仪器分析紫外可见光谱.ppt

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1、第2章 紫外-可见吸光光度法,2-1 紫外-可见吸光光度法概论2-2 光吸收的基本定律2-3 比色法和分光光度法及仪器2-4 显色反应与显色条件的选择2-5 仪器测量误差和测量条件的选则2-6 化合物电子光谱的产生2-7UV-Vis分光光度法的应用,化学分析：常量组分(1%),Er:0.1%0.2%依据化学反应,使用玻璃仪器,化学分析与仪器分析方法比较,仪器分析：微量组分(1%),Er:1%5%依据物理或物理化学性质,需要特殊的仪器,准确度高,灵敏度高,仪器分析方法分类,2.电化学分析法:依据物质的电化学性质及其变化,3.色谱法:气相色谱,液相色谱4.质谱法、热分析法、放射化学法等,简介,光谱

2、的概念,光谱的分类,光谱分析法导论,光谱,利用光谱来研究物质结构或测定化学成分的方法,由电磁波按波长或频率有序排列的光带,光谱分析,光谱的概念,7,光谱的分类,按发射和吸收电磁波的能量（波长）,按电磁波外形,按获得电磁波的方式,按辐射的本质,按发射和吸收电磁波的能量（波长）,D E=E2 E1=hn=hc/l,线状光谱,带状光谱,连续光谱,按电磁波外形,气态原子（或离子）核外电子发生能级跃迁,气态分子外层电子发生能级跃迁,由炽热的固体或液体所发射,10,发射光谱,按获得电磁波的方式,气态原子（离子）或分子吸收能量，从基态跃迁到激发态，当其从高能量状态返回低能量状态时，下降的这部分能量以电磁辐射

3、既光的形式释放出来，产生一定波长的光谱。,原子发射原子荧光、分子荧光分子磷光化学发光,11,按获得电磁波的方式,吸收光谱,当辐射通过气态、液态或透明的固态物质时，物质的原子、离子或分子将吸收与其内能变化相对应的频率而由基态跃迁到较高的能态，这种因物质对辐射的选择性吸收而得到的原子或分子光谱称为吸收光谱。,原子吸收光谱紫外-可见光谱红外光谱,12,按辐射的本质,原子光谱、分子光谱,分子光谱学,*者为四大波谱*紫外可见分光光度法(UV/Vis)Ultra Violet/Visible Spectrophotometry*红外吸收光谱法(IR)Infrared Spectroscopy分子荧光光谱法

4、(MFS)Molecular Fluorescence Spectroscopy,光声光谱法(PAS)Photo Acoustic Spectroscopy拉曼光谱法(RS)Raman Spectroscopy*核磁共振波谱法(NMR)Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy*质谱法(MS)Mass Spectroscopy联用技术是发展趋势!,分子磷光光谱法(MPS)Molecular Phosphorescence Spectroscopy,2,2-1 紫外-可见吸光光度法概论,吸光光度法是基于被测物质的分子对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法

5、。,特点 灵敏度高：测定下限可达10-510-6molL-1,10-4%10-5%准确度能够满足微量组分的测定要求：相对误差25（12）操作简便快速应用广泛,光的波粒二象性,波动性,粒子性,E,光的折射,光的衍射,光的偏振,光的干涉,光电效应,一、光的基本性质,2,近紫外：200-400nm人眼所能感觉到的波长范围400-760nm近红外：7502500nm,3,电磁波谱,光谱种类,黑体辐射：白炽灯、液、固灼热发光,连续光谱,分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱,光的互补:若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。,4,复合光:由

6、不同波长的光组合而成的光,单色光:单一波长的光,二、物质对光的选择性吸收,不同颜色的可见光波长及其互补光,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,6,（一）颜色与光的关系,光作用于物质时，物质吸收了可见光，而显示出特征的颜色。物质呈现的颜色与光有着密切的关系，物质呈现何种颜色，与光的组成和物质本身的结构有关。,6,物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。,物质选择性地吸收白光中某种颜色的光，物质就会呈现其互补色光的颜色。,（二）吸收曲线（吸收光谱）,7,溶液颜色的深浅，取决于溶液中吸光物质浓度的高低。,吸光度（A）与波长（）的关系曲线。,K

7、MnO4溶液的吸收曲线(cKMnO4:abcd),吸收曲线中吸光度最大值处（吸收峰）对应的波长称为最大吸收波长，以max表示。,同一物质，浓度不同，其吸收曲线的形状和max的位置不变。,8,定性分析基础 不同的物质具有不同的分子结构，因而具有不同的吸收曲线，可以根据吸收曲线的形状和最大吸收波长的位置，对物质进行定性分析。,定量分析基础 在同一波长下，物质的浓度越大，物质对光吸收程度越大。,8,2-2 光吸收的基本定律,一.朗伯比耳定律,9,当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后,溶液的吸光度与吸光物质浓度及吸收层厚度成正比,（一）朗伯比耳定律定义,T，溶液对光的吸收；T，溶液对光的吸收。,物质对

8、光的吸收程度用吸光度A表示。,T 取值为0.0%100.0%,全部吸收,T=0.0%,全部透射,T=100.0%,定义：,透射比,（二）朗伯比耳定律,后人对这两个定律进行了总结，发现：,11,a.比例系数与吸光物质的性质、入射波长及温度有关。b.吸光度A具有加和性。,溶液中有几种吸光物质，彼此间不发生化学反应，则可：,注意：,12,吸光度A、透射比T与浓度c 的关系,K 吸光系数 Absorptivity,当c的单位用g100mL-1表示时，用 表示,A bc，叫做比吸光系数.,桑德尔灵敏度：当光度仪器的检测极限为A0.001时，单位截面积光程内所能检出的吸光物质的最低质量。ug/cm2,13

9、,14,14,（三）标准曲线的绘制及其应用,依 A=bC,标准曲线的斜率为：tan=dA/dc=b,b为定值,故由曲线的斜率即可求出,标准曲线：A-C（吸光度-浓度）曲线，又称校准曲线或工作曲线,15,二、引起偏离朗伯比耳定律的因素,（一）物理因素,A,C,原因：1.非单色光；2.非平行入射光；3.介质不均匀,1.非单色光（仪器本身所致）仪器使用的是连续光源，用单色器分光，由于单色器色散能力的限制和出口狭缝要保持一定的宽度，所以我们不可能得到纯的单色光。,16,A,克服方法：尽量选用较好的单色器入射波长选择在峰值位置（在波峰有一个A值相差较小的区域）,17,3.介质不均匀,散射、假吸收。,克服

10、方法：避免溶液产生胶体或浑浊,2.非平行入射光 导致光束的平均光程b大于吸收池厚度b，实际测得的吸光度大于理论值，产生正偏离。,入射光会因散射而损失，导致T减小，实测的A偏高,17,例，聚合引起的对吸光定律的偏离,（二）化学因素 1.溶液浓度过高；2.化学反应有色物离解、缔合.,18,2-3 比色法和分光光度法及仪器,一、目视法,2.特点：简单、可测微量，复合光，误差大。,观察方向,1.方法：,19,二.光电比色法,光电比色计结构示意图,通过滤光片得一窄范围的光(几十nm),滤光片,吸收滤光片：只允许指定的窄范围波长光通过，其他波长的光均被吸收.,选择滤光片的原则：滤光片透光率最大的光是溶液吸

11、收最大的光,即滤光片的颜色与有色溶液的颜色互补.,特点：准确度较高（消除人眼的主观因素）选择性较好（滤光片、参比液可消除干扰）,三.吸光光度法和分光光度计,分光光度计的基本组成,通过棱镜或光栅得到一束近似的单色光.波长可调,故选择性好,准确度高.,分光光度计的主要部件,光源：发出所需波长范围内的连续光谱，有足够 的光强度,稳定。可见光区：钨灯，碘钨灯(3202500nm)紫外区：氢灯，氘灯(180375nm)氙灯：紫外、可见光区均可用作光源,单色器：将光源发出的连续光谱分解为单色光的 装置。,棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同.玻璃3503200nm,石英1854000 nm,光栅：在镀

12、铝的玻璃表面刻有数量很大的等宽度等间距条痕(600、1200、2400条/mm)。利用光通过光栅时发生衍射和干涉现象而分光。,波长范围宽,色散均匀,分辨性能好,使用方便.,平面透射光栅反射光栅（广泛使用）,吸收池(比色皿)：用于盛待测及参比溶液。可见光区：光学玻璃池 紫外区：石英池,检流计（指示器）：低档仪器：刻度显示 中高档仪器：数字显示，自动扫描记录,检测器：利用光电效应，将光能转换成 电流讯号。光电池，光电管，光电倍增管,722型分光光度计,光源：钨卤素灯12V、30W波长范围：330800nm分光元件：光栅，1200线/mm检测器：端窗式G1030光电管 多碱阴极真空管 300850n

13、m波长精度：2nm光谱带宽：6nm波长精度：仪器波长指示器所显示的波长值与仪器对应输出的实际波长值之间的符合程度。可用二者之差来衡量。,吸光光度法仪器主要差异比较,1.单光束分光光度计,可变波长单光束紫外-可见分光光度计示意图,四.分光光度计的基本类型,2.双光束分光光度计,双光束型可以消除光源强度变化的影响.,多通道仪器（Multichannel Instruments）光电二极管阵列(通常具有316个硅二极管)photodiode arrays(PDAs)同时测量200820nm范围内的整个光谱,比单个检测器快316倍,信噪比增加3161/2 倍.,3.其他类型分光光度计,纤维光度计将光度

14、计放入样品中,原位测量.对环境和过程监测非常重要.,HP 8452A多通道二极管阵列分光光度计,纤维光度计,镀铝反射镜,纤维光度计示意图,2-4 显色反应与显色条件的选择,一、显色反应及其条件的选择（一）显色反应和显色剂定义：将被测组分转变为“有色物质”的反应 M无色+R=MR有色(主要是络合、氧化还原反应）,1.对显色反应或显色剂的要求：选择性好（最好是特效反应）灵敏度高（max 104Lmol-1cm-1）对比度要大，(max)最大吸收波长相差60nm以上MR稳定，组成恒定化学性质稳定，生成的有色物质与显色剂之间的颜色差别要大显色反应的条件要易于控制,1.显色剂的用量（CR）,为使显色反应

15、完全，一般R过量（同离子效应），但R也不能大过头，否则，物极必反。,a.R本身有色，空白b.改变络合比，例：Mo()与SCN-:,CR由实验确定,（二）显色反应条件的选择,2.溶液的酸度：a.影响M的存在状态，H+，M会水解；b.影响R及颜色，H+，影响R（大多有机弱酸）影响颜色（大多酸碱指示剂）c.影响MRn组成,3.温度T,大多显色反应在室温下进行，但也有需要加热才能完成的。V=f(T)T,V。但T 太，有色物分解。合适的T 由实验确定。,4.时间t,A,t,t 由实验确定。显色后，至少应保持到测定工作完成,5.溶剂和表面活性剂溶剂影响有色络合物的离解度溶剂影响有色络合物的显色速度溶剂影响

16、有色络合物的颜色表面活性剂,胶束增溶形成三元络合物,实验确定，有点运气,6.干扰物质的影响及消除,a.干扰,干扰物本身有色或与显色剂显色，+干扰干扰物与M、N反应，使显色不完全，干扰,b.消除控制酸度，使M显色，干扰不显色氧化还原，改变干扰离子价态掩蔽校正系数参比液：可消除显色剂和某些离子的干扰选择测，可避开干扰的吸收增加显色剂用量，将干扰灌饱分离,2-5 仪器测量误差和测量条件的选则,1.测量波长的选择,(1)“最大吸收”原则无干扰，选择 max为测量波长,(2)“吸收较大，干扰最小”原则有干扰，选择不受干扰的次强吸收波长为测量波长,2.吸光度范围的控制,控制,A=0.15 0.80,T=7

17、0%15%,方法,选择 C A=KbC,选择 b A=KbC,3.参比溶液的选择,原则：扣除非待测组分的吸收,A（样）=A（待测吸光物质）+A（干扰池）A（参比）=A（干扰+池）M无色+R=MR有色,2-6 化合物电子光谱的产生,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HCHO分子的轨道：,一 有机化合物的紫外-可见吸收光谱,各轨道能级高低顺序：n*（分子轨道理论计算结果）；跃迁类型：-*；n-*；-*；n-*,*n*n*,*跃迁：它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃 中的CC键属于这类跃迁。n*跃迁：实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远

18、紫 外光区和近紫外光区。*跃迁：它产生在有不饱和键的有机化合物中，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，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。n*跃迁：这类跃迁发生在近紫外光区。它是简单的生色团如羰基、硝基 等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔 吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。,2.几个概念,生色团（Chromogenesisgroup）：分子中含有非键或键的电子体系，能吸收特征外来辐射并引起n-*和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。助色团（Auxochromousgroup）：含有孤对电子，可使生色

19、团吸收峰的最大吸收波长发生移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。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（Redshift or blueshift）：在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。增色效应和减色效应：最大吸收带的摩尔吸光系数max增加时称为增色效应；反之称为减色效应。强带和弱带：max104的吸收带称为强带；max103的吸收带称为弱带。,R带：由含杂原子的生色团的n*跃迁所产生的吸收带。它的特点是强度较弱，一般100，吸收峰通常

20、位于200 400 nm之间。K带：由共轭体系的*跃迁所产生的吸收带。其特点是吸收强度大，一般104，吸收峰位置一般处于217 280 nm范围内。B带：由芳香族化合物的*跃迁而产生的精细结构吸收带。B带是芳香族化合物的特征吸收，但在极性溶剂中时精细结构消失或变得不明显。E带：由芳香族化合物的*跃迁所产生的吸收带，也是芳香族化合物的特征吸收，可分为E1和E2带。,3 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

21、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,2)不饱和烃及共轭烯烃,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，max一般在104Lmol1cm1以上，属于强吸收。乙烯*跃迁的max为162nm，max为:1104 Lmol-1cm1。K带共轭非封闭体系的*跃迁,C=C发色基团，但*200nm。,max=162nm 助色基团取代（K带)发生红移。,共轭烯烃键数与能量的关系,共轭键越多，最大吸收峰波长 越长.,共轭效应：共轭效应使共轭体系形成大键，结果使各能级间的能量差减小，从而跃迁所需能量也就相应减小，因此共轭效应使吸收波

22、长产生红移。共轭不饱和键越多，红移越明显，同时吸收强度也随之加强。,3)羰基化合物,Y=H,R n*180-190nm*150-160nm n*275-295nmY=-NH2,-OH,-OR 等助色基团,K 带红移，R 带兰移；R带max=205nm；10-100,不饱和醛酮K带红移：165250nmR 带红移：290310nm,羰基化合物,E,n,*,n*290 nm,*210 nm,n,*4,1,n*321 nm,*240 nm,2,*3,脂肪醛的*n*,2-丁烯醛的 2*3 n*3,4)苯及其衍生物,5)稠环芳烃及杂环化合物,苯的同系物的吸收光谱,二、无机化合物的紫外-可见吸收光谱,1.

23、电荷转移跃迁 辐射下，分子中定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。,电子给予体,电子接受体,max 较大(104以上)，可用于定量分析。,有些有机化合物也可以产生电荷转移吸收光谱,苯环可以作为电子给予体，氧可以作为电子接受体，在光子的作用下产生电子转移。,2.配位场跃迁,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)，

24、很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。,d 轨道电子云分布及在配场下的分裂示意图,溶剂极性增大，*吸收红移,CH3,异亚丙基丙酮,三、溶剂极性对吸收光谱的影响1.溶剂极性对最大吸收峰波长max的影响,溶剂极性增大，n*吸收蓝移,例:丙酮,丙酮的UV吸收光谱图,溶剂效应（形成氢键）,无溶剂效应,E1,E2,水,乙醇,己烷,A,2.溶剂极性对吸收光谱精细结构的影响,对称四嗪的吸收光谱,蒸气状态环己烷中水中(溶剂化,精细结构消失),精细结构消失原因：溶剂化限制了溶质分子的自由转动，使转动光谱表现不出来。如果溶剂的极性越大，溶剂与溶质分子间产生的相互作用就越强，溶质分子的振动也越受到限制

25、，因而由振动而引起的精细结构也损失越多。,酸碱性导致物质结构发生变化,溶剂极性影响的结论:,1.非极性溶剂可见精细结构;2.pH影响分子构型,因此影响物质对光的吸收.3.利用溶剂效应可区别*(红移)还是 n*(蓝移);4.比较光谱时,溶剂要相同.,常用溶剂的光学透明区,对溶剂的要求1.低极性 2.易溶解被测物3.稳定 4.在样品的吸收光谱区无明显吸收,2-7 UV-Vis分光光度法的应用,一、定性分析制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照；2.利用Woodward-Fieser和Scott经验规则求最大吸收波长。即，当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可通过此类规则估算最大吸收波长ma

26、x并与实测值对比。,母体环己酮215nm 同环二烯39nm增加两个共轭双键60nm 一个烷基12nm一个环外双键5nm 三个+烷基54nm共计385nm,母体同环二烯253nm增加两个共轭双键60nm三个环外双键15nm五个取代烷基25nm共计353nm,估算最大吸收波长的几个实例,二、结构分析,1.某些特征集团的判别,2.共轭体系的判断,200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm，R带310-330 nm 260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。,280nm,=13

27、500,295nm,=27000,3.顺反异构体的判断,4.互变异构体的判断,酮式：max=204 nm；无共轭烯醇式：max=243 nm,三.定量分析,1.单组份定量方法1）标准曲线法：2）标准对比法：该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。,2.多组分定量方法（略）3.双波长法-等吸收点法（略）4.系数倍率法（略）5.示差分光光度法（略）6.导数光谱法（略）7.配合物组成和稳定常数测定（略）8.弱酸离解常数的测定（略）,（一）单组分

28、的测定,1 一般方法：通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。,2 示差分光光度法（测高含量，技术处理）,A,原理：设试液浓度Cx、标液浓度Cs，且Cs Cx，则：,普通法：cs的T=10%；cx的T=5%示差法：cs 做参比，调T=100%则：cx的T=50%；标尺扩展10倍,示差法标尺扩展原理：,特点：测高含量（准确度相对提高，若标液配制不当，误差大）,（二）多组分的同时测定 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。,若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加和性求解联立方程组得出各组分的含量。1：A1=a,1bca b,1bcb

29、2：A2=a,2bca b,2bcb,例：有下列一组数据：,比色池厚1cm，求未知液中A和B的浓度。,解：先求出纯A、纯B在两种波长下的（Lmol-1cm-1）：,再根据A的加和性，列方程求解：,思考题：如何用紫外可见进行氢键强度的测定？,在极性溶剂中，分子间形成了氢键，实现n*跃迁时，氢键也随之断裂；此时，物质吸收的光能，一部分用以实现n*跃迁，另一部分用以破坏氢键（即氢键的键能）。在非极性溶剂中，不可能形成分子间氢键，吸收的光能仅为了实现n*跃迁，故所吸收的光波的能量较低，波长较长。由此可见，只要测定同一化合物在不同极性溶剂中n*跃迁吸收带，就能计算其在极性溶剂中氢键的强度。例如，在水中，丙酮的n*吸收带为294.5 nm，能量452.99 kJmol-1；在己烷中，该吸收带为279 nm，能量为429.40 kJmol-1。丙酮在水中形成的氢键强度为452.99-429.40=23.59 kJmol-1。,