2.紫外可见光谱.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 紫外-可见分光光度法,(,Ultraviolet and Visible,Spectrophotometry,UV-,Vis,),2.1,紫外-可见吸收光谱,2.2 吸收光谱的测量-,Lambert-Beer,定律,2.3 紫外-可见光度计仪器组成,2.4 分析条件选择,2.5,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,160780,nm,.,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。,2.1 紫外-可见吸收光谱,一、分子吸收光谱的形成,1.过程：运动的分子外层电子-吸收外来辐射-产生电子能级跃迁-分子吸收谱。,2,.,能级组成：除了电子能级,(,Electron energy level),外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动,(,Vibration),能级和转动,(,Rotation),能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化,E,为各种形式能量变化的总和：,其中,E,e,最大：,1-20,eV,;,E,v,次之：,0.05-1,eV,;,E,r,最小：,0.05,eV,可见，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,。,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。,定性分析具体做法,是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度,A)，,以吸光度,A,为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。,-胡罗卜素,咖啡因,阿斯匹林,丙酮,几种有机化合物的分子吸收光谱图。,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,H,2,O,分子的轨道：,C,H,H,O,o,o,o,o,=,=,o=,n,二、分子吸收光谱跃迁类型,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-,*,-,*：,C-H,共价键，如,CH,4,（125nm）,；,C-C,键，如,C,2,H,6,(135nm),，,处于,真空紫外区；,-,*,和,-,*,跃迁：尽管所需能量比上述,-,*跃迁能量小，但波长仍处于,真空紫外区；,n-,*：,含有孤对电子的分子，如,H,2,O(167nm)；CH,3,OH(184nm)；CH,3,Cl,(173nm);CH,3,I(258nm)；(CH,3,),2,S(229nm)；(CH,3,),2,O(184nm),CH,3,NH,2,(215nm)；(CH,3,),3,N(227nm)，,可见，大多数波长仍小于,200,nm，,处于近紫外区。,以上四种跃迁都与,成键和反键轨道有关（,-,*,，,-,*,，,-,*,和,n-,*,），,跃迁能量较高，这些跃迁,所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。,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。,例子：,1）乙醛分子在160,180,290,nm,处产生吸收，它们对应的电子跃迁类型分别是：,2）环戊烯（190,nm）、,甲醚（185,nm）、,三乙胺（195,nm）,分别对应的跃迁类型是：,3）一化合物可能是=,N-CH,2,-CH,2,-CH,3,或=,N-CH,2,-CH=CH,2,其紫外,吸收光谱为：,该化合物是何种化合物？,200 250,nm/,A,2.几个概念：,生色团,（,Chromogenesis,group）：,分子中含有非键或,键的电子体系，能吸收,特征,外来辐射时并引起,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,（,Auxochromous,group）：,含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向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-CH,3,-Br-OH-OCH,3,-NH,2,-NHCH,3,-NH(CH,3,),2,-NHC,6,H,5,i,，,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,x,i,，,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。,2.3 紫外-可见光度计仪器组成,紫外-可见光度计仪器由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。,一、光源,对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。,1.钨及碘钨灯：,3402500,nm,，,多用在可见光区；,2.氢灯和氘灯：,160375,nm,，,多用在紫外区。,二、单色器,(,Mnochromator,),与原子吸收光度仪不同，在,UV-,Vis,光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！,（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）,三、吸收池,(,Cell，Container),：,用于盛放样品。可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。,四、检测器：硒光电池、,PMT、PDA,二、紫外可见光度计仪器,分光光度计分为单波长和双波长仪器。,1.单波长分光光度计,单光束,双光束（空间分隔）,双光束（时间分隔）,特点：,双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差。,光源,检测器,单色器,单色器,切光器,吸收池,双,波长分光光度计示意图,2.双波长分光度计,通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差,A,。,A,B1,和,A,B2,分别为在,1,和,2,处的背景吸收，当,1,和,2,相近时，背景吸收近似相等。二式相减，得,这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比。,特点：,可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。,3.分光光度计的校正,当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。,波长标度校正：,使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为二者均有其各自的特征吸收峰。,吸光度标度校正：,采用,K,2,CrO,4,标准液校正（在,25,o,C,时，于不同波长处测定,0.04000,g/L,的,KOH,溶液,（0.05,mol/L）,的吸光度,A,，,调整光度计使其,A,达到教材,P31,中表,2.1,所列的吸光度。,2.4 分析条件选择,一、仪器测量条件,由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时，误差更大。,由,L-B,定律：,微分后得：,将上两式相比，并将,dT,和,dc,分别换为,T,和,c,，,得,当相对误差,c/c,最小时，求得,T=0.368,或,A=0.434,。,即当,A=0.434,时，吸光度读数误差最小！,通常可通过调节溶液浓度或改变光程,b,来控制,A,的读数在,0.151.00,范围内。,二、反应条件选择,显色剂的选择原则：,使配合物吸收系数,最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。,2.,显色剂用量：,配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。,3.,溶液酸度：配位数和水解等与,pH,有关。,4.,显色时间、温度、放置时间等。,三、参比液选择,溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直,接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；,2.,试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不,加待测物）；,3.,试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样,作参比（不能加显色剂）。,四、干扰消除,1.,控制酸度：,配合物稳定性与,pH,有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。如在0.5,MH,2,SO,4,介质中，双硫腙与,Hg,2+,生成稳定有色配合物，而与,Pb,2+,、Cu,2+,、Ni,2+,、Cd,2+,等,离子生成的有色物不稳定。,2.,选择掩蔽剂,3.,合适测量波长,4.,干扰物分离,5.导数光谱及双波长技术,2.5,UV-,Vis,分光光度法的,应用,一、定性分析,1.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并与实测值对比。,Woodward-,Fieser,规则,Woodward-,Fieser,规则估算最大吸收波长的几个实例：,四,二、定量分析,1.单组份定量方法,1）标准曲线法（略）,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,c,s,的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数,k,，,然后由,A,x,=,kc,x,求出,c,x,该法只有在测定浓度范围内遵守,L-B,定律，且,c,x,与,c,s,大致相当时，才可得到准确结果。,2.多组分定量方法,由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。,设试样中有两组份,X,和,Y,，,将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：,图,a)：X,Y,组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。,图,b),和,c)：,X,Y,相互干扰，此时可通过解联立方程组求得,X,和,Y,的浓度：,其中，,X,Y,组份在波长,1,和,2,处的摩尔吸光系数,可由已知浓度的,X,Y,纯溶液测得。解上述方程组可求得,c,x,及,c,y,。,3.双波长法-等吸收点法,当混合物的吸收曲线重迭时，如右下图所示，可利用双波长法来测定。,具体做法：将,a,视为干扰组份，现要测定,b,组份。,a),分别绘制各自的吸收曲线,a,b；,b),画一平行于横轴的直线分别交于,a,组份曲线上两点，并与,b,组分相交；,c),以交于,a,上一点所对应的波长,1,为参比波长，另一点对应的为测量波长,2,，并对混合液进行测量，得到：,A,1,=A,1a,+A,1b,+A,1s,A,2,=A,2a,+A,2b,+A,2s,若两波长处的背景吸收相同，即,A,1s,=A,2s,二式相减，得，,A=(A,2a,-A,1a,)+(A,2b,-A,1b,),由于,a,组份在两波长处的吸光度相等，因此，,A=(A,2b,-A,1b,)=(,2b,-,1b,),lc,b,从中可求出,c,b,同理，可求出,c,a,.,4.系数倍率法,情况同3。但若其中一干扰组份,b,在测量波长范围内无吸收峰时，或者说没有等吸收点时可采用该法。,具体做法：同前法可得到下式，,A,1,=A,1a,+A,1b,A,2,=A,2a,+A,2b,两式分别乘以常数,k,1,、k,2,并相减，得到，,S=k,2,(A,2a,+A,2b,)-k,1,(A,1a,+A,1b,)=(k,2,A,2b,-k,1,A,1b,)+(k,2,A,2a,-k,1,A,1a,),调节信号放大器，使之满足,k,2,/k,1,=A,1b,/A,2b,，,则,S=(k,2,A,2a,-k,1,A,1a,)=(k,2,2,-k,1,1,),lc,a,因此，差示信号只与,c,a,有关，从而求出,c,a,。,同样可求出,c,b,。,5.示差分光光度法,测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则,A,值很大，会产生读数误差。此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有：,具体做法：以浓度为,c,s,的标准溶液调,T=100%,或,A=0,（,调零），所测得的试样吸光度实际就是上式中的,A,，,然后求出,c,，,则试样中该组份的浓度为,(,c,s,+,c),。,6.导数光谱法,1）定义：将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。导数光谱是解决干,扰物质与被测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提高,光谱分辨率的一种数据处理技术。,2）原理：,已知 ，对波长求一阶导数，得,控制仪器使,I,0,在整个波长范围内保持恒定，即,d,I,0,/d,=0,，,则,可见，一阶导数信号与浓度成正比。,同样可得到二阶、三阶,.,n,阶导数信号亦与浓度成正比。,随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，因而导数光谱法分辨率高（右图）。,吸收峰数为：导数阶数+1，即,n+1,10,ppm,苯的乙醇液,1,ppm,苯的乙醇液,0,ppm,纯乙醇,1,ppm,苯的乙醇溶液，,一阶导数光谱,基本光谱,1,ppm,苯的乙醇溶液，,四阶导数光谱,选,择,性,及,灵,敏,度,均,提,高,（苯的,导数信号）,3）导数峰高测量方法,测量方法有三，如下图：,正切法：相邻峰(极大或极小)切线中点至相邻峰切线(极小或极大)的距离,d,；,峰谷法：两相邻峰值(极大或极小)间的距离,p,1,或,p,2,；,峰零法：极值峰至零线间的距离。,7.配合物组成和稳定常数测定,1）摩尔比法(饱和法),设配合物的显色反应为：,具体做法：固定,c,M,，,增加,c,R,，,并测定一系列,MR,n,的吸光度,A,，,以,c,R,/,c,M,比值对,A,作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比,n。,设,MR,n,的电离度为,，则,2）等摩尔连续变化法(,Job,法),具体做法：保持,c,R,+,c,M,=c,恒定，但改变,c,M,与,c,R,的相对比例，若以,c,M,/c,对吸光度,A,作图，当达最大吸光度时,c,M,/,c,R,之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的,c,M,/c,亦可得出配位比。若比值为,0.5,，则配位比,n,为,1:1,；若比值为,0.33,，则配位比,n,为,1:2,或者,n=(1-,c,M,/,c)/(,c,M,/,c),设,c,M,/c=f,，,则,该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,A,A,A,c,M,/c,8.弱酸离解常数的测定,设有一元弱酸,HB,，,其离解反应如下：,若测出,B,-,和,HB,，,即可求出,K,a,。,测定时，配制三份不同,pH,值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别在,B,-,和,HB,的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。第三份为已知,pH,值的缓冲溶液，分别在,B,-,和,HB,的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得,B,-,和,HB,，,然后按前式求出,pK,a,或,K,a,。,