【教学课件】第三章紫外可见吸收光谱.ppt

第三章 紫外可见吸收光谱,Ultraviolet and visible spectrophotometry UVVis,定义：紫外可见吸收光谱:利用物质的分子或离子对紫外和可见光的吸收所产生的紫外可见光谱及吸收程度对物质的组成、含量和结构进行分析、测定、推断的分析方法。应用：应用广泛不仅可进行定量分析，还可利用吸收峰的特性进行定性分析和简单的结构分析，还可测定一些平衡常数、配合物配位比等。可用于无机化合物和有机化合物的分析，对于常量、微量、多组分都可测定。特点：灵敏度高、准确度高、选择性好、操作方便、分析速度快、应用范围广。,3-1 概述,3-2 紫外可见吸收光谱法,一、紫外可见吸收光谱的基本原理（一）紫外可见吸收光谱 由紫外可见分光光度计获得 光源单色器吸收池检测器显示器 E电=h 光(200800 nm),激发态基态,吸收曲线,将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的待测溶液，测量每一波长下待测溶液对光的吸收程度（即吸光度），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，可得一曲线。这曲线描述了物质对不同波长的吸收能力，称吸收曲线或吸收光谱。,L,不同波长的光,图3-1紫外可见吸收光谱示意图,末端吸收,最强峰,肩峰,峰谷,次强峰,max min,A,max min,A,2.对于同一待测溶液，浓度愈大，吸光度也愈大；3.对于同一物质，不论浓度大小如何，最大吸收峰所对应的波长(最大吸收波长 max)不变.并且曲线的形状也完全相同。,分析吸收曲线可以看到：1.同一浓度的待测溶液对不同波长的光有不同的吸光度;,（二）紫外可见光谱的特征,1.吸收峰的形状及所在位置 定性、定结构的依据2.吸收峰的强度定量的依据 A=lgI0/I=CL：摩尔吸收系数 单位：L.cm-1.mol-1,A,单色光,I0,I,L,的物理意义及计算 在数值上等于1mol/L的吸光物质在1cm光程中的吸光度，=A/CL，与入射光波长、溶液的性质及温度有关（1）吸光物质在特定波长和溶剂中的一个特 征常数，定性的主要依据（2）值愈大，方法的灵敏度愈高,104 强吸收=103104 较强吸收=102103 中吸收 102 弱吸收,文献报道：紫外可见光谱的两个重要特征 max,例：maxEt=279 nm(5012 lg=3.7),二、紫外可见吸收光谱与分子结构的关系,(一)有机化合物的紫外可见吸收光谱1.电子跃迁类型紫外可见吸收光谱是由分子中价电子能级跃迁产生的这种吸收光谱取决于价电子的性质 1.电子类型 形成单键的电子 C-H、C-C 形成双键的电子 C=C、C=O 未成对的孤对电子n 电子 C=O：例：H C,O,H,：,分子轨道有、*、*、n 能量高低n*,主要有四种跃迁类型 跃迁所需能量为：*n*n*,分子中电子的能级和跃迁,（1）*跃迁成键电子跃迁到反键*轨道所产生的跃迁*跃迁所需能量很大，相当于远紫外的辐射能，200nm,饱和烃只能发生*跃迁 例：CH4 max=125nm C2H6 max=135nm 常用饱和烃类化合物作紫外可见吸收光谱分析的溶剂,(2)n*跃迁未共用电子对n电子跃迁到反键*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比*跃迁小，200nm左右（150250nm）吸收概率较小，在102103范围内，中吸收,含有未共用电子对的杂原子（N、O、S、X）的饱和化合物发生n*跃迁;含-NH2、-OH、-X例：CH3OH max=184nm CH3Br max=204nm,（3）*跃迁电子跃迁到反键*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量比*跃迁小，若无共轭，与n*跃迁差不多。200nm左右吸收强度大，在104105范围内，强吸收若有共轭体系，波长向长波方向移动，相当于200700 nm含不饱和键的化合物发生*跃迁 C=O,C=C,CC,(4)n*跃迁,n电子跃迁到反键*轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200400 nm左右吸收强度小，102，弱吸收含杂原子的双键不饱和有机化合物 C=S O=N-N=N-例：丙酮 max=280 nm n*跃迁比*跃迁所需能量小,吸收波长长,常用的是*跃迁和n*，这两种跃迁都需要分子中有不饱和基团提供轨道。n*跃迁与*跃迁的比较如下：*n*吸收峰波长 与组成双键的 有关 原子种类基本无关吸收强度 强吸收 104105 弱吸收 102 极性溶剂 向长波方向移动 向短波方向移动,2、常用术语 发色团含不饱和键基团，有键含有不饱和键，能吸收紫外可见光，产生 n*或*跃迁的基团称为发色团 助色团含杂原子的饱和基团一些本身在紫外和可见光区无吸收,但能使生色团吸收峰红移,吸收强度增大的基团称为助色团长移与短移 向长波方向移动叫红移 向短波方向移动叫蓝移 例：,max=254nm=230max=270nm=1250,吸收带吸收峰在吸收光谱上的波带位置,（1）R 吸收带：n*跃迁 特点：a 跃迁所需能量较小，吸收峰位于 200400nm b 吸收强度弱，102（2）K 吸收带：共轭双键中*跃迁 特点：a 跃迁所需能量较R带大，吸收峰位 于210280nm b 吸收强度强，104 随着共轭体系的增长，K 吸收带长移，210 700nm 增大。,例：max 1-己烯 177 104 1.5-己二烯 178 2104 1.3-己二烯 217 2.1 104 己三烯 258 4.3 104 K 吸收带是共轭分子的特征吸收带，可用于判断共轭结构应用最多的吸收带,B 吸收带和E吸收带 苯环带 B吸收带：有苯环必有B带 230-270 nm 之间有一系列吸收峰，中吸收，芳香族化合物的特征吸收峰 苯环上有取代基并与苯 环共轭，精细结构消失,A,nm,A,nm,max 长移,苯吸收曲线,max=254 nm,E 吸收带：*跃迁 E1=185nm 强吸收 104 E2=204 nm 较强吸收 103,图 苯在乙醇中的紫外吸收光谱,苯在185nm和204nm处有两个强吸收带，分别称为E1和E2吸收带，是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭体系的跃迁产生的，是芳香族化合物的特征吸收。在230270nm处有较弱的一系列吸收带，称为精细结构吸收带，亦称为B吸收带。B吸收带的精细结构常用来辨认芳香族化合物。,精细结构：,K-E合并带 245 13000 B 带 278 1110 R 带 319 50,苯环上有发色团且与苯环共轭时，E带与K带合并，向长波方向移动，形成KE合并带例：,E1 185 nm 50000E2 204 nm 7400B 254 nm 200,小结：R带 n*弱吸收 K带*强吸收 共轭 B带*中吸收 E带*强吸收,苯环,3.有机化合物的紫外可见光谱,饱和烃及其衍生物：饱和烃只有电子，产生*跃迁，所需能量高，不产生紫外可见吸收，在远紫外区 饱和烃衍生物，可产生n*跃迁，能量低于*跃迁 不饱和烃及其共轭烯烃 孤立双键的化合物 双键和含杂原子的双键化合物产生*、n*、n*共轭双键的化合物 使*所需能量降低，吸收峰长移，吸收强度增强。,羰基化合物 羰基化合物含有 C=O,可产生n*、n*、*跃迁。醛酮的n*吸收带在270300 nm 附近，强度低，1020,当醛酮的羰基与双键共轭时，形成了，不饱和醛酮，产生共轭，n*、*跃迁的波长长移羧酸羰基与双键共轭时，产生 n*、*跃迁的波长长移 共轭使*轨道能量降低。,芳香族化合物E带和B带是芳香族化合物的特征吸收带，*跃迁当苯环上有羟基、氨基等取代基时,吸收峰红移,吸收强度增大.像羟基、氨基等一些助色团，至少有一对非键n电子,这样才能与苯环上的电子相互作用,产生助色作用.取代基不同，变化程度不同，可由此鉴定各种取代基 例：max B带 max E2 苯 254 204 甲苯 262 208 苯酚 271 213 苯甲酸 272 230,（二）无机化合物的吸收光谱,1.dd配位场跃迁按晶体场理论，金属离子与水或其它配体生成配合物时，原来能量相同的d 轨道会分裂成几组能量不等的d 轨道，d轨道之间的能量差称为分裂能，配合物吸收辐射能，发生dd跃迁，吸收光的波长取决于分裂能的大小配位体的配位场越强，d 轨道的分裂能就越大，吸收峰波长就越短。,例：H2O的配位场强度NH3的配位场强度 Cu(H2O)42+吸收峰在794 nm 浅蓝色 Cu(NH3)42+吸收峰在663 nm 深蓝色 一些配位体配位场强度顺序 I-Br-Cl-F-OH-C2O42-=H2O SCN-吡啶=NH3 乙二胺联吡啶邻二氮菲 NO2-CN-dd跃迁跃迁概率较小,很小，一般只有0.1100 L.mol-1，定量分析价值不大,可用于配合物的结构研究,2.电荷迁移跃迁指配合物中配位体与金属离子之间，一个电子由一方的一个轨道跃迁到另一方相关的轨道上。产生电荷迁移跃迁的必要条件：一组分是电子给予体，另一组分是电子接收体。例:Fe3+(SCN-)2+h Fe2+（SCN)2+电荷迁移跃迁光谱的很大，一般在104以上，用这类谱带进行定量分析，可提高监测灵敏度。,电子接受体,电子给予体,（三）影响紫外可见吸收光谱的因素,1.共轭效应 共轭中间有一个单键隔开的双键或三键，形成大键。由于存在共轭双键，使吸收峰长移，吸收强度增加的这种效应两个生色团处于非共轭状态,各生色团独立的产生吸收,总吸收是各生色团吸收加和.max 1-己烯 177 104 1.5-己二烯 178 2104,max 1-己烯 177 104 1.3-己二烯 217 2.1 104 己三烯 258 4.3 104,共轭状态,吸收峰向长波方向移动,吸收强度增加。醛、酮和羧酸中碳氧双键同烯键之间的共轭作用会使*轨道能量降低,从而使*跃迁和n*跃迁的吸收峰都发生红移.共轭效应越大，向长波方向移动越多。,2.助色效应 n共轭 长移助色团与发色团相连时，助色团的n电子与发色团的电子共轭，使吸收峰长移，吸收强度增加的这种效应3.超共轭效应共轭 长移烷基上的电子与共轭体系中的电子共轭，使吸收峰长移，吸收强度增加的这种效应 例：,max=217 nm max=226 nm,超共轭效应比共轭效应的影响小的多,4.空间位阻 由于空间位阻，防碍两个发色团处在同一平面，使共轭程度降低。吸收峰短移，吸收强度降低的这种现象 例：,反式 大共轭体系 顺式max=294 nm max=280 nm=2.7104=1.4 104,5.溶剂效应（1）对最大吸收波长的影响 随着溶剂极性的增大*跃迁吸收峰向长波方向移动，即发生红移 n*跃迁吸收峰向短波方向移动，即发生蓝移例：异亚丙基丙酮 溶剂 正己烷 氯仿 水 极性越大*230 nm 238 nm 243 nm 长移 n*329 nm 315 nm 305 nm 短移,（2）对光谱精细结构和吸收强度的影响 当物质处于气态时，其振动光谱和转动光谱亦表现出来，因而具有非常清晰的精细结构。当它溶于非极性溶剂时，由于溶剂化作用，限制分子的自由转动，转动光谱就不表现出来随着溶剂极性的增大，分子振动也受到限制，精细结构就会逐渐消失，合并为一条宽而低的吸收带。P21 图32,苯酚的庚烷溶液-苯酚的乙醇溶液,A,nm,选择溶剂的原则,未知物与已知物必须采用相同溶剂尽可能使用非极性溶剂，以获得精细结构所选溶剂在测定波长范围内应无吸收或吸收很小常用溶剂有庚烷、正己烷、水、乙醇等。书中列出一些常用溶剂的适用波长范围。,33 紫外可见分光光度计一、仪器的基本部件 光源 单色器 吸收池 检测器 显示器,（一）光源光源的作用是提供辐射连续复合光可见光区 钨灯 320-2500nm 优点：发射强度大、使用寿命长紫外光区 氢灯或氘灯 180-375nm 氘灯的发射强度比氢灯大4倍 玻璃对这一波长有强吸收，必须用石英光窗。紫外可见分光光度计同时具有可见和紫外两种光源。,（二）单色器 单色器是从连续光谱中获得所需单色光的装置。常用的有棱镜和光栅两种单色器。棱镜单色器的缺点是色散率随波长变化，得到的光谱呈非均匀排列，而且传递光的效率较低。光栅单色器在整个光学光谱区具有良好的几乎相同的色散能力。因此，现代紫外可见分光光度计上多采用光栅单色器。,（三）吸收池 吸收池是用于盛放溶液并提供一定吸光厚度的器皿。它由玻璃或石英材料制成。玻璃吸收池只能用于可见光区。最常用的吸收池厚度为1cm。,（四）检测器 检测器的作用是检测光信号。常用的检测器有光电管和光电倍增管。1.光电管 光电管由一个半圆筒形阴极和一个金属丝阳极组成。当照射阴极上光敏材料时，阴极就发射电子。两端加压，形成光电流。蓝敏光电管为铯锑阴极。适用波长范围：220-625nm 红敏光电管为银和氧化铯阴极适用波长范围：600-1200nm。,2.光电倍增管光电倍增管是检测微弱光信号的光电元件。它由密封在真空管壳内的一个光阴极、多个倍增极（亦称打拿极）和一个阳极组成。通常两极间的电压为75-100V，九个倍增极的光电倍增管的总放大数为106-107 光电倍增管的暗电流是仪器噪音的主要来源（五）信号显示器 常用的显示器有检流计、微安计、电位计、数字电压表、记录仪、示波器及数据处理机等。,二、仪器的类型,（一）单光束分光光度计,只有一条光路，通过变换参比池和样品池的位置，使它们分别置于光路来进行测定,国产751型、752型、721型、722型、UV-1100型、英国SP-500型,单色器,同步旋转镜,（二）双光束分光光度计,（三）双波长分光光度计一个光源，两个单色器，一个吸收池,用两种不同波长的单色光束交替照射到样品溶液上，不需使用参比溶液，测得的是样品在两种波长下的吸光度之差,1为选好的测定波长，一般为待测物质的max2为选好的参比波长，一般为待测物质的min测得的是样品在两种波长1和2处的吸光度之差A，A为扣除了背景吸收的吸光度 A=A 1-A 2=（K 1-K 2）CL优点：（1）大大提高了测定准确度，可完全扣除背景（2）可用于微量组分的测定（3）可用于混浊液和多组分混合物的定量测定,3-4 紫外可见吸收光谱法的应用 不同的有机化合物具有不同的吸收光谱，可进行简单的定性分析，但吸收光谱较简单，只能用于鉴定共轭发色团，推断未知物骨架，可进行定量分析及测定配合物配位比和稳定常数一、定性分析：(一）比较吸收光谱法 根据化合物吸收光谱的形状、吸收峰的数目、强度、位置进行定性分析 待测样品 相同条件 样品谱 标准物质 标准谱,（二）计算max的经验规律,用经验规则计算不饱和有机化合物的max并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。常用的规则是Wood Ward（伍德瓦特）规则，可计算共轭多烯及，不饱和醛酮化合物。,1.共轭多烯的max计算 链状共轭二烯 单环共轭二烯 异环共轭二烯 同环共轭二烯,max,217nm217nm214nm253nm,骨架母体,增加值：延伸一个共轭双键+30nm 增加一个烷基或环基取代+5nm 增加一个环外双键+5nm助色团取代：-Cl 或 Br+5 nm-OR 烷氧基+6 nm,对连接在母体电子体系上的不同取代基以及其它结构因素加以修正,注：环外双键 是指C=C双键直接与环相连，其中一个C在环上，C=,另一个C在环外。同环二烯与异环二烯同时共存时，按同环二烯计算。,例1：,基本值nm两个烷基取代 nm计算值 max 227 nm实测值 max 226 nm,例：,基本值：17 nm 加一个环外双键nm 加四个烷基取代nm计算值max nm实测值 max nm,例：,基本值：按同环二烯nm加一个共轭双键nm加一个环外双键nm加三个烷基取代15 nm,计算值max 3 nm实测值max 3nm,.,不饱和醛、酮,母体 链状不饱和醛 基本值 max 207nm 链状不饱和酮 215 五元环不饱和酮 202 六元环不饱和酮 215,O,增加值 同环共轭二烯+39nm 每增加一个共轭双键+30nm 每增加一个环外双键+5nm 共轭双键上增加烷基或环基取代 位+10nm 位+12nm 位及以上+18nm,例：,链状：基本值 215nm 位烷基取代+10nm 位烷基取代+12nm,C 3,计算值max 237nm 实测值max 236nm,例：,环状：基本值 215nm 共轭双键+30nm 位烷基取代+18nm 环外双键+5nm 计算值max 268nm,例：人们对莎草酮提出两种结构式，实验值max=252nm，问是下面那一种结构式?,基本值 215nm位烷基取代+12nm计算值max 227nm,基本值 215nm位烷基取代+10nm 位烷基取代+24nm 环外双键+5nm计算值max 254nm,(三)纯度检查,如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中的痕量杂质。例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收。又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。,用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的发色团和助色团的特征。利用紫外可见吸收光谱可确定有机化合物中不饱和基团，还可区分化合物的构型、构象、同分异构体,二、结构分析,1.推测官能团 200280nm 无吸收 不含不饱和键，不含苯环，可能是饱和化合物 210250nm 强吸收*，2个共轭单位 260350nm 强吸收*，35个共轭单位 270350nm 弱吸收 n*，无强吸收，孤立含杂原子的双键C=O,-NO2,-N=N-260nm（230270）中吸收*，有苯环,2.判断同分异构体,酮式结构，无共轭中吸收 206nm(极性溶剂中为主）,烯醇式结构，共轭体系，强吸收=1.8104,245nm(非极性溶剂中为主）,例：乙酰乙酸乙酯,三、定量分析 应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区，大约可测定50多种元素 有机化合物，主要在紫外区 1.单组分物质的定量分析 测定条件：选择合适的分析波长（max）选择适当的参比溶液,（1）比较法：在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液，在max下测 A 标准溶液 As=CsL 被测溶液 Ax=CxL Cx=CsAx/As 注意：Cs 与 Cx大致相当,（2）标准曲线法,1 2 3 4 5 样品标液 C1 C2 C3 C4 C5 CX A A1 A2 A3 A4 A5 AX,2.多组分物质的定量分析（只讨论2组分）在某特定波长下测定 A总=A1+A2+A3+吸光度加和性（1）吸收光谱互不重叠,a b,1 2,在1处测a组分，b组分不干扰在2处测b组分，a组分不干扰,2.多组分物质的定量分析（只讨论2组分）（2）吸收光谱单向重叠,a b,1 2,A1a+b=A1a+A1b A2b=2 b CbL,在1处a、b组分都吸收在2处b组分吸收，a组 分不干扰,首先在 2 处测定b组分，因a组分不干扰 A sb=2b C s bL 2b=A sb/C sbL 在2处 A xb=2b C xbL 求出C xb A1a+b=A1a+A1b=1 a Cxa L+1 b CxbL 其中：1a=A 1a/C s a L 1b=A 1b/C s b L,A,1,2,（3）吸收光谱双向重叠,a b,1为a组分的最大吸收波长，2为b组分的最大吸收波长1处：A1a+b=A1a+A1b=1 a Cxa L+1 b CxbL,2 处：A2a+b=A2a+A2b=2 a Cxa L+2b CxbL,（4）双波长测定法,1为a组分的最大吸收波长，为测定波长 2为参比波长，A 1b=A 2b1处：A1a+b=A1a+A1b 2 处：A2a+b=A2a+A2b,A=A1a+b A2a+b=(A1a+A1b)(A2a+A2b)=A1a A2a=1a CXL 2a CXL,四、示差分光光度法,普通的分光光度法采用不含被测组分的参比溶液，而示差分光光度法则使用一定浓度的被测物作参比溶液。普通 参比 T100%示差 参比Cs As=sCsL T100%未知液 Ax=xCxL A=AsAx=(Cs Cx)L=C L,1.单标准示差分光光度法,应用于高浓度，低浓度样品的测量（1）高浓度溶液 CxCs 高吸光度示差法是用浓度比试样溶液稍低的标准溶液用作参比溶液来调节 T=100%。,普通的分光光度法：测得试样的T=5.0%,配制一浓度稍低的标准溶液Cs,测得T=10.0%,二者之差为5%示差法:用标准溶液Cs 来调节仪器令T=100%,再测定试样Cx,可得T=50.0%,二者之差为50%。示差法相当于把标尺扩大了10倍，测量读数的相对误差也就缩小了10倍。,示差分光光度法(示差法)与普通光度法的关系,示差法:采用浓度稍低于试样的标准溶液(Cs)作参比溶液调节仪器T100(A=0)，再测定试样溶液的吸光度(称为相对吸光度)，相对应的透光度称为相对透光度。普通光度法:以纯溶剂或空白试剂作参比溶液，测得标准溶液及试液的吸光度分别为As和Ax，对应的透光度为Ts和Tx，,普通光度法与示差法的关系,根据朗伯-比尔定律 普通光度法:As=sCsL Ax=xCxL 示差法:A=As-Ax=(Cs-Cx)L=C L上式意义：在符合朗伯-比尔定律测定浓度范围内，示差法测得的相对吸光度(A)与被测溶液和参比溶液的浓度差(Cs-Cx,即C)成正比，即可用于定量测定。此时试液的T50，令读数落在适宜的范围内，提高了测定的准确度。,（2）低浓度溶液 CxCs,用Cs调T=0，再用纯溶剂调T=100%，测Cx的T或A,把原来的90%100%一段扩展成0100%，透光率扩大了10倍。被测物质的透光率由95%50%。,2、双标准示差分光光度法,Cs1CxCs2用Cs1调T=0，Cs2调T=100%，测Cx的T或A,Cx1,Cx2,五、导数分光光度法,对吸收光谱曲线进行一阶或高阶求导，可得到各种导数光谱曲线1.导数光谱的优点最大优点是分辨率大大提高（1）能够分辨两个或两个以上完全覆盖或以很小波长差相重叠的吸收峰（2）能够分辨吸光度急剧上升时所掩盖的弱吸收峰（3）能够确认宽阔吸收带的最大吸收峰（随着导数阶数的增加，吸收峰的尖锐程度增大，比较准确的确定max,实际应用中，常用二阶导数光谱,一 阶,二 阶,2.导数光谱的定量分析,若将A=CL对波长进行几次求导，式中只有A、是 的函数,经n次求导后，吸光度的导数值与吸收物的浓度仍成正比，可进行定量分析最大的优点是可提高检测灵敏度,