第三章 紫外-可见分光光度法（Ultraviolet and Visible.ppt
第三章 紫外-可见分光光度法(Ultraviolet and Visible Spectrophotometry,UV-Vis)3.1 紫外-可见吸收光谱3.2 吸收光谱的测量-Lambert-Beer 定律3.3 紫外-可见光度计仪器组成3.4 分析条件选择3.5 UV-Vis分光光度法的应用 UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在200800nm.UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定 许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。,3.1 紫外-可见吸收光谱,利用物质的分子或离子对某一波长范围的吸收作用，对物质进行定性、定量分析及结构分析，所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法。,-胡罗卜素,3.1.1 分子吸收光谱的形成,（1）为什么分子光谱是带状光谱（2）为什么紫外-可见光谱的吸收波长在200-800nm（3）为什么紫外-可见光谱可用于定性和定量分析,电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大12个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。,分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：,（1）分子吸收光谱的形成,（2）紫外-可见光谱的波长范围：200-800 nm.,（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（50-100um)。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(800-5000nm)，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(200-400nm)可见光区(400-800nm)，紫外可见光谱(或分子的电子光谱),紫外-可见吸收光谱的吸收曲线,（3）紫外-可见光谱用于定性和定量分析,紫外-可见吸收光谱的吸收曲线特点,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max 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 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异。,紫外-可见光谱用于定性分析,不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。,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。,紫外-可见光谱用于定量分析,有机分子能级跃迁1.可能的跃迁类型 有机分子包括:成键轨道、；反键轨道*、*非键轨道 n 例如 H2O分子的轨道：,有机化合物的紫外-可见光谱,各轨道能级高低顺序：n*（分子轨道理论计算结果）；可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*,饱和有机化合物（1）-*：C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6(135nm)，处于真空紫外区；（2）n-*：含有孤对电子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl(173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm)CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可见，大多数波长仍小于 200nm，处于近紫外区。,不饱和脂肪族化合物（1）-*跃迁（K 吸收带）含有C=C，CC，CN 键的分子 孤立时波长在 200 nm 左右，随共轭体系的延长红移，强度增强。（2）n-*跃迁（R 吸收带）含有-OH，-NH2，-X，-S等基团。跃迁产生的吸收谱多位于近紫外区。只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。,芳香族化合物,B 吸收带：254 nmE 吸收带：180 nm，220 nm,无机化合物的紫外-可见光谱 一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括 p-d 跃迁或称电荷转移跃迁以及 d-d,f-f 跃迁或称配场跃迁。1.电荷转移跃迁(Charge transfer transition)一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。max 较大(104以上)，可用于定量分析。,2.配场跃迁(Ligand field transition)过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道(Degeneration orbit)，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂。如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。吸收系数 max 较小(102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。,紫外-可见光谱中一些常用术语,吸收光谱：又称吸收曲线，以波长为横坐标，吸光度或透射比为纵坐标所绘制的曲线。吸收峰：吸收曲线上吸收最大的地方。（最大吸收波长）谷：峰与峰之间最低的部位。（最小吸收波长）肩峰：在一个峰旁边产生的曲折。末端吸收：谱图短波端呈现强吸收但不成峰形的部分。,生色团（Chromogenesis group）：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。这类含有键的不饱和基团称为生色团。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CN等。助色团（Auxochromous group）：有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH2、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(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，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。常见助色团助色顺序为：-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-,红移或蓝移：有机化合物的吸收谱带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)。增色效应或减色效应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。,1）温度：降低，峰尖锐，强度增加；升高，峰展宽，精细结构消失。2）共轭体系的存在-红移 如CH2=CH2的-*跃迁，max=165200nm；而1,3-丁二烯，max=217nm3）异构现象：使异构物光谱出现差异。如CH3CHO含水化合物有两种可能的结构：CH3CHO-H2O及CH3CH(OH)2;已烷中，max=290nm，表明有醛基存在，结构为前者；而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。4）空间异构效应-红移 如CH3I(258nm),CH2I2(289nm),CHI3(349nm),影响紫外可见吸收光谱的因素,5）取代基：红移或蓝移。取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移；取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。,6）pH 值：红移或蓝移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和 287nm（p-共轭）.7）溶剂效应：红移或蓝移 由n-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成 H 键的能力增加，发生蓝移；由-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。,芳香烃及其杂环化合物,引入取代基导致：B带简化吸收红移。,立体结构和互变结构对吸收光谱的影响,顺式：max=280nm；max=10500反式：max=295.5 nm；max=29000,酮式：max=204 nm max=110烯醇式：max=243 nm max=18000,顺反异构：反式异构体空间位阻小，共轭程度高，max和max大于顺式结构（见书表2.10、2.11）,互变异构：通常共轭体系的max和max大于非共轭体系,空间位阻对吸收光谱的影响,溶剂对吸收光谱的影响,n*跃迁：兰移；*跃迁：红移；,3.2 吸收光谱的测量-Lambert-Beer 定律,当强度为I0的入射光束(Incident beam)通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失，那么，I0=Ie+Is+Ir 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！,I0=Ia+It,透过光的强度It与入射光的强度I0之比称为透射比或透光度，用T表示：T=It/I0 吸光度A与透光率T：A=log（I0/I）A=log（1/T）透射比愈大或吸光度愈小，其介质对光的吸收愈小；否则反之,Lambert-Beer 定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即 当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以 表示，即 比 a 更常用。越大，表示方法的灵敏度越高。与波长有关，因此，常以表示。,定量分析的基础,偏离Lambert-Beer 定律,影响定量的准确度！,1）待测物高浓度-吸收质点间隔变小质点间相互作用对特定辐射的吸收能力发生变化-变化；,1.样品性质影响,2）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；,3）被测溶液不均匀导致的偏离,朗伯比尔定律要求吸光物质的溶液是均匀的 使 I0=Ia+It 如果被测溶液不均匀，是胶体溶液、乳浊液或悬浮液时 I0=Ia+Ir+It（散射）测得的吸光度比实际的吸光度增加，标淮曲线偏离直线向吸光度轴弯曲。,4）由于溶液自身的化学反应导致的偏离,原因：溶液对光的吸收程度决定于吸光物质自身的性质和数目，溶液中的吸光物质的化学变化导致偏离朗伯比尔定律。化学作用：解离：改变酸度，导致有机酸碱分布系数的改变。络合：多级络合导致产生不同络合比的络合物，或络合物分解。缔合：Cr2O72-+H2O=2HCrO4-=2CrO42-+2H+（橙色）（黄色）,2.仪器因素 仪器因素包括光源稳定性以及入射光的单色性等。a）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。假设入射光由测量波长x和干扰i波长组成，据Beer定律，溶液对在x和i 的光的吸光度分别为：,综合前两式，得 当x=i时，或者说当x=i时，有A=xbc,符合L-B定律；当xi时，或者说当xi时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大，则偏离L-B越大；当xi，测得的吸光度比在“单色光”x处测得的低，产生负偏离；反之，当 xi，则产生正偏离。,b）谱带宽度与狭缝宽度：“单色光”仅是理想情况，经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带(即谱带宽度)。单色光的“纯度”与狭缝宽度有关，狭缝越窄，它所包含的波长范围越小，单色性越好。,仪器因素的影响即可以产生正偏离也可以产生负偏离仪器因素的影响随样品浓度的增大显著加大。,消除方法：提高仪器的单色性选择被测物的MAX平坦处作为测量波长减小谱带宽度与狭缝宽度,
