《紫外可见分光》PPT课件.ppt

第十章 紫外-可见分光光度法ultraviolet and visible spectrophotometry,第十章 紫外-可见分光光度法,第一节 基本原理和概念第二节 紫外-可见分光光度计第三节 紫外-可见分光光度分析方法,第一节基本原理和概念一、电子跃迁类型,按分子轨道理论,有机化合物分子中价电子包括形成单键的电子、双键的电子和非成键的n电子。如甲醛：H H:C O:=电子=电子=n电子 分子中外层价电子跃迁产生的分子吸收光谱称为紫外可见吸收光谱。,n n,有机化合物分子的电子跃迁,跃迁:处于成键轨道上的电子吸收光能后跃迁到反键轨道。特点：吸收峰小于150nm在200400nm范围内没吸收 饱和烃具有该特点，故在进行紫外分析时，通常用饱和烃做溶剂。,跃迁：处于成键轨道上的电子跃迁到反键轨道。特点：所需能量小于跃迁所需能量，孤立的 跃迁一般发生在200nm左右；104，为强吸收；共轭体系越长跃迁所需能量越小。,例：CH2=CH2,max=165nm,=104 Lmol-1cm1；CH2=CH-CH=CH2,max=217nm,=21000 Lmol-1cm1 含有电子的基团，如 CC,-CC-和 CO会发生跃迁。,n跃迁:含有杂原子不饱和基团，如C=O、C=S、-N=N-等化合物，其非键轨道中孤对电子吸收能量后，向反键轨道跃迁。在跃迁选律上属于禁阻跃迁。特点：吸收峰在近紫外区，一般在200400nm；102，为弱吸收。例：丙酮（溶剂环己烷)max=275nm,=22 Lmol1 cm1。,n跃迁:含有-OH、-NH2、-X、-S等，即含非键电子的饱和烃衍生物，其杂原子中孤对电子吸收能量后向反键轨道跃迁。特点：吸收波长在150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。如：一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n*跃迁的max分别为173nm、183nm和227nm。,n跃迁需要的能量主要与含有未成键的杂原子的电负性和非成键轨道是否重叠有关。例：对于(CH3)2S和(CH3)2O分子，S上的电子较O上的电子结合的松，因此(CH3)2S的n跃迁的吸收带的最大波长比(CH3)2O的最大波长长。同理：在CH3Cl、CH3Br、CH3I中其max分别为 173nm,204nm,258nm 水、醇和醚等在紫外-可见吸收光谱分析中可以作为溶剂。,电荷迁移跃迁 电荷转移跃迁是指给予体的电子向接受体的一个电子轨道跃迁。,给予体,接受体,+,通常配合物的中心离子是电子接受体，配位体是电子给予体。若中心离子的氧化能力（或配位体的还原能力）越强，或中心离子的还原能力（或配位体的氧化能力）越强，产生电荷转移跃迁需要的能量就越小，吸收波长红移。电荷吸收带的特点是吸收强度大，max104 Lmol1 cm1，利用它进行定量分析，有利于灵敏度的提高。,配位场跃迁 配位场吸收带包括d-d 和f-f 跃迁产生的吸收带，这两种跃迁必须在配位体的配位场作用下才有可能发生。配位体场吸收带主要用于配合物结构的研究。d-d 电子跃迁吸收带是由于d 电子层未填满的第一、二过渡金属离子的d 电子，在配位体场影响下分裂出的不同能量的d 轨道之间的跃迁而产生的。这种吸收带在可见光区，强度较弱，max约为0.1100 Lmol1 cm 1,f-f 电子跃迁吸收带在紫外-可见光区，它是由镧系和锕系元素的4f 和5f 电子跃迁产生的。因f 轨道被已填满的外层轨道屏蔽，不易受溶剂和配位体的影响，所以吸收带较窄。,第一节基本原理和概念二、紫外-可见吸收光谱的常用概念,吸收光谱吸收峰和最大吸收波长谷和最小吸收波长肩峰和末端吸收红移和蓝移增色效应和减色效应强带和弱带,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)。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。,生色团和助色团 生色团是有机化合物分子结构中含有和n跃迁的基团。即能在紫外-可见光区范围内产生吸收的原子团。如:乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基-NN-、乙炔基、腈基-CN等。,助色团 有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH、-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。,三、吸收带与分子结构的关系,1.R带 由n跃迁引起的吸收带，是杂原子的不饱和基团发色团的特征。如：C=O、-NO、-NO2、-NN-等基团。R带的特点：处于较长波长范围(300nm)；弱吸收，其摩尔吸光系数一般在100以内；溶剂极性增加，R带发生短移；当有强吸收在其附近时，R带有时出现长移，有时被掩蔽。,2.K带 相当于共轭双键跃迁所产生的吸收峰。K带的特点：其摩尔吸光系数一般大于104，为强带。K带的波长及强度与共轭体系中的双键数目、位置及取代基的种类有关。化合物的共轭双键越多，红移越显著，甚至会产生颜色。例：丁二烯CH2=CH-CH=CH2,max=217nm,=21000,3.B带 是芳香族化合物的特征吸收带，它是由跃迁与苯环的振动重叠引起的，常用来鉴别芳香族化合物。B带特点：230270nm，弱吸收带；在蒸气或非极性溶液中，会出现精细结构，在极性溶液中精细结构消失。,E带 是芳香族化合物的特征吸收带，它是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的跃迁产生的，分为E1带、E2带，E1带的吸收峰约在180nm，为4.7104,E2带的吸收峰约在200nm，为7000,都属于强吸收。线性多环芳香族化合物，缩合环越多max红移越显著。,萘,max为314nm,蒽,max为380nm,丁省,max为480nm,黄色，,戊省,max为580nm,蓝色。,无色,电荷转移吸收带配位体场吸收带,见教材187页,四、影响吸收带的因素,1.位阻影响 化合物中如有两个发色团产生共轭效应，可使吸收带长移。例：max为280nm(10500)max为295.5nm(29000)顺式二苯乙烯 反式二苯乙烯,CC,H H,CC,H,H,跨环效应 在有些、不饱和酮中，虽然双键与酮基不产生共轭体系，但由于适当的立体排列，使羰基氧的孤对电子和双键的电子发生作用，以致使相当于n跃迁的R吸收带向长波移动，同时其吸收强度增强。例：H2C O,在214nm处有一中等强度的吸收带，同时在284nm处出现一R带。,无溶剂效应,溶剂效应,溶剂极性对n 和跃迁能量的影响,n,n,溶剂效应,溶剂的极性对吸收峰位置的影响,溶剂效应,极性溶剂使n跃迁吸收峰向短波方向移动。极性溶剂使跃迁吸收峰向长波方向移动。,溶剂的极性对吸收峰位置的影响,溶剂效应对异丙叉丙酮的max影响,溶剂效应,溶剂的极性对吸收光谱形状的影响,溶剂极性的变化会使化合物的紫外吸收谱形状改变。当物质溶解在溶剂中时，溶剂分子将该溶质分子包围，即溶剂化，从而限制了溶质分子的自由转动，使转动光谱消失。溶剂的极性大，使溶质分子的振动受到限制，由振动引起的精细结构也不出现。当物质溶解在非极性溶剂中时，其光谱与该物质的气态的光谱相似，可以观测到孤立分子产生的转动-振动的精细结构。,321,对称四嗪的吸收光谱图,蒸气状态 环己烷中 水中,N NN N,HC,CH,A,体系pH的影响 体系的pH值对紫外吸收光谱的影响是比较普遍的无论是对酸性、碱性或中性样品都有明显的影响。max为210.5270nm max为235.5287nm,OH,O-,OH-,H+,习题：某化合物max（正己烷）=329nm,max(水）=304nm,该吸收跃迁类型为（）A.n B.n C.D.2.丙酮在乙烷中的紫外吸收max=279nm，max=14.8，此吸收峰由哪种能级跃迁引起的（）A.n B.C.n D.,3.下列化合物中,同时有n,跃迁的化合物是（）。A.一氯甲烷 B.丙酮 C.1,3-丁二烯 D.甲醇 下列四种化合物中，在紫外区出现两个吸收带的是（）A.乙烯 B.1,4-戊二烯 C.1,3-丁二烯 D.丙烯醛,本节重点：1.电子跃迁类型：n、2.有关概念:生色团、助色团、红移和蓝移3.影响吸收带的因素,第一节、基本原理和概念五、朗伯-比尔定律,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Al,1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A C,二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为：,A-lgT lg（I0/It)=ElC T=I t/I0 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；T:透光率；描述入射光透过溶液的程度；l：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；C：溶液的浓度；E：吸光系数；,讨论：朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；朗伯-比尔定律仅适于入射光是平行的单色光；吸光系数 摩尔吸光系数 mol1 L cm1 百分吸光系数 Lg-1cm-1）二者关系：,摩尔吸光系数在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；百分吸光系数(Lg-1cm-1）相当于浓度为1 g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,讨论：4.与浓度c和光程长度l 无关。5.在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关；是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。可作为定性鉴定的参数,6.与波长有关。最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。7.max愈大，表明该物质的吸光能力愈强，测定的灵敏度愈高。（定量分析的依据）,讨论：吸光度的加和性：A=A1+A2+A3+A吸收曲线：A(T)绘制曲线10.AC为线性（过浓不为线性关系）,六、偏离比尔定律的原因,六、偏离比尔定律的原因,光学因素难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,非单色光作为入射光引起的偏离 假设由波长为1和2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：,因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故:,总,总,总,令：1-2；设：o1 o2,总,讨论:,总,=0；即：1=2=,则：,0 若 0；即21；,lg（10lc）值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。,总,则：-lc0,很小时，即12：则可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使很小，A总 1,且随着c值增大,A总 与A 1的差异愈大，在图上则表现为A-c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯比耳定律只适用于稀溶液。为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。,化学因素 朗伯比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用。该假定只有在稀溶液(c102 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。,例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：溶液中、的颜色不同，吸光性质也不相同。故：此时溶液pH对测定有重要影响。,透光测量误差,微分后整理可得浓度的相对误差为：,问题：朗伯比耳定律的物理意义是什么？摩尔吸光系数与什么有关？在进行紫外分光光度法测定时，吸光度值在什么范围测定误差较小?溶剂对紫外吸收曲线有何影响？紫外分光光度计由几部分组成？在下列化合物中，哪些适宜作为紫外光谱测定中的溶剂？甲醇、乙醚、乙醇、碘乙烷、苯、正丁醚、水、二溴甲烷、环己烷,第二节 紫外-可见分光光度计,1.光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,一、基本组成,2.单色器,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。,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意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；,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，可见区一般用玻璃池。,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。,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,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。,二、分光光度计的类型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。,二、分光光度计的类型3.双波长：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。,第三节 紫外-可见分光光度分析方法一、定性分析,对比吸收光谱特征数据 通过对未知纯试样的紫外吸收光谱图与标准纯试样的紫外吸收光谱图，或与标准紫外吸收光谱图比较进行定性。当溶剂和试样浓度相同时，若两紫外吸收光谱图max 和max相同，表明它们是同一化合物。具有不同或相同吸收基团的不同化合物，可能有相同的max 值，此时，还应该比较其max。例：见教科书199页,对比吸光度（或吸光吸数）的比值 不只一个吸收峰的化合物可用不同吸收峰处(或谷)测得吸光度的比值作为鉴别的依据。例:维生素B12的鉴别。中国药典规定在361nm与278nm处吸光度的比值应为1.701.88；361nm与550nm吸光度的比值为3.15 3.45。,对比吸收光谱的一致性 醋酸泼尼松 醋酸氢化可的松 醋酸可的松 max240nm,max1.57104,杂质检查:如果化合物在紫外-可见区没有明显吸收，而所含杂质有 较强的吸收，则少量杂质就可用光谱检查出来。若化合物有较强的吸收峰，而所含杂质在此波长处无吸 收或吸收很弱，杂质的存在将使化合物的吸收系数降低若杂质在此吸收峰处有比化合物更强的吸收，则将使吸 光吸数增大，有吸收的杂质也将使化合物的吸收光谱变 形。杂质的限量检测:见P200,第三节 紫外-可见分光光度分析方法二、定性分析,吸光系数法 根据朗伯比耳定律:A=l C 若已知，则可根据测得的A求出被测物的浓度。,第三节 紫外-可见分光光度分析方法三、单组分的定量分析,标准曲线法,AX,CX,C,A,0,A=l C,对照法 同种物质、同台仪器及同一波长测定：,则：,例：见202页,截止波长：紫外吸收光谱溶剂允许使用的最短波长。当紫外光波长大于截止波长时，该溶剂无吸收，不引起干扰；反之会产生干扰。在测定时应尽可能采用非极性溶剂；在可见光测量范围内，可使用无色溶剂；在300400nm的紫外光区测量，溶剂要小于250nm；在小于300nm测量时，可选用己烷、环己烷或庚烷等饱和烃。在测定紫外-可见光吸收光谱时,应标明使用的溶剂。,普通分光光度法若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。,第三节 紫外-可见分光光度分析方法四、多组分的定量分析,若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。A1=a1l ca b1l cb A2=a2l ca b2l cb,双波长分光光度法 不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(1和2)；以参比波长1处的吸光度A1作为参比，来消除干扰。在分析浑浊或背景吸收较大的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。A 2 A 1（2 1)l c 两波长处测得的吸光度差值与待测组分浓度成正比。1和2分别表示待测组分在1和2处的摩尔吸光系数。,等吸收双波长法,选择波长组合1、2的基本要求是：干扰组分在选定的波长1和2处应具有相同吸光度，即：此时：测得的吸光度差只与待测组分x的浓度呈线性关系，而与干扰组分y无关。若x为干扰组分，则也可用同样的方法测定y组分。在选定的两个波长1和2处待测组分的吸光度应具有足够大的差值。可采用作图法选择符合上述两个条件的波长组合。,系数倍率法,几种吸收光谱的组合：,特点：干扰组分的吸收光谱找不出等吸收波长，故不能用等吸收波长法。,系数倍率法 假设某一组分在选定两个波长1和2处测得吸光度的比值为K，即A1/A2=K，如将该组分在其中一个波长处的吸收值乘以K，则该组分在两个波长处的A=0，即:A=K A2 A1=0 K 为掩蔽系数。若y为干扰组分，x为待测组分，选定1和2测定，且y在2处的吸光度值小于在1处的吸光度值，则可令：K AY2=AY1.则：A2=K（AX2+AY2)A1=AX1+AY1 A=A2 A1=K（AX2+AY2)-(AX1+AY1)=(K EX2-EX1)CX l 即：A=KCX l A 与待测组分CX成正比,导数分光光度法 导数分光光度法在多组分同时测定、浑浊样品分析、消除背景干扰、加强光谱的精细结构以及复杂光谱的辨析等方面，显示了很大的优越性。利用吸光度(或透光度)对波长的导数曲线来进行分析：0 e-lc 假定入射光强度0 在整个波长范围内保持恒定：dI 0/d0 则：dI/d0 lc e-lc d/d 0 lc d/d,dI/d 0 lc d/d 一阶导数信号与试样浓度呈线性 关系；测定灵敏度依赖于摩尔吸光系数对 波长的变化率d/d。吸收曲线的 拐点处d/d最大，故其灵敏度最 高(见图）。同理可以导出其二阶和三阶导数光 谱（略）,第三节 紫外-可见分光光度分析方法五、紫外吸收光谱法用于有机化合物分子结构研究,有机化合物的紫外吸收光谱 有机化合物的紫外吸收光谱主要决定于分子中生色团和助色团以及它们的共轭情况，不是整个分子的特征。所以单独用紫外光谱不能完全确定物质的分子结构，必须与红外、质谱和核磁共振等配合。通过研究化合物紫外吸收光谱，可以推定分子的骨架、判断生色团之间的共轭关系，并估计共轭体系中取代基的种类、位置和数目。,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、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。若在270350nm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n电子的生色团，如羰基。若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。,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。,有机化合物结构的研究从吸收光谱中初步推断官能团异构体的推断结构异构体互变异构体顺反异构体化合物骨架的推定见教材211页,第三节 紫外-可见分光光度分析方法六、光电比色法,什么是光电比色法显色反应及其条件1.对显色反应的要求被测物质与所生成的有色物质之间，必须有确定的定量 关系。反应产物必须有足够的稳定性，以保证测得的吸光度有 一定的重现性。溶剂的颜色应与反应产物的颜色有明显的差别。反应的摩尔吸光吸数足够大（103105）。显色反应需有较好的选择性，才能减免干扰。,2.反应的条件溶剂 酸碱度 时间 温度及其它3.反应条件的控制测定方法,习题双波长分光光度计的输出信号是：A.样品吸收与参比吸收之差 B.样品在1和2处吸收之差 C.样品在1的吸收与参比在2的吸收之差 D.样品吸收和参比吸收之和,某物质摩尔吸光系数()很大，则表明（）A.该物质对某波长的光吸收能力强 B.该物质浓度很大 C.光通过该物质溶液的光程长 D.测定该物质的精密度高,双波长与单波长分光光度计的主要区别是（）A.光源个数 B.单色器个数 C.吸收池个数 D.单色器及吸收池个数某试液用2.0cm的比色皿测量时T=60%,若用1.0cm、3.0cm和4.0cm的比色皿测定时，吸光度、透光率各是多少？,掌握内容：紫外-可见吸收光谱产生的原因及特征；电子跃迁类型；吸收带的类型、特点、影响因素及基本概念；Lambert-Beer定律的物理意义、成立条件、偏离因素及有关计算；紫外-可见分光光度法单组分定量的各种方法；多组分定量的线性方程组法和双波长法。,熟悉内容：紫外-可见分光光度计的基本部件、工作原理及光路类型；紫外-可见分光光度法对化合物进行定性鉴别和纯度检查的方法；多组分定量的其他方法。了解内容:紫外光谱与有机化合物分子结构的关系；光电比色法的原理及应用。,