第六章-紫外吸收光谱分析.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,*,第六章 紫外吸收光谱分析,第一节 光的基本性质,一、光学分析法,（一）光学分析法,依据物质发射的电磁辐射或物质与电磁辐射相互作用而建立起来的各种分析法的统称。,（二）分类：,1,光谱法：利用物质与电磁辐射作用时，物质内部发生量子化能级跃迁而产生的吸收、发射或散射、辐射等电磁辐射的强度随波长变化的定性、定量分析方法,按能量交换方向分 吸收光谱法,发射光谱法,按作用结果不同分 原子光谱线状光谱,分子光谱带状光谱,2,非光谱法：利用物质与电磁辐射的相互作用测定电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性质变化的分析方法,分类：折射法、旋光法、比浊法、,射线衍射法,3,光谱法与非光谱法的区别：,光谱法：内部能级发生变化,原子吸收,/,发射光谱法：原子外层电子能级跃迁,分子吸收,/,发射光谱法：分子外层电子能级跃迁,非光谱法：内部能级不发生变化,仅测定电磁辐射性质改变,3,、发射光谱,4,、吸收光谱,例：,-,射线；,x-,射线；荧光,例：原子吸收光谱，分子吸收光谱,二、光谱法仪器,分光光度计,主要特点：五个单元组成,光源,单色器,样品池,检测器,记录装置,三、光的基本性质,光是一种电磁波,，,具有波动性和微粒性,1,、波动性,2,、微粒性,例如：,为,200nm,的光，一个光量子的能量是：,由于光量子能量小（,10,-19,J,），因此定义：,1eV,（电子伏）,=1.6021,10,-19,J,则,第二节 紫外吸收光谱的基本原理,一、分子吸收光谱的产生,能级：电子能级、振动能级、转动能级,价电子运动：电子绕原子核作相对运动,原子振动：分子中原子或原子团在其平衡位置上作相对振动,分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动,分子平动：,跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程,E,分子,=E,电子,+E,振动,+E,转动,+E,平动,式中：,E,电子,代表 分子中电子跃迁的能量,E,振动,代表分子的振动能量,E,转动,代表分子的转动能量，和分子的转动惯量有关,E,总,代表分子的总能量,E,平动,代表分子的平动能量，只和温度有关，对分子吸收光谱意义不大，可以不考虑,按照量子力学的观点，分子吸收外界能量时，只能吸收等于两个能级之差的能量，否则不能被吸收。,式中：,E2,终止态的能量,E1,起始态的能量,E,光子的能量,双原子分子能级示意图,分子的,“,电子光谱,”,是由许多线光谱聚集在一起的带光谱组成的谱带，称为,“,带状光谱,”,。,由于各种物质分子结构不同,对不同能量的光子有选择性吸收,吸收光子后产生的吸收光谱不同,利用物质的光谱进行物质分析的依据。,二、光的吸收定律,当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。,如果入射光的强度为,I,0,，吸收光的强度为,Ia,，透过光的强度为,It,，反射光的强度为,Ir,，则,:,I,0,Ia,It,Ir,在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为,:,I,0,Ia,It,透过光的强度,It,；与入射光的强度,Io,比之比称为透光度或透光率，用,T,表示。,T,It/Io,（,1,）,Lambert,定律,当一束单色光通过,浓度一定,的溶液时，液层厚度愈大，光线强度减弱愈显著。,（,2,）,Beer,定律,当一束单色光通过,液层厚度一定,的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。,令：,A=-log T,，,A,定义为吸光度,A=-logT=ELC,例,1.,有一单色光通过厚度为,1cm,的有色溶液,其强度减弱,20%,。若通过,5cm,厚度的相同溶液,其强度减弱百分之几,?,解：,lg,T,1,c,1,=,lg,T,2,5,c,1,lg,T,2,=5lg,T,1,=5,lg0.80=-0.485,T,2,=32.7%,即减弱,67.3%,吸光度具有加和性。,A,总,Aa+Ab+Ac+,。,应用,;,进行光度分析时，试剂或溶剂有吸收，则可由所测的总吸光度,A,中扣除，即 以试剂或溶剂为空白的依据；,测定多组分混合物；,校正干扰。,2,、吸光系数,定性的依据,:,在一定条件下（如单色光波长，溶剂一定、温度一定等），不同物质对同一波长的单色光，可以有不同的吸光系数。,定量的依据,:,在稀溶液的条件下，液层厚度一定时，吸光度和浓度呈线性关系，此时吸光系数是斜率，其值越大，灵敏度越高。,（,1,）摩尔吸光系数,：,含义：指浓度为,1mol/L,的溶液，在液层厚度为,1cm,时的吸光度。,10,4,，为强吸收,10,2,10,4,，为中强吸收,10,2,，为弱吸收,（,2,）比吸收系数或称为百分吸收系数，,含义：指浓度为,1,（,w/v,）的溶液，用厚度为,1cm,吸收池时的吸光度,例：氯霉素（,Mr,323.15,）的水溶液在,278nm,有最大吸收。假设用纯品配制,100ml,含,2.00mg,的溶液，以,1.00cm,厚的吸收池在,278nm,处测得透光率为,24.3,。求吸光度,A,和吸光系数,、。,解：,A=-logT=-log0.243=0.614,3,、引起偏离,Lambert-Beer,定律的因素,（,1,）吸收定律本身的局限性,只有在稀溶液中才能成立,（,2,）化学因素,溶液中的溶质可因,c,的改变而有离解、缔合、配位以及与溶剂间的作用等原因而发生偏离,L-B,定律的现象。,（,3,）仪器因素（非单色光的影响）,目前各种方法所得到的入射光是具有一定波长范围的波带，而非单色光,单色光的纯度愈差，吸光物质的浓度愈高，偏离朗伯,-,比耳定律的程度愈严重。,（,4,）其它光学因素,散射和反射 非平行光,三、电子跃迁的类型,价电子,成键的价电子,电子 饱和的,键,电子 不饱和的,键,非成键的价电子,n,电子,轨道,电子围绕原子或分子运动的几率,轨道不同，电子所具有能量不同,基态与激发态：,电子吸收能量，由基态激发态,预备知识：,两个氢原子形成一个氢分子时，两个氢原子上的,S,电子形成,键后能量降低了，成为更稳定的状态,成键轨道，以,表示,分子外层还有一种更高的能级存在，称为反键轨道，以,*表示,成键轨道与反键轨道：,n,*,*,低 高,外层电子的跃迁类型：,1,、,*跃迁,*的能量差大,所需能量高,吸收峰在远紫外,(,n,*,*n,*,200nm,以下,150,250nm 200nm 200,700nm,第三节 有机化合物的紫外吸收光谱,一、紫外吸收光谱曲线的表示方法,二、紫外光谱中常用的光谱术语,1,、发色团和助色团,（,1,）生色团（发色团）：具有,轨道的不饱和官能团称为发色团,有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团,具,n,电子和,电子的基团,产生,n,*,跃迁和,*,跃迁,跃迁,E,较低,例：,C,C,；,C,O,；,C,N,；,N,N,注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强,（,2,）助色团：本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收 峰加强同时使吸收峰长移的基团,有机物：连有杂原子的基团,例：,OH,，,OR,，,NH,2,，,NR,2,，,X,当这些基团单独存在时一般不吸收紫外,-,可见区的光辐射。但当它们与具有轨道的生色基团相结合时，将使生色团的吸收波长长移（红移），且使吸收强度增强（助色团至少要有一对与生色团,电子作用的孤对电子）,2,、红移和蓝移,由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后,吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）,吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）,3,、增色效应和减色效应,增色效应：吸收强度增强的效应,减色效应：吸收强度减小的效应,4,、吸收带,（,1,）,R,带：,由含杂原子的不饱和基团的,n,*,跃迁产生,C,O,；,C,N,；,N,N,E,小，,max,250,400nm,，,max,200nm,，,max,10,4,共轭体系增长，,max,红移，,max,溶剂极性，,对于,(,CH,CH,),n,max,不变,对于,CH,C,CO,max,红移,3,B,带：,由,*,跃迁和苯环的振动的重叠引起的产生,芳香族化合物的主要特征吸收带,max,=254nm,，宽带，具有精细结构；,max,=200,极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失,4,E,带：,由苯环环形共轭系统的,*,跃迁产生,芳香族化合物的特征吸收带,E,1,180nm ,max,10,4,（常观察不到）,E,2,200nm ,max,=7000,强吸收,苯环有发色团取代且与苯环共轭时，,E,2,带与,K,带合并,一起红移（长移）,有机化合物结构与紫外信息的关系,（1）,200-400,nm,无吸收峰。饱和化合物，单烯。,（2）,270-350,nm,有吸收峰（,=10-100,）醛酮,n,*,跃迁产生的,R,带。,（3）,250-300,nm,有中等强度的吸收峰（,=200-2000,），芳环的特征 吸收（具有精细解构的,B,带）。,（4）,200-250,nm,有强吸收峰（,104,），表明含有一个共轭体系（,K,）带。,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,。,第四节 影响紫外光谱的因素,1,溶剂效应：,对,max,影响：,n-,*,跃迁：溶剂极性，,max,蓝移,-,*,跃迁：溶剂极性，,max,红移,对吸收光谱精细结构影响,溶剂极性，,苯环精细结构消失,溶剂的选择,极性；纯度高；截止波长,max,2,pH,值的影响：,影响物质存在形式，影响吸收波长,例：苯胺，以乙醇作溶剂，,max,为,230nm,以稀酸作溶剂，,max,为,203nm,利用溶剂,pH,值不同对光谱的影响，可以测定化合物结构中的酸性或碱性基团,3,、超共轭效应,在共轭体系中，如果存在烷基取代，则烷基的,C-H,键的,电子和共轭体系的,电子会产生重叠，使电子活动范围扩大，跃迁能量降低，吸收峰波长向长波长方向移动，这种作用为超共轭效应。,4,、助色效应,助色团和某些生色团相连时，使吸收波长,max,红移，吸收强度增大，这种效应称为助色效应。,第五节 紫外可见分光光度计,一、光源：提供入射光的装置,光源的发光面积应该小，同时应附有聚光镜把光聚集在单色器的进光狭缝。,1,、钨灯,:,作为可见光源，适用范围为,350,1000nm,2,、氢灯或氘灯,作为紫外光源，是一种气体放电发光的光源，发射,200,400nm,的连续光谱，,二、单色器：包括狭缝、准直镜、色散元件,1,、色散元件,功能：把混合光分散为单色光的元件,棱镜,对不同波长的光折射率不同,分出光波长不等距,色散元件 长,区密，短,区疏,光栅,衍射和干涉,分出光波长等距,2,、准直镜,准直镜是以狭缝为焦点的聚光镜。,3,、狭缝,入口狭缝：限制杂散光进入,出口狭缝：使色散后所需波长的光通过。,狭缝的宽度对分光质量影响：狭缝,过宽,，单色光,不纯,；狭缝,太窄,，则光通量小，灵敏度降,低,三、吸收池：,玻璃,能吸收,UV,光，仅适用于可见光区,石英,不能吸收紫外光，适用于紫外和可见光区,要求：,匹配性（对光的吸收和反射应一致）,四、检测器：将光信号转变为电信号的装置,光电换能器，是把所接受到的光信号转变成电信号的元件,常用的有：,光电管和光电倍增管,1,、光电管,90V DC,直流放大,阴极,R,-,+,光束,e,阳极丝（,Ni,）,抽真空,阴极表面可涂渍不同光敏物质,产生的光电流约为硒光电池的,1/10,。,优点：,阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。,缺点：,有微小暗电流（,Dark current,，,40,K,的放射线激发）。,900V dc,90V,1,2,3,4,5,6,7,8,9,阳极,阴极,石英封,读出装置,R,光电倍增管（,PMT,）电路图,优点：,高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。,缺点：,热发射强，因此暗电流大，需冷却（,-30,o,C),。不得置于强光,(,如日光,),下，否则可永久损坏,PMT,！,2,、光电倍增管,五、显示器,光电 管输出的光电流很小，需要经过放大后才能以某种方式将测定结果显示出来。,常用的显示装置有,:,检流计、曲线扫描、荧光屏显示等，数据工作站。,电表指针、数字显示、荧光屏显示等；显示方式：,A,、,T(%),、,c,等,第六节紫外吸收光谱的应用,一、定性分析,吸收光谱的形状,吸收峰的数目,吸收峰的位置（波长）,吸收峰的强度,相应的吸光系数,定性鉴别的依据,吸收光谱的特征,(,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,二、有机化合物分子结构的推断,1.,推测官能团,200,280nm,无吸收,不含不饱和键，不含苯环，,可能是饱和化合物,210,250nm,强吸收,*,，,2,个共轭单位,260,350nm,强吸收,*,，,3,5,个共轭单位,270,350nm,弱吸收,n,*,，无强吸收，,孤立含杂原子的双键,C=O,-NO,2,-N=N-,260nm,（,230,270,）中吸收,*,，有苯环,2,、异构体的判断,（,1,）,顺反异构体的判断,生色团和助色团处在同一平面上时，才产生最大的共轭效应。,由于反式异构体的空间位阻效应小，分子的平面性能较好，共轭效应强。因此，反式异构体的吸收峰波长及强度都大于顺式异构体的吸收峰波长及强度。,顺式,280nm 13500,反式,295nm 27000,肉桂酸,(2),互变异构体的判断,例如：乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式两种互变异构体,：,酮式异构体没有共轭体系，在近紫外光区没有强吸收，只是在为,272nm(,为,16),处有弱吸收，是,n,*,跃迁所产生,R,吸收带。,烯醇式异构体有共轭体系，所以在近紫外有强吸收，为,243nm(,为,16000),，是,*,跃迁共轭体系的,K,吸收带。,两种异构体的互变平衡与溶剂有密切关系,在极性溶剂如水中,在非极性溶剂如乙烷中，由于形成分子内的氢键,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,）,A,：,0.2,0.8,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,A,s,=C,s,L,被测溶液,A,x,=C,x,L,C,x,=C,s,A,x,/A,s,注意：,Cs,与,Cx,大致相当,（,2,）标准曲线法,A,C,X,A,X,配制一系列（,5,10,）个不同浓度的标准溶液，在适当,通常为,max,下，以适当的空白溶液作参比，分别测定,A,，然后作,A-c,曲线。,同条件下测定试样溶液吸光度,A,x,，查找对应的,c,x,。,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,=A,1,+A,2,+A,3,+,吸光度加和性,（,1,）吸收光谱互不重叠,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),第二种情况,:,部分重叠,在,1,处,a,、,b,组分都吸收,在,2,处,b,组分吸收，,a,组分不干扰,A,1,a+b,=A,1,a,+A,1,b,A,2,b,=,E,2,b,C,b,L,a b,1,2,（,3,）第三种情况,:,两吸收曲线互相重叠,第一法：解方程组,选定两个波长,1,及,2,，测得试液的吸光度为,A,1,和,A,2,，则可解方程组求得组分,a,、,b,的浓度,c,a,、,c,b,：,在,1,处：,在,2,处,第二法：等吸光度双波长（消去）法,找等吸收度点,四、光度法显色反应条件和测量条件的选择,（一）影响显色反应的因素及反应条件的选择,1,、显色反应的选择,（,1,）选择性好：干扰少或易排除；,（,2,）灵敏度高（,S,）：尤其是对低含量组分，一般选择,：,10,4,10,5,L/mol,cm,（,3,）有色化合物稳定、组成恒定,（,4,）有色化合物与显色剂的颜色差别大,2,、影响显色反应的因素及反应条件,(1),显色剂的用量,被测物质与显色剂的反应可用下列一般式表示：,M,十,R,MR,（被测物）（显色剂）（有色配合物）,为了使显色反应尽可能完全，一般应加入过量的显色剂。如果配合物稳定度高，而且在一定条件下能保持稳定，显色剂不必大量过量。在分析实践中，由于待测物质的浓度未知，稍过量的显色剂是必要的。,(2),溶液的酸度,酸度对显色剂浓度的影响,所用的显色剂不少是有机弱酸（以,HR,表示），酸度提高则平衡倾向于生成,HR,，使,R,的实际浓度降低，不利于显色反应的进行。因此。显色时溶液的酸度不能高于某一限度。此外，在不同的酸度下，,R,的浓度不同，有时可引起有色配合物配位数的改变。,酸度对被测离子形态的影响,当被测离子是容易水解的金属离子时，若酸度低于某一限度，被测离子形成羟基配合物、多核羟基配合物、碱式盐或氢氧化物沉淀，不利于光度分析。,对显色剂颜色的影响,许多有机显色剂具有酸碱指示剂的性质，随着,pH,的改变，显出不同的颜色，在选择酸度时必须考虑这种情况。例如,H,2,R H,+,+HR H,R,2-,（黄色）（橙色）（红色）,pH6.9,pH12.4,(3),显色时间,有些显色反应能瞬间完成，且有色化合物的颜色很快达到稳定状态，在较长时间内保持不变,有些显色反应虽能迅速完成，但由于空气的氧化、光的照射或其他原因使有色化合物的颜色逐渐减退,有些显色反应需要一定时间才能完成,(4),显色温度,对显色反应速度的影响。反应速度常随温度的升高而加快。,由于温度的升高可能导致某些有色配合物发生分解或氧化还原反应，因而会 使有色配合物破坏而不利于光度测定。,温度升高会引起有色配合物离解度的增大，使其稳定性降低而导致吸光度下降。,温度变化会使有色配合物的摩尔吸光系数改变，从而使吸光度发生改变。,在分析实践中，并不是每一显色反应都同时存在上述四个方面的影响。通过绘制吸光度一温度曲线可以确定反应的适宜温度。,（,5,）溶剂,通常，水溶性有色配合物因加入适当有机溶剂，使溶液的介电常数降低，使配合物离解度减小，或稳定性增大。有时，可增大速度,（二）分光光度法测量误差及实验条件的选择,误差可能来自光源的电压不稳定，光电元件灵敏度的变化和仪器刻度读数不准确等。,如果测量时透光率读数的绝对误差是,T,，对于同一台仪器，它基本上是常数。但由于吸光度与透光率之间是负对数关系，在不同,A,值时，同样的,T,的读数误差所引起的吸光度的绝对误差,A,是不同的。,A,值越大，由,T,引起的,A,也越大。,设 当,T,=,0.01,时，不同,T%,时所对应的,c/c,可从相关表查得：,当,T%,=36.8%,即,A,=0.434,时，,c/c,最小；,当,T%,在,15-65%,之间 即,A,在,0.2 0.8,范围内，,c/c,较小。,实际测定时：可通过控制溶液的,c,及,b,使,A,在,0.2,0.8,范围内。,2,、测量波长选择,入射光的波长对测定结果的灵敏度和准确度都有很大的影响。,选择时，应先绘制有色溶液的光吸收曲线。然后选用该溶液的最大吸收波长来进行测量。,如果试液中某种组分在同样的波长也有吸收，则对测定有干扰，这时，可选另一灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长,例：,3,，,3,-,二氨基联苯（,DAB,）和,Se,形成配合物,Se-DAB,的最大吸收波长在,340nm,波长处，,DAB,也有很强的吸收，在这种情况下，分析波长应选用次大吸收波长,420nm,，,否则测量误差较大。,3,、狭缝宽度,定性分析采用最小的狭缝宽度,定量分析中，为避免狭缝太小，出射光太弱而引起信噪比降低，可以将狭缝开大一点。通过测定,A,随狭缝宽度的变化规律，可选择出合适的狭缝宽度。狭缝宽度在某个范围内，,A,值恒定，狭缝宽度增大至一定程度时,A,减小，,合适的狭缝宽度是 在 吸光度不减小时的最大狭缝宽度。,4,、空白溶液的选择,（,1,）溶剂空白：当溶液中只有待测组分在测定波长下有吸收，而其它组分无吸收时,用纯溶剂作空白；,（,2,）试剂空白：如果显色剂或其它试剂有吸收，而待测试样溶液无吸,则用不加待测组分的其它试剂作空白；,（,3,）试样空白：如果试样基体有吸收，而显色剂或其它试剂无吸收,则用不加显色剂的试样溶液作空白；,（,4,）平行操作空白：用溶剂代替试样溶液，以与试样完全相同的分析步骤进行平行操作，用所得的溶液作空白。,例：钛,-H,2,O,2,和钒,-H,2,O,2,络合物的最大吸收波长分别在,415nm,和,455nm,处，取,50.00mL 1.06,10,-3,mol/L,钛,-H,2,O,2,溶液，定容,100mL,以,1cm,比色皿在,415nm,和,455nm,处测得吸光度分别为,0.435,和,0.246;,取,25.00mL 6.28,10,-3,mol/L,钒,-H,2,O,2,溶液，定容,100mL,以,1cm,比色皿在,415nm,和,455nm,处测得吸光度分别为,0.251,和,0.377,。取,20.00mL,钛钒混合液，加入,H,2,O,2,显色后定容为,100mL,，以上述相同的条件测得,A,415,=0.645,A,455,=0.553,求原混合液中钛和钒的浓度。,