第四章 紫外-可见吸收光谱法.ppt

1、第四章 紫外-可见吸收光谱法,4.1 概述,紫外可见分光光度法是利用某些分子吸收190 750 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。 这种分子吸收光谱产生于分子价电子在电子能级间的跃迁。,250 300 350 400nm,1,2,3,4,e,可用于结构鉴定和定量分析。 电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。,4.2 紫外-可见吸收光谱的产生,M + 热,M + 荧光或磷光,M + h M *,基态 激发态 E1 （E） E2,E = E2 - E1 = h 量子化 ；选择性吸收,3,吸收曲线的讨论：,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m

2、ax 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则不同。,吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。,4,不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。 在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,5,4.3 电子跃迁与分子吸收光谱,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

3、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: EEe+Ev+Er evr,6,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。,7,讨论：,（1） 转动能级间的能量差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） 振动能级的能量差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

4、紫外可见光区，紫外可见光谱或分子的电子光谱；,8,讨论：,（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，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。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数max也作为定性的依据。不同物质的max有时可能相同，但max不一定相同； （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。,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 ,C,O,H,n,p,s,H,（一）跃迁类型,1、*跃迁 所

5、需的能量最大，所吸收的辐射的波长最短，处于小于200nm的真空紫外区。 甲烷的为125nm，乙烷为135nm。在此波长区域中，O2和H2O有吸收，所以一般的紫外可见分光光度还难以在远紫外区工作。由于仅能产生*跃迁的物质在200nm以上波长区没有吸收，可以用作紫外可见分光光度法分析的溶剂。,2、n*跃迁 含有杂原子（如N 、O 、S 、P和卤素原子）的饱和有机化合物，含有n电子。 n*跃迁所要的能量比*跃迁小，吸收的波长会长一些，可在200 nm附近，但大多数仍在小于200nm 区域内，一般电负性越大，n 电子被束缚得越紧，跃迁所需的能量越大，吸收的波长越短。 n*跃迁所引起的吸收，摩尔吸光系数

6、一般不大，通常为100300 L mol -1 cm-1 。,12,3、*跃迁 含有电子基团的不饱和有机化合物，会发生*跃迁，需要的能量低于*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200 nm左右。 摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。,14,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，max一般在104Lmol1cm1以上，属于强吸收。 （1） 不饱和烃*跃迁 乙烯*跃迁的max为162nm，max为: 1104 Lmol-1cm1。 K带共轭非封闭体系的p p* 跃迁,C=C 发色基团， 但 *200nm。,max=162nm 助色基团取代 （K带)发生红移。,15,基-

7、是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值； 无环、非稠环二烯母体： max=217 nm,（2）共轭烯烃中的 *,16,异环（稠环）二烯母体： max=214 nm 同环（非稠环或稠环）二烯母体： max=253 nm niI : 由双键上取代基种类和个数决定的校正项,(1)每增加一个共轭双键 +30 (2)环外双键 +5 (3)双键上取代基：,酰基（-OCOR） 0 卤素（-Cl，-Br） +5 烷基（-R） +5 烷氧基（-OR） +6,17,（4）芳香烃及其杂环化合物,苯： E1带180184nm； =47000 E2带200204 nm =7000 苯环上三个共扼双键的 *跃迁特征吸收带

8、； B带230-270 nm =200 *与苯环振动引起； 含取代基时， B带简化，红移。,18,乙酰苯紫外光谱图,羰基双键与苯环共扼： K带强；苯的E2带与K带合并，红移； 取代基使B带简化； 氧上的孤对电子： R带，跃迁禁阻，弱；,19,苯环上助色基团对吸收带的影响,4、n*跃迁 含有不饱和杂原子基团的有机物分子，基团中既有电子，也有n电子。n*跃迁所需的能量最低，吸收辐射的波长最长，一般都在近紫外光区，甚至在可见光区, 一般200 nm 。 谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。,5、电荷迁移跃迁 用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁。实质

9、是一个内氧化还原的过程，而相应的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化: max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)。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，如图所示。,（二）影响紫外-可见吸收光谱的因素,1. 共轭效应的影响,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，吸收强度也随之增强。共轭双键愈多，红移愈显著，甚至产生颜色。,空间阻碍使共轭破坏, *跃迁的吸收带将向短波方向移动，吸收强度也随之减小。,2. 取代基影

10、响,给电子基为含有未公用电子对原子的基团,可降低体系的能量,吸收波长红移,吸电子基原子的基团同样可以增加电子的流动性,可降低体系的能量,吸收波长红移,给电子基与吸电子基同时存在,可降低体系的能量,吸收波长红移,（1）n*跃迁所产生的吸收峰随溶剂极性的增加而向短波长方向移动。因为具有孤对电子对的分子能与极性溶剂发生氢键缔合，其作用强度以极性较强的基态大于极性较弱的激发态，致使基态能级的能量下降较大，而激发态能级的能量下降较小（如图2.28a），故两个能级间的能量差值增加。实现n*跃迁需要的能量也相应增加，故使吸收峰向短波长方向位移。,3. 溶剂的影响,（2）*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加

11、而向长波长方向移动。因为在多数*跃迁中，激发态的极性要强于基态，极性大的*轨道与溶剂作用强，能量下降较大，而轨道极性小，与极性溶剂作用较弱，故能量降低较小，致使及*间能量差值变小（如图2.28b）。因此，*跃迁在极性溶剂中的跃迁能Ep小于在非极性溶剂中的跃迁能En。所以在极性溶剂中，*跃迁产生的吸收峰向长波长方向移动。,3. 溶剂的影响,n *跃迁：兰移； ；, *跃迁：红移； ；,4. 配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和 f - f 电子跃迁 在配体的作用下过渡金属离子的d 轨道和镧系、锕系的f 轨道裂分，吸收辐射后，产生d一d、 f 一f 跃迁； 必须在配体的配位场作用下才可能产生也称配位

12、场跃迁； 摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。,4.3 紫外-可见分光光度计,光源,单色器,样品室,检测器,显示,一. 主要组成及部件的功能,1. 工作原理基仪器结构框图,31,一. 主要组成及部件的功能,1. 工作原理基仪器结构框图,光源,碘钨灯,氘灯,单色器,测量池,参比池,样品池,光电倍增管,数据处理和仪器控制,32,二. 光源（辐射源）,1. 光源的要求：,发射强度足够且稳定的连续光谱; 光辐射强度随波长的变化小; 有足够的使用寿命,钨灯（钨的熔点为3680K）； 波长范围：3202500nm； 工作温度：3000K； Ihv V34,2. 白炽光源,常用类型：白炽光源与气体放电光源

13、,卤钨灯：在钨灯中加入卤化物提高白炽灯的使用寿命,3. 气体放电光源,氢弧灯（氢灯）：波长范围：165350nm； 氢气压力：0.25mmHg。,氘灯：内充气为氘辐射强度比起氢灯达35倍。,2.单色器,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。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,34,3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。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

14、，可见区一般用玻璃池。,35,4.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。,光源,碘钨灯,氘灯,单色器,测量池,CCD检测器,数据处理和仪器控制,CCD 光二极管阵列检测器,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,二、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。,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。,38,1. 单光束分光光度

15、计,优点：结构简单、价格低廉,缺点：受光源、检测器的波动影响：不能自动记录吸收光谱。,问题：请扼要叙述在非扫描型（单光束）的紫外-可见分光光度计上，人工绘制吸光物质的UV-VIS吸收光谱过程中需要注意的事项。,波长增量的选择；改变波长都要用参比溶液调节T=100%；固定光谱通带与仪器参数；选择合适的溶液浓度与参比。,39,2. 双光束分光光度计,优点：能自动记录吸收光谱（自动扫描）；比切光器的频率慢的光源、检测器的波动不影响；是目前用得最多的分光光度计,优点：可以测定较高浓度的样品溶液； 可以扣除背景吸收（样品池、浑浊等）； 比切光器的频率慢的光源、检测器的波动不影响； 导数吸收光谱曲线（=1

16、2nm)。,3. 双波长分光光度计,光路图,4.4 紫外-可见吸收光谱的应用,1. 定性分析 max：化合物特性参数，可作为定性依据； 有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性； 计算吸收峰波长，确定共扼体系等 甲苯与乙苯：谱图基本相同； 结构确定的辅助工具； max ， max都相同，可能是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图,*如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。 *如果在210250nm有强吸收，表示有K吸收带，

17、则可能含有两个双键的共轭体系，如共轭二烯或，-不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度K吸收带，在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。 *如果在260300nm有中强吸收（2001 000），则表示有B带吸收，体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则可以大于10 000。 *如果在250300nm有弱吸收带（R吸收带），则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团，如羰基等。,鉴定的方法有两种：,（1）与标准物、标准谱图对照：将样品和标准物以同一溶剂配制相同浓度溶液，并在同一条件下测定，比较光谱是否一致。 （2）吸收波长和摩尔吸收系数：由于不同的化合物，如果具有相同的发色基团，也可能具有相同的紫外吸收波长，但是它们的摩尔吸收系数是有差别的。如果样品和标准物的吸收波长相同，摩尔吸收系数也相同，可以认为样品和标准物是同一物质。,2. 定量分析,(1) 朗伯-比耳定律 吸光度： A= b c 透光度：-l