10 -34 J S ),电磁波谱： X射线区：0.01-10nm 远紫外区：10 - 200 nm （真空紫外区:由于空气中的氧、二氧化碳和水分子等有吸收，必须在真空条件下才能测定） 近紫外区：200 - 400 nm 可见光区：400-780 nm ,2. 物质对光的选择性吸收及吸收曲线,吸收曲线（吸收光谱）是吸光物质浓度和液层厚度一定的条件下，让不同波长的光依次透过溶液，测量每一波长下溶液的吸光度，然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作

3、图而得。它描述了物质对不同波长光的吸收能力。 由图可看出，KMnO4溶液对不同波长的光吸收程度不同。对524nm附近的黄绿色光的吸收最强而显紫色。(最大吸收波长max)。,3.紫外-可见分子吸收光谱与电子跃迁,物质分子内部三种运动形式： 1.电子相对于原子核的运动， 2.原子核在其平衡位置附近的相对振动 3.分子本身绕其重心的转动。,分子具有三种不同能级： 电子能级、振动能级和转动能级。 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 分子的内能： 电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即 e+v+r evr,能级跃迁,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

4、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。,讨论：,（1） 转动能级r：0.0050.050eV 跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱； （2）振动能级v约为：0.05eV 跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱； （3）电子能级的能量差e较大120eV。 电子跃迁产生的吸收光谱在紫外-可见光区，紫外-可见光谱或分子的电子光谱。,（4）吸收光谱的形状反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。 （5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。 （6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。,三、分

5、子吸收光谱与电子跃迁,1紫外-可见吸收光谱 有机化合物的紫外-可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）： 电子、电子、n电子。,分子轨道理论： 一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,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。 主要有四种跃迁所需能量大小顺序为： n n ,跃迁,所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长 200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。 如甲烷的max为125nm,乙烷max为135nm。,n跃迁 所需能量较大

6、。吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。其吸收峰的摩尔吸光系数较低，一般300。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n*跃迁。 如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n*跃迁的max分别为173nm、183nm和227nm。, 跃迁,所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数max一般在104Lmol1cm1以上，属于强吸收。 不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。 如乙烯*跃迁： max为162nm，max为1104Lmol-1cm1。, n跃迁 是构成不饱和键中的杂原子上的n电子跃迁到轨道，所需能量最低，吸收波长

7、多在270-300nm附近。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100Lmol1 cm1，吸收谱带强度较弱 如丙酮n跃迁： max为275nm max为22 Lmol1 cm 1（环己烷)。,2、生色团与助色团,（1）生色团： 最有用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。凡能吸收紫外或可见光而引起电子跃迁的基团，主要是具有的不饱和键和未共用电子对的基团。 简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基C三N等。,（2）助色团： 指那些带有杂原子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有

8、生色 功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色 团相连时，就会发生n共轭作用，能增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动（红移），且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。,3、红移与蓝移,由于取代基的引入或溶剂的改变，使有机化合物的max发生移动，向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。,4、增色与减色,吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。,四 化合物紫外-可见光谱的产生,(一)有机化合物紫外-可见吸收光谱 1、饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（ ）跃迁到反键轨道（ *）。 饱和烃的最

9、大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。,直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。 但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。 当饱和烃的氢被O、N，卤素等杂杂原子取代后，由于这类杂原子含有孤对电子，可产生n* 的跃迁， n* 的能量低于*，吸收峰红移。,2、不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。 *跃迁的能量小于 *跃迁。 例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为180nm。 当有两个双键被一个单键隔开构成共轭体系时，电子的共轭效应将导致吸收带红移，共轭的双键愈多， 波长红移愈显著，

10、且吸收带强度增大。 在共轭体系中， *跃迁产生的吸收带又称为K带。,3、羰基化合物 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带。 n*吸收带又称R带，它是醛酮的特征吸收带，落于近紫外或紫外光区，是判断醛酮存在的重要依据。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。 由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。,羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此导致n* 跃迁

11、所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。 当羰基双键与碳碳双键共轭时，称为，不饱和醛或酮，由于共轭效应使碳碳双键*跃迁吸收常红移至220-260nm成为K带，羰基双键R带红移至310-330nm。,4、苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX = 60，000）； E2带出现在204nm（ MAX = 8，000 ）；B带出现在255nm （MAX = 200）。 在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。 在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个

12、特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。,5、稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。,当芳环上的-CH基团，被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与奈相似。 此外，由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*的R吸收带。,(二) 、无机化合物的紫外-可见吸收光谱 产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场

13、跃迁。 1.电荷迁移跃迁 在配合物的中心离子和配位体中，当一个电子由配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时，可产生电荷迁移吸收光谱。,这种吸收光谱通常发生在具有d电子的过渡金属与含有键共轭体系的生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子中。 呈现电荷迁移光谱的配合物的组分之一具有电子接受体的性质，而另一组分具有电子给予体的性质，电荷迁移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。,2. 配位场跃迁 元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。 自由态的过渡金属离子（即在没有电磁场存在下），5个d轨道

14、的能量相同。在配体的存在下，由于配体中电子给予体的电子对与中心金属离子的各种d或f轨道电子之间的静电斥力不同而引起过渡元素5个能量相等的d轨道和镧系元素7个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。,当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d - d 跃迁和f - f 跃迁。 由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。,（三）、溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响 溶剂对紫外-可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。 例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收

15、带变向平滑。如对B带影响。 改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。 因为大多数发生*跃迁的分子，其激发态的极性总是比基态的极性大，因而激发态与极性溶剂发生作用所降低的能量大，使基态与激发态之间的能量差别变小，使跃迁能量降低，吸收波长红移。,对于n*跃迁,未成键的孤对电子在基态与极性溶剂形成氢键，降低了基态的能量，使跃迁能量增加，吸收波长蓝移。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n *max/nm 329 315 309 305 由于溶剂对紫外光谱有影响，因此，记录吸收光谱时应注明所用溶剂，在将未知物的吸收光谱与已知化合物吸收

16、光谱做比较时，要使用相同溶剂。,（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 （2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。 （3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。,选择溶剂时注意下列几点：,（四）、紫外分光光度法定量原理,1、朗伯-比耳定律,朗伯-比耳定律数学表达式,Alg(1/T)=lg（I0/It)= b c (c：mol/L) 或: Alg（I0/It)= a b c (c:g/L) a与的关系为： a =/M （M为摩尔质量）,2、偏离Lambert-Beer定律的原因,（1）非单色光引起的偏离 Lambert-Bee

17、r定律基本假设条件是入射光为单色光，目前仪器所提供的实际上是有一定波长的复合光（1，2对应I01, I02光强度）： 如果1=2=，则A=bc，否则，不成直线关系，1与2差别越大，A与 c间线性关系的偏差越大。 （2）化学因素引起的偏离 Lambert-Beer定律基本假设还要求吸光粒子是独立的，相互无作用。在高浓度时，平均距离减小，邻近粒子相互影响电荷分布，这种相互作用可使它们的吸光能力发生改变， A与 c间的关系就偏离线性关系。所以Lambert-Beer定律仅适用于稀溶液。,另外，因溶液条件变化形成新化合物或使吸光物质的浓度发生改变如缔合、离解、互变异构等原因而引起偏离。 Cr2O2-7

18、+H2O=2H+2CrO2-4 橙色，max350nm 黄色max375nm 如果稀释溶液或增大pH值， Cr2O2-7就转变成CrO2-4，此时吸光质点发生变化，引起偏离。应控制在高酸度测定。 （3）介质的不均匀引起的偏离 Lambert-Beer定律要求吸光物质的溶液是均匀的。当被测液是胶体溶液、乳浊液或悬浮物质时，入射光通过溶液后，除了一部分被试液吸收外，还有一部分因散射现象而损失，使实测A增大导致偏离。,3、吸光度测量条件的选择,（1）入射光波长的选择 一般选吸收曲线的max,此处灵敏度最高，A随波长变化不大，偏离Lambert-Beer定律的程度减小，有较高的准确度。 如果共存组分有

19、强烈吸收，或待测组分的最大波长不在仪器的可测定波长范围内，可选用别的波长。 （2）参比溶液的选择 装在比色皿内的溶液在进行A测定时，除待测组分吸收外，还存在皿壁的吸收和反射、溶液的散射，这些都会引起入射光的减弱，因此，须用参比溶液进行校正，分别可采用溶剂空白、试剂空白等作为参比溶液。 （3）吸光度测量范围的控制 一般控制在A=0.150.7的范围内，测量误差最小。 测量的A过低或过高，误差都很大，可通过改变吸收池厚度或待测液浓度，使A落在适当范围，或者采用示差法测定。,第二节 紫外-可见分光光度计 一般由光源、单色器、吸收池、检测器、放大器、记录及数据处理等主要部件组成,一、常见仪器,1、可见

20、分光光度计,2、 紫外-可见 分光光度计,二、仪器构成,1、光源 可见光区：钨丝灯，3202500nm 紫外光区：氘灯，150400nm 2、单色器 由入射狭缝、准直装置（透镜或反射镜）、色散元件（棱镜或光栅）、聚焦装置和出射狭缝组成，把复合光分解成单一波长的单色光。 3、吸收池 可见光区：玻璃，紫外光区：石英 测定时所使用的一组吸收池要质地、厚度尽量一致，以避免和减少吸收池本身造成的误差。 4、检测器 有光电池、光电管、光电倍增管、光导摄像管等。,三、分光光度计的类型,1.单光束： 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般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。

21、2.双光束： 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素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长： 将不同波长的两束单色光(1、2) 快速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。,第三节 紫外吸收光谱的应用,1、定性分析、结构分析、纯度检查 定性分析： a.用经验规则计算max,然后与实测值比较； b.比较吸收光谱:若两者的谱图相同，则可认为二者含有相同的生色团，但有时不一定是同一化合物。具有相同生色团的不同结构的化合物，有时会产生相同的紫外吸收光谱，但它们的吸光系数是有差别的，所以比

22、较max的同时，还要比较它们的max,如果都相同，则可考虑是同一物质。无标准物时可借助标准图谱比较。 纯度检查：如某化合物在紫外某区域没有吸收峰，而杂质有较强吸收，就可方便地检出其中痕量杂质。 若主成分有吸收，杂质无吸收，则可在主成分max处测量吸收系数，并与理论值比较来检查纯度。,结构分析（紫外光谱解析） 了解共轭程度、空间效应、氢键等，可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。 紫外-可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是： 若在200750nm波长范围内无吸收峰 则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物、羧酸、氯（氟）代烃或仅含一个双键的烯烃等，没有醛、酮。,若在2703

23、50nm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的，具有n电子的生色团，如羰基等。 若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰且有一定的精细结构，则可能含苯环。, 若在210250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键； 若在260300nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。, 若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。,2、多组分分析,在多组分体系中，如果各种吸光物质之间没有相互作用，这时体系的总吸光度等于各组分吸光度之和，即A具有加和性： A总=A1+A2+An=1bc1+2bc2+nbcn (1) 吸收峰互不干扰：在各组分max处测定，与单组分测定没有区别。 （2）吸收曲线相互重叠：分别在两个选定波长下测定混合溶液的总吸光度，由吸光度的加和性得二元一次方程 A1=x1bcx+y1bcy 在1处 A1=x2bcx+y2bcy 在2处 对含有三组分以上的体系，需要在多个波长下测定A，