第13章紫外-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,第十三章 紫外,-,可见吸收光谱法,U,ltraviolet-,V,isible,A,bsorption,S,pectrometry,UV-Vis,UV-,Vis,法是根据物质,分子,对,紫外,-,可见区,的电磁辐射的吸收特性建立起来的,定性、定量和结构分析的方法,。属于分子吸收光谱的一种。,UV-,Vis,法,优点,：灵敏度及准确度高、选择性较好；使用的仪器设备简单，易于操作；应用广泛，几乎可应用于所有无机和有机物质的分析。,缺点,：谱线重叠引起的光谱干扰比较严重，这是有时选择性不好的主要原因；在可见分光光度法中被分析物通常必须用化学法将其转变为吸光物质，手续麻烦，有时还带来干扰。,1,13-1,分子吸收光谱,一、分子吸收光谱的产生,分子的总能量包括：,E,总,=,E,内,+,E,平,+,E,电,+,E,振,+,E,转,E,内,为分子固有内能，不随运动而改变；,E,平,为分子在空间自由运动所需能量，是连续变化的，是温度的函数；,E,电,为分子中电子相对于原子核的运动所需的能量；,E,振,为分子在平衡位置附近振动所需的能量；,E,转,为分子绕分子重心转动所需的能量；,E,电,、,E,振,、,E,转,是不连续的，是量子化,的，即分子具有电子（价电子）能级、振动能级和转动能级，分子也有其,特征分子能级,。,2,分子吸收外界辐射能后，引起分子能级的跃迁，分子总能量变化为：,E,总,=,E,电子,+,E,振动,+,E,转动,且,E,电子,E,振动,E,转动,同样分子吸收的能量应具有量子化特征：,E=E,2,-E,1,=h,3,4,1,、紫外,-,可见光谱（电子光谱）,分子电子能级跃迁所需能量最大，一般在,1-20eV,相当于,1230-62,nm,紫外,-,可见光区的波长,为,200-780nm,，,分子吸收此波区的光能足以使价电子发生跃迁，由此产生的吸收光谱称为,紫外,-,可见,吸收光谱亦称电子光谱。,三种不同能级的跃迁所需能量不同，所处的波谱区域,不同，因此可分成下列几种分子吸收光谱：,200-380,nm,为近紫外区；,380-780,nm,为可见光区,；,10-200,nm,为远紫外区,，由于空气中氮、氧、水等均对此区域光有吸收，若对此范围的光进行吸收测定时，必须先对光学系统抽真空，然后充入惰性气体，所以称为,真空紫外区,，实际应用受到一定限制。,二、分子吸收光谱的类型,5,分子转动能级差一般在,0.005-0.025eV,相当于,50-300,的远红外光,也即远红外,光区的光能只能引起分子转动能级的跃迁，由此得到的吸收光谱称为,远,红外,光谱亦称转动光谱。,由于分子吸收足够的能量产生电子能级的跃迁时，伴随有振动及转动能级的跃迁，相当于若干个谱带系相互重叠，所以分子光谱为,带状光谱。,2,、红外光谱（振,-,转光谱）,3,、远红外光谱（转动光谱）,分子振动能级差一般在,0.025-1 eV,相当于,0.78-50,的近红外及红外光,也即近红外、红外,光区的光能可引 起分子振动能级（包括转动能级）的跃迁，由此得到的 吸收光谱称为,红外,光谱亦称振,-,转光谱。,6,三、物质的颜色与光,可见光,：波长为,380-780nm,，能被人的视网膜所感觉，且不同波长的光呈现不同的颜色。,单色光,：单一波长的光。,复合光,：不同波长的可见光组合而成的光，如日光（白光）等。,互补色,：将两种适当颜色的光按一定比例混合，得到白光，则这两种颜色称为互补色。,物质颜色与其吸收光的关系,：物质本身呈现的颜色与其 吸收颜色成互补色。即物质选择性吸收白光中某波段的光后，物质就呈现其透过光的颜色；当物质对所有波段的白光均不吸收时，物质呈透明无色。,7,8,一、常见的价电子跃迁类型,分子吸收光能，使其电子发生跃迁，发生跃迁的电子可分为以下三大类：,、和,n,电子,d,和,f,电子,电荷转移,13-2,有机化合物的紫外吸收光谱,9,1,、,、和,n,电子的,跃迁,据分子轨道理论，,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。,10,*,位于远紫外区，吸收强度大，有机化合物中饱和烃均为单键，吸收带小于,160,nm,，,在远紫外区，因此，此类化合物常用于紫外,-,可见吸收光谱分析的,溶剂,。,11,*,和,n,跃迁的吸收带,近紫外区或可见光区,，最常用,n,吸收较弱。,*,跃迁几率比,n,大，故,吸收带强度大,。若具有共轭双键，则电子容易激发，吸收带,“,红移,”,，且,摩尔吸光系数更大,。,n,*,跃迁的吸收带,如含,-,OH,、,-NH,2,、,-X,、,-,S,等基团的化合物，其杂原子中的,孤对电子,吸收能量后向,*,反键轨道,跃迁，其吸收波长在,200,nm,左右。电负性越强，跃迁所需能量越高，吸收波长越短。,n,*,跃迁的摩尔吸光系数较小。,12,2,、,电荷转移跃迁,电荷转移跃迁是指当外来辐射照射到某些化合物时，可能发生一个电子从体系的电子给予体部分转移到该体系的另一电子接受体部分，即给予体的一个电子向接受体的一个电子轨道跃迁，相当于,化合物内部发生了内氧化还原过程,，如：,电荷转移吸收带的,特点,是吸收强度大（,max,10,4,Lmol,-1,cm,-1,）,利用它进行定量分析，有利于灵敏度的提高。,13,3,、配位场跃迁,是指含有过渡金属及镧系锕系元素的配合物在配位体的,配位场,作用下,d,轨道或,f,轨道发生能级分裂，电子吸收能量发生,d,能级或,f,能级跃迁，由此产生配位场吸收带，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,(3,d),、,二,(4,d),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,0.1,100,Lmol,-1,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,4,f,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,。,14,1,、,问,：在分子,(,CH,3,),2,NCH,CH,2,中，它的发色团是哪个？在分子中预计发生的跃迁类型有哪些？,2,、,问：,下列化合物中，同时有,n,*,*,*,跃迁的化合物是,(1),一氯甲烷,(2),丙酮,(3)1,，,3,丁二烯,(4),甲醇,*,；,n,*,；,n,*,；,*,；,(2),丙酮,15,二、紫外,-,可见吸收光谱中的一些常用术语,生色团,（,chromophore,）：,有机化合物分子结构中含有,*,和,n,跃迁的基团，如,C=C,，,C=O,，,-N=N-,，,-NO,2,，,-C=S,等，,能在,UV-,Vis,光范围内产生吸收的原子团,。,16,助色团,（,auxochrome,）：,指含有,非键电子,的杂原子饱和基团，如,-,OH,、,-NH,2,、,-X,、,-S,等基团的化合物。当它们,与生色团或饱和烃相连,时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰,向长波方向移动,，,并使吸收强度增加,。,红移（,red,shift,）亦称长移,：由于化合物的结构改变，如发生共轭作用，引入助色团以及溶剂改变等，,使吸收峰向长波方向移动,。,蓝（紫）移（,blue shift,）,亦称短移,：当化合物的结构改变时或受溶剂影响使吸收峰,向短波方向移动,。,17,三、紫外,-,可见吸收光谱中的吸收带,吸收带,：即吸收峰在,UV-,vis,光谱中的位置。根据电子和轨道种类，可把吸收带分为,四种,类型。,R,带,：由,n,*,跃迁引起的吸收带，是杂原子的不饱 和基团，如,=,C=O,，,-NO,，,-NO,2,，,-N=N-,等发色团的特征。较长波长范围（,300,nm),，,弱吸收。,K,带,：,共轭双键中,*,跃迁所产生的吸收峰，为强吸收带。共轭程度增大，吸收带红移，吸收强度增大。,18,19,B,带,：,也称精细结构吸收带，是,*,跃迁和振动能级跃迁叠加,所产生的吸收带，是芳香族化合物的特征吸收带。,E,带,：,芳香族化合物特征吸收，由,苯环结构,中三个乙烯的环状,共轭系统的,*,跃迁,所产生的，分为,E,1,和,E,2,，,均属强带。,20,13-,3,影响吸收带的因素,一、生色团或助色团的影响,：,饱和有机化合物中引入生色团或助色团，将使,吸收带,红移和,max,增大,。,21,1,、,对吸收带精细结构的影响,：,当物质溶解在极性溶剂中时，溶质分子溶剂化，使其转动光谱消失，并限制了溶质分子的自由转动和分子振动，,导致精细结构模糊甚至不出现,。非极性溶剂中，其光谱与该物质的气态的光谱相似。,二、溶剂的影响,22,2,、极性大的溶剂,使,*,跃迁的吸收带,红移,；,使,n,*,跃迁的吸收带,紫移,。,23,在测定紫外吸收光谱时应尽可能采用,低极性,溶剂。,溶剂在样品吸收区无明显吸收，在可见光测量范围内，应尽量使用,无色,溶剂。,能很好,溶解,被测物质，且有较好的化学和光化学稳定性。,三、溶剂的选择,24,例,：请将下列化合物的紫外吸收波长,max,值按由长波到短波排列，并解释原因。,(1)CH,2,=CHCH,2,CH=CHNH,2,(,2),CH,3,CH=CHCH=CHNH,2,(,3),CH,3,CH,2,CH,2,CH,2,CH,2,NH,2,解,：,（,2,），（,1,），（,3,）,25,例,：某化合物在正己烷和乙醇中分别测得最大吸收波长,max=305nm,和,max=307nm,，,试指出该吸收是由哪一种跃迁类型所引起,?,为什么,?,解：,因溶剂极性增大，,max,红移，所以由,*,跃迁引起。,26,一、,UV-Vis,法,中常见术语,光强,（,P,或,I,，,习惯上用,I,),：光束单位时间内、单位面积内所传输的辐射能（,J m,-2,s,-1,）。,I,0,=I+I,r,+I,a,I+I,a,透光率,(,T,):,一,束,单色光通过样品介质后，入射光强,I,0,减弱为,I,，则 透光率：,T=I/I,0,或,用,百分透光率表示：,T%=I/I,0,100,吸光度,(,A,),：,A,=-,lgT,=,lg,(I,0,/I),13-4,光的吸收定律,I,0,I,27,二、比尔定律,(,Beers Law),K,：,为比例常数，与吸光物质的性质，入射光波长及温度,等因素有关。,当样品浓度为,g L,-1,时，,K,用,a,表示，叫做,吸光系数,，,单位为,L g,-1,cm,-1,.,当样品浓度为,mol L,-1,时，,K,用,表示；称为,摩尔吸光系,数,，,单位为,L mol,-1,cm,-1,.,A=,Kbc,A,为吸光度，,c,为浓度，,b,为样品厚度，,A,与,的,关系,：,=,M a,M,为物质的摩尔质量,1,、比尔定律,28,例,：在,l00 mL,含金为,200,g,的标准溶液中，分取,20.0 ml,用结晶紫萃取光度法测定金。以,5.0 mL,的苯萃取,(,萃取率,100,），萃取液用,1 cm,比色皿在波长,600,nm,下测得,T,50,。,求吸光系数和摩尔吸光系数各为多少,?,Ar,(Au),197.0,29,2,、,Beer,定律成立的前提,3,、,吸光度具有加和性,在互相不作用的多组分体系进行吸光分析测定时，往往各组分对同一波长的光均有不同程度吸收，则当一束单色光通过此溶液时，测得的总吸光度是各组分吸光度之和：,A,总,=,A,1,+A,2,+A,3,+A,n,=,1,bc,1,+,2,bc,2,+,n,bc,n,+,入射光是,单色光,；,+,吸收发生在,均匀,的介质中；,+,吸收过程中，吸收物质,互相不发生作用,。,30,三、偏离,Beer,定律的因素,1,、偏离,Beer,定律现象,根据,Beer,定律，在理论上，吸光度对溶液浓度作图所得的直线的截距为零，斜率为,b,，,实际上，吸光度与浓度的关系有时是非线性的，或不通过零点，这种现象称为,偏离,Beer,定律,。,31,Beer,定律,本身的局限性,：,Beer,定律通常适用于浓度小于,0.01mol,L,-1,的,稀溶液,。这是由于,A,、,浓度过高，折射率发生改变，从而改变了摩尔吸光系数；,B,、,浓度过高，分子间发生的相互作用会改变摩尔吸光系数。,化学因素,：若溶液中发生了电离、酸碱反应、配位反应以及缔合反应等，则改变了吸光物质的浓度；,光学因素,：,A,、,入射光的,非单色性,；,B,、,杂散光,；由于仪器制造过程中的瑕疵，或光学元件受尘染或霉蚀等，从分光器得到的单色光中，还有一些不在谱带宽范围内的与所需波长相隔较远的光；,C,、,待测溶液（混浊）的,散射,。,2,、偏离,Beer,定律的原因,32,四、吸收光谱,有的吸收峰较弱或两峰很接近，不容易出现完整的吸收峰，而在一个吸收峰旁产生一个曲折，称为,肩峰,。,UV-Vis,的峰位取决于电子能级差；吸光系数取决于跃迁几率。因此，,UV-,Vis,吸收光谱反映了分子的电子结构特征，可用于,物质结构的研究,，并可为,定量分析中选择适宜波长,。,吸收光谱以是波长或波数为横坐标，以吸光度,A,（,或透光率,T,、,）,为纵坐标所描绘的曲线。,吸收曲线形状不随浓度变化而变化,。,吸收光谱图上吸收最大的地方称为,吸收峰,；它所对应的波长称为,最大吸收波长,。,33,13-4,紫外,-,可见分光光度计,紫外,-,可见分光光度计是在,UV-,Vis,光区内可任意选择不同波长的光测定吸光度的仪器。,一、仪器类型,可分为单波长、双波长分光光度计、多通道分光光度计；,单波长分光光度计又分为单光束和双光束分光光度计。,基本光路图（五部分组成）,：,34,二、基本部件,1,、光源,发射的是,连续光谱,，,要求,光强大而稳定。可见区：白炽光源如钨灯或碘钨灯，波长范围,320,-,2500nm,。紫外区：气体放电灯，如低压直流氢放电灯或氘放电灯，波长范围,180,-,375nm,。因玻璃对紫外光有吸收，所以应用,石英窗。,。,2,、单色器,作用,：将复合光分解为单色光,类型：,滤光片,透过光即滤光片本身颜色，与吸收物质颜色互补。半宽度大于,30nm,。,棱镜,利用不同波长光通过棱镜时折射率不同进 行分光，半宽度大于,5 10nm,。,光栅,利用光的衍射和干涉作用进行分光。波长范围宽，色散均匀，分辨率强,35,用比色法测定邻菲罗啉一亚铁配合物时，配合物的吸收曲线，如图,1,所示，今有,a,、,b,、,c,、,d,滤光片可供选用，它们的透光曲线如图,2,所示，你认为应选的滤光片为,-(),图,1,图,2,例,：用比色法测定邻菲罗啉一亚铁配合物时，配合物的吸收曲线，如图,1,所示，今有,a,、,b,、,c,、,d,滤光片可供选用，它们的透光曲线如图,2,所示，你认为应选的滤光片为？,图,1,图,2,36,3,、吸收池,由无色透明的普通光学玻璃或石英玻璃制成，,厚度：,0.5,cm,1.0cm,2.0cm,3.0cm,等,4,、检测器,光电转换器,类型：,光电池：半导体材料受到光照逸出电子产生电位差。,光电管，光电倍增管，光二极管阵列等。,5,、显示记录装置,37,三、几种仪器介绍,38,39,单波长双光束分光光度计的特点：,消除光源强度变化的影响,40,双波长分光光度计的特点：,1,）可测定,多组分,混合试样、混浊试样；,2,）测量时使用同一吸收池，,不用空白溶液作参比,，消除了参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差；,3,）使用同一光源来获得两束单色光，减小了由光源电压变化而产生的误差，,提高了检出限,。,4,）可测得导数吸收光谱。,41,13-5,UV-,Vis,吸收光谱法的应用,一、定性鉴别,定性依据,：多数有机化合物,具有吸收光谱特征,，例如吸收光谱形状、吸收峰数目、各吸收峰的波长位置、强度和相应的吸光系数值等。,结构完全相同的化合物应有完全相同的吸收光谱；但吸收光谱完全相同的化合物却不一定是同一个化合物,这是由于有机分子中的选择吸收的波长和强度，主要,决定于分子中的生色团和助色团及其共轭情况,。,42,利用,UV-,Vis,吸收光谱法进行化合物的定性鉴别，一般采用,对比法,。,1,比较法,通常以,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。,对比吸收光谱的特征数据（,max,、,max,）,43,对比吸收光谱的一致性（,max,、,max,、,峰形均须一致,）,44,2,计算最大吸收波长,利用紫外吸收光谱中的经验规律,计算,不饱和有机化合物的最大吸收波长,max,，,并,与实验值比较,，,从而推断其结构。,(1),Woodward-,Fieser,经验规则,可用于计算,共轭烯烃,及,，,-,不饱和羰基化合物的*跃迁,的最大吸收波长，,计算时以母体生色团的最大吸收波长,max,为基数，再加上连接在母体,电子体系上的不同取代基助色团的修正值；,(2),Scott,经验规则,它用于计算苯甲酸、苯甲醛或苯甲酸酯等,芳香族羰基衍生物,R,C,6,H,4,COX,的,max,。,45,46,（,1,）这两个化合物具有相同的母体基数，且都有两个共轭的双键。但它们在共轭系统中取代基的个数不一样，化合物（,a,）,有四个，而化合物（,b,）,只有三个，它们在紫外光区的最大吸收波长相差,5,nm,，,故可以用它们的紫外吸收光谱加以区别。,（,2,）这两个化合物虽然具有相同的母体基数、共轭双键数、,烷基取代数。但化合物（,a,）,是同环二烯且有二个,-,烷基取代，共增值,75,nm,。,而（,b,）,化合物有一个,-,烷基取代，有一个环外双键增值,23,nm,。,这两个化合物的吸收值差为增值,75,nm-23nm=52nm,。,故可以用它们的紫外吸收光谱区别。,紫外吸收光谱法不是定性分析的主要工具，但它可为,红外吸收光谱、核磁共振波谱和质谱等方法进行有机化合物的结构分析提供有用的信息。,47,二、有机化合物构型和构象的推断,48,max,=204nm,弱吸收,max,=245nm K,吸收带,=18000,L,moL,-1,cm,-1,49,三、定量分析,2,、,实验条件的选择,：,波长,：通常选择被测物质的,max,处，以提高灵敏度并减少测定误差。如有干扰，则应选择其它波长；,狭缝宽度,：应采用较大的狭缝宽度，但以不减小吸光度为原则；,吸光度值：,吸光度值应控制在某一范围内，以使测定相对误差较小；,有色化合物的形成,：显色剂的种类、显色剂的剂量、溶液的,pH,、,温度、显色时间、稳定性、干扰的掩蔽等。,1,、,定量依据,：,Beer,定律，物质在一定波长处的吸光度与浓,度成线性关系；,50,3,、单组分的定量分析,标准曲线法：配制一系列不同浓度的被测组分的标准溶液，在选定的波长和最佳的实验条件下，分别测定其,A,，以,A,与,C,作图得一条件直线，在相同条件下，再测量样品溶液的,A,，,然后从标准曲线上查得样品的浓度；,吸光系数法：,已知（或通过手册查到）,可根据公式求出待测物浓度；,目视比色法：基本同标准曲线法，只不过是用眼睛比较溶液颜色。误差较大，但简便。,51,4,、多组分的定量分析,解,联立方程,：若它们的吸收峰重叠，但不严重，且符合,Beer,定律，则根据吸光度的可加和性，可不经分离，在,n,个指定的波长处测量样品混合组分的吸光度，然后解,n,个联立方程，求出各组分的含量。如含有,x,y,两组分的混合物：,需要测定试样中的,n,个组分，若它们在吸收曲线上吸收峰,互相又,不重叠,，则可,按单组分,的方法分别测定；,52,当组分多时（,n5,），,该法对实验引起的误差十分敏感。为了减少误差，波长的选择十分重要。,波长的选择原则,如下：,1.,在所选波长位置,A,与,C,的线性,关系好；,2.,各组分的吸光系数比值要尽,可能大；,3.,应尽量选择峰顶位置，避免,选择陡坡位置；,4.,待测组分之间的浓度不能相,差太大。,53,例,：,1.0,10,-3,mol/L,的,K,2,Cr,2,O,7,溶液在波长,450,nm,和,530,nm,处的吸光度,A,分别为,0.200,和,0.050,。,1.0,10,-4,mol/L,的,KMnO,4,溶液在,450,nm,处无吸收，在,530,nm,处吸光度为,0.420,。今测得某,K,2,Cr,2,O,7,和,KMnO,4,的混合液在,450,nm,和,530,nm,处吸光度分别为,0.380,和,0.710,。试计算该混合溶液中,K,2,Cr,2,O,7,和,KMnO,4,浓度。假设吸收池长为,10,mm,。,54,解,：,=,530,nm,KMnO,4,A=0.420=,Mn,530,11.010,-4,Mn,530,=4200L/mol,cm,K,2,Cr,2,O,7,A=0.050=,Cr,530,11.010,-3,Cr,530,=50L/mol,cm =,450,nm,K,2,Cr,2,O,7,A=0.200=,Cr,450,11.010,-3,Cr,450,=200L/mol,cm ,在,=450nm,时,KMnO,4,无吸收,0.380=,Cr,450,1,C,Cr,Ccr=0.380/200=1.910,-3,mol,L,-1,在,=530nm,时,0.710=5011.910,-3,+42001C,Mn,C,Mn,=1.4610,-4,mol,L,-1,55,双波长分光光度法,采用双波长分光光度法，将,2,选择在被测组分的最大吸收波长处，参比波长,1,由作图法确定，如图,1,及,1,所示，所选择的,1,和,2,应符合以下条件：,1,、干扰组分在该两波长处的吸光度相同；,2,、,被测组分在该两处的吸光度差,A,要足够大,。,由吸光度具有加和性知：,56,双波长分光光度计的输出信号为,A,：,可见：,A,与被测组分浓度呈正比，与干扰组分无关。,所以,因,57,四、测定平衡常数,分光光度法可以测定酸碱离解常数，若为一元弱酸，在溶液中的离解反应为：,若测出,B,和,HB,，,就可算出,K,a,。,58,测定时，配,三份,不同,pH,的,HB,溶液：,一份,为强碱性溶液,(,C=B,-,),；,一份,为强酸性溶液,(,C=HB),；分别在,B,-,和,HB,吸收峰波长处测定吸光度，由此计算出,B,-,和,HB,的摩尔吸光系数。,第三份,为已知,pH,值的缓冲溶液,(,C=HB+B,-,),，其,pH,值在,pKa,附近，在测得该溶液,B,-,和,HB,的总吸光度后，用双组分测定法算出,B,-,和,HB,的浓度，即可计算出弱酸的离解常数。,59,