第三章_紫外-可见吸收光谱分析.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,*,*,*,第三章 紫外,-,可见吸收光谱分析,第一节,基本概念,1,、,发色团 分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或色基。象,C=C,、,C=O,、,CC,等都是发色团。发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同。,2,、,助色团 有些原子或基团，本身不能吸收波长大于,200nm,的光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动。并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。,3,、,长移和短移,某些有机化合物因反应引入含有未共享电子对的基团使吸收峰向长波长移动的现象称为长移或红移（,red shift,），这些基团称为向红基团；相反，使吸收峰向短波长移动的现象称为短移或蓝移（,blue shift,），引起蓝移效应的基团称为向蓝基团。另外，使吸收强度增加的现象称为浓色效应或增色效应（,hyperchromic,effect,）；使吸收强度降低的现象称为淡色效应（,hypochromic,effect,）。,4,、,吸收带分类,i R,带,它是由,n,*,跃迁产生的吸收带，该带的特点是吸收强度很弱，,max,100,，吸收波长一般在,270nm,以上。,ii K,带,K,带（取自德文：,konjuierte,共轭谱带）。它是由共轭体系的,*,跃迁产生的。它的特点是跃迁所需要的能量较,R,吸收带大，摩尔吸收系数,max,104,。,K,吸收带是共轭分子的特征吸收带，因此用于判断化合物的共轭结构。紫外,-,可见吸收光谱中应用最多的吸收带。,iii B,带,B,带（取自德文：,benzenoid,band,苯型谱带）。它是芳香族化合物的特征吸收带。是苯环振动及,*,重叠引起的。在,230,270nm,之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收，如图,2.20,。,iv E-,带,E,带（取自德文：,ethylenic,band,，乙烯型谱带）。它也是芳香族化合物的特征吸收之一（图,2.25,）。,E,带可分为,E1,及,E2,两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共轭乙烯键所引起的，也属,*,跃迁。,E,1,带的吸收峰在,184nm,左右，吸收特别强，,max,104,，是由苯环内乙烯键上的,电子被激发所致，,E,2,带在,203nm,处，中等强度吸收（,max,=7 400,）是由苯环的共轭二烯所引起。当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，,E,带和,B,带均发生红移，,E,2,带又称为,K,带。,苯的紫外吸收光谱（异辛烷）,第二,节 物质对光的选择性吸收,一、物质呈现的颜色,(,CuSO4,溶液为何是蓝色的?),可见光(400-750,nm)：,人眼能感觉到的光称。,各种颜色光波长范围是不同的：,黄光：580-600,nm；,蓝光：450-480,nm；,互补色光：如某两种颜色的光按照一定比例混合，成为了 白光，那这两种光称-。对应的两种颜色称互为补色.,白光是一种混合光，它由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色光按一定比例混合而成。,当一束白光照射溶液时,一些波长的光被吸收,另一些则透过,.,透射光刺激人眼而感到颜色的存在,.,溶液的颜色由透射光波长决定,.,例,:,CuSO4,溶液为何是蓝色的,?,答,:,因为,CuSO,4,溶液吸收白光中的黄光,而呈现蓝色,.,物质颜色和吸收光颜色之间的关系,物质颜色,吸收光,颜色,波长范围/,nm,黄绿,紫,400-450,黄,蓝,450-480,橙,绿蓝,480-490,红,蓝绿,490-500,紫红,绿,500-560,紫,黄绿,560-580,蓝,黄,580-600,绿蓝,橙,600-650,蓝绿,红,650-700,二、,物质对光的选择性吸收,当一束光照射到某物质或其溶液时，组成该物质的分子、原子或离子与光子发生,“,碰撞,”,，光子的能量就转移到分子、原子上，使这些粒子由最低能态（基态）跃迁到较高能态（激发态）：,M,+h M,*,这个作用叫物质对光的吸收。,分子、原子或离子具有不连续的量子化能级，仅当照射光光子的能量（,h,）,与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当时才能发生吸收。不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差也不相同。所以物质对光的吸收具有选择性。,三、,吸收曲线（吸收光谱）,吸光度,(,A)-,波长,(,),曲线称,-,。,光吸收程度最大处的波长叫,最大吸收波长，用,max,表示。,高锰酸钾的,max,=525nm,。,浓度不同时，光吸收曲线形状不同，最大吸收波长不变，只是相应的吸光度大小不同。,第,三节,光吸收的基本定律,一、,朗伯,-,比耳定律,1,、,产生过程：,1729,年，波格（,Bouguer,）,发现物质对光的吸收,A,与,吸光物质的厚度,b,有关。,1760,年，波格的学生朗白（,Lambert,）,发现，如果溶液的浓度一定，则光的吸收程,度,A,与液层的厚度,b,成正比,A=lg(I,0,/I)=k1,b,-,朗白定律,A,吸光度；,I,0,-,入射光强度；,I,透射光强度；,k,1,比例常数；,b-,液层厚度（光程长度）,1852,年，比耳（,Beer,）,发现：,当单色光通过液层厚度,b,一,定的有色溶液时，溶液的吸,光度,A,与溶液浓度,C,成正比：,A=lg(I,0,/I)=k,2,C,-,比耳定律,（,C-,有色溶液的浓度,k,2,-,比例常数 ）,将朗白定律与比耳定律合并起来,:,A=lg(I,0,/I)=K b c,该公式的物理意义为：当一束,平行,单色光,通过单一均匀的、非散射的吸光物质的,理想溶液,时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。该定律适用于溶液，也适用于其他均匀非散射的吸光物质（气体、固体），是,各类,吸光光度法定量分析的依据。,透光度,T,与吸光度,A,的关系：,T=I/I,0,A=lg(I,0,/I)=lg(1/T),问：,T=100%,时，,A=,？,1.,吸光系数,a,b C,c-g,L,-1,、,b-cm,，,-,L,g,-1,cm,-1,称吸光系数,a,例,1,：,Fe,2+,浓度为,5.0,10,-4,g,L,-1,的溶液,与邻二氮杂菲反应生成络合物,.,该络合物在波长,508,nm,比色皿厚度为,2,cm,时,测得,A=0.190,。,计算邻二氮杂菲亚铁的,a,。,(,铁,:55.85),解：根据比耳定律,A=a b c,a=A/b c=0.190/(2,5.0,10,-4,)=190 L,g,-1,cm,-1,二、吸光系数与摩尔吸光系数,2.,摩尔吸光系数,b c c-mol,L,-1,，,b-cm,，,-,L,mol,-1,cm,-1,称摩尔吸光系数,b c,（,1,）,是吸光物质在特定,波长,和,溶剂,情况下的一个,特征常数,，数值上等于,1,mol,L,-1,吸光物质,在,1,cm,光程中的,A,。,（,2,）,影响,值的因素：,内因,-,吸光物质分子结构；,外因,入射光波长；,（,3,）,是吸光物质吸光能力的量度,它可作定性鉴定参数，也可用以估量定量方法的灵敏度：,值愈大，方法灵敏度愈高。,通常，在,max,处：,10,5,超高灵敏的方法,（,6-10,）,10,4,高灵敏的方法,（,2-6,）,10,4,中灵敏的方法,2,10,4,不灵敏的方法,例,:,二乙基胺二硫代甲酸钠,(,铜试剂，,DDTC),光度法测铜，,436,=12800 Lmol,-1,cm,-1,；,双硫腙光度法测铜，,158000 Lmol,-1,cm,-1,，,灵敏度谁较高？,（,4,）,表观摩尔吸光系数（,）：,由实验结果计算,时，常以被测物质的总浓度代替吸光物质的浓度，这样计算的,值实际上是,表观摩尔吸光系数,。,（,5,）,与,a,的关系为：,=M a,式中,M,为物质的摩尔质量,例,1,：铁（,）浓度为,5.010,-4,gL,-1,的溶液,与,1,10-,邻二氮杂菲反应,生成橙红色络合物,.,该络合物在波长,508,nm,比色皿厚度为,2,cm,时,测得,A=0.190,。,计算,1,10-,邻二氮杂菲亚铁的,a,及,。,(,已知铁的相对原子质量为,55.85),解：根据比耳定律,A=a b c,得：,a=A/b c=0.190/(25.010,-4,)=190 Lg,-1,cm,-1,=M a=55.85190=1.110,4,Lmol,-1,cm,-1,第四节,偏离,郎伯,-,比耳定律的,原因,一、,由于非单色光引起的偏离,比耳定律只适用于单色光，但由于单色器色散能力的限制,目前各种分光光度计得到的入射光实质上都是具有某一波段的复合光。由于物质对不同波长光的吸收程度不同，因而导致对朗伯,-,比耳定律的偏离。,二、,溶液本身的化学和物理因素引起的偏离,1,、,由于介质不均匀性引起的偏离,当被测试液是胶体溶液、乳浊液或悬浊液物质时，入射光通过溶液后，除了一部分被试液吸收以外，还有一部分因散射现象而损失，使透光率减小，因而实测吸光度增加，导致偏离朗伯,-,比耳定律。,2,由于溶液中的化学反应引起的偏离,溶液中的吸光物质常因离解、缔合、形成新化合物或互变异构等化学变化而改变其浓度，因而导致偏离朗伯,-,比耳定律。,第五节,紫外,-,可见分光光度计,一、,紫外,-,可见分光光度计的基本结构,紫外,-,可见分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器以及数据处理及记录（计算机）等部分组成。,双光束分光光度计的原理图,紫外,-,可见分光光度计光路图,双波长分光光度计原理图,UV-300,紫外可见分光光度计光路图,一、有机物吸收光谱与电子跃迁,1,、紫外,可见吸收光谱,有机化合物的紫外,可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果,：,电子、,电子、,n,电子,。,分子轨道理论,：成键轨道,反键轨道。,当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态,(,反键轨道,),跃迁。主要有,四种跃迁,所需能量,大小顺序,为：,n,n,s,p,*,s,*,R,K,E,B,n,p,E,C,O,H,n,p,sH,第六节 无机物与有机物的紫外可见吸收光谱,2,、,跃迁,所需能量最大；,电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；,饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；,吸收波长,200 nm,；,例：甲烷的,max,为125,nm,乙烷,max,为135,nm。,只能被真空紫外分光光度计检测到；,作为溶剂使用；,s,p,*,s,*,R,K,E,B,n,p,E,3,n,跃迁,所需能量较大。,吸收波长为150250,nm，,大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。,含非键电子的饱和烃衍生物(含,N、O、S,和卤素等杂原子)均呈现,n,*,跃迁。,4,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10,4,L,mol,1,cm,1,以上，属于强吸收。,（1）不饱和烃,*,跃迁,乙烯,*,跃迁的,max,为162,nm，,max,为:1,10,4,L,mol,-1,cm,1,。,K,带,共轭非封闭体系的,p,p,*,跃迁,C=C,发色基团，但,*,200,nm,。,max,=162nm,助色基团取代,（,K,带)发生红移。,165,nm,217,nm,(,HOMO LVMO),max,基,-,是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；,无环、非稠环二烯母体：,max,=217,nm,共轭烯烃（不多于四个双键）,*,跃迁吸收峰位置可由,伍德沃德,菲泽,规则估算。,max基,+,n,i,i,（,2,）共轭烯烃中的,*,异环（稠环）二烯母体：,max,=214 nm,同环（非稠环或稠环）二烯母体：,max,=253 nm,n,i,I,:由双键上取代基种类和个数决定的校正项,(1),每增加一个共轭双键 +30,(2)环外双键 +5,(3)双键上取代基：,酰基（-,OCOR）0,卤素（-,Cl,，-Br）+5,烷基（-,R）+5,烷氧基（-,OR）+6,（3）,羰基化合物共轭烯烃中的,*,Y=,H,R,n,*,180-190nm,*,150-160,nm,n,*,275-295nm,Y=,-NH2,-OH,-OR,等助色基团,K,带红移，,R,带兰移；,R,带max,=205nm,；,10-100,K,K,R,R,n,n,165,nm,n,不饱和醛酮,K,带红移：165,250,nm,R,带兰移：290,310,nm,（4）,芳香烃及其杂环化合物,苯：,E,1,带,180,184,nm,；,=,47000,E,2,带,200,204,nm,=,7000,苯环上三个共扼双键的,*,跃迁特征吸收带；,B,带,230-270,nm,=,200,*与,苯环振动引起；,含取代基时，,B,带简化，红移。,max,（nm）,max,苯,254,200,甲苯,261,300,间二甲苯,263,300,1，3，5-,三甲苯,266,305,六甲苯,272,300,乙酰苯紫外光谱图,羰基双键与苯环共扼：,K,带强；苯的,E,2,带与,K,带合并，红移；,取代基使,B,带简化；,氧上的孤对电子：,R,带，跃迁禁阻，弱；,C,C,H,3,O,n,p*,;,R,带,p,p*,;,K,带,苯环上助色基团对吸收带的影响,苯环上发色基团对吸收带的影响,5.,立体结构和互变结构的影响,顺反异构,：,顺式：,max,=280nm；,max,=10500,反式：,max,=295.5 nm；,max,=29000,互变异构,：,酮式：,max,=204 nm,烯醇式：,max,=243 nm,立体结构和互变结构的影响,6.,溶剂的影响,非极性 极性,n,n,p,n,p,n跃迁,：,兰移；,；,*,跃迁：,红移；,；,max,(,正己烷),max,(,氯仿),max,(,甲醇),max,(,水),230,238,237,243,n,329,315,309,305,溶剂的影响,1：,乙醚,2：,水,1,2,250,300,苯酰丙酮,非极性,极性,n,*,跃迁：,兰移；,；,*,跃迁：红移；,；,极性溶剂使精细结构消失；,7.,生色团与助色团,生色团：,最有用的紫外可见光谱是由,和,n,跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有,键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基,NN、,乙炔基、腈基,C,N,等。,助色团：,有一些含有,n,电子的基团(如,OH、OR、NH,、NHR、X,等)，它们本身没有生色功能(不能吸收,200nm,的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生,n,共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长,max,和吸收强度发生变化:,max,向长波方向移动称为,红移,，向短波方向移动称为,蓝移,(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数,增大或减小的现象分别称为,增色效应,或,减色效应,，如图所示。,二、金属配合物的紫外吸收光谱,金属配合物的紫外光谱产生机理主要有三种类型：,1.配体微扰的金属离子,d,-,d,电子跃迁和,f,-,f,电子跃迁,在配体的作用下过渡金属离子的,d,轨道和镧系、锕系的,f,轨道裂分，吸收辐射后，产生,d,一,d、f,一,f,跃迁；,必须在配体的配位场作用下才可能产生也称,配位场跃迁,；,摩尔吸收系数,很小，对定量分析意义不大。,2.金属离子微扰的配位体内电子跃迁,金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。,3.,电荷转移吸收光谱,电荷转移跃迁：,辐射下，分子中原定域在金属,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,。,M,n,+,L,b-,M,(n-1)+,L,(b-1)-,h,Fe,3+,CNS,-,2+,h,Fe,2+,CNS,2+,电子给予体,电子接受体,分子内氧化还原反应,；,10,4,Fe,2+,与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。,第,七节,分析,条件的选择,一、,入射光波长的选择,最大吸收原则：选,max,的光作入射光。此时，灵敏度较高，测定时偏离朗伯,-,比耳定律的程度减小，其准确度也较好。,“,MR,的,吸收最大、,对,MR,测定的,干扰最小,”,的原则：当有干扰物质存在时，应据此来选择入射光的波长。,例,;,丁二酮肟比色法测钢中的,镍，丁二酮肟镍,max,470nm,，,试样中的铁用酒石酸钠钾掩蔽,后，在,470,nm,也有吸收，对测定,有干扰。当,测,500,nm,后，干,扰较小。因此，可在,520,nm,处测,定，,否则，要分离铁后才能测定,.,二、,控制适当的吸光度范围,为使测量结果的测量误差较小，准确度较高，应控制,A,在,0.2-0.8(0.434),范围内。方法：,1.,选择不同厚度的吸收池。,2.,控制溶液浓度，如改变试样称量和改变溶液稀释度等。,例,.,某钢样含镍约,0.12%,，用丁二酮肟光度法（,=1.3,10,4,L,mol,-1,cm,-1,）,进行测定。试样溶解后，转入,100,mL,容量瓶中，显色，再加入水稀释至刻度。取部分试液于波长,470,nm,处用,1,cm,吸收池进行测量，如果希望此时的测量误差最小，应称取试样多少？,(,镍,:58.69),解：,A=b C C=A/b,将,A=0.434 b=1 =1.310,4,Lmol,-1,cm,-1,代入上式,C=0.434/1.310,4,=3.34 10,-5,mol L,-1,设应称取试样,Wg,，,则,:,W 0.12%=100 10,-3,3.34 10,-5,58.69,W=0.16g,三、,选择适当的参比溶液,在吸光度测量中,必须将溶液装入由透明材料制成的比色皿中,.,由于材料及溶剂对,I,0,将产生一定的反射、吸收、散射等，最终导致,I,t,减弱。,参比溶液的作用：使光强度的减弱,仅,与溶液中待测物的浓度有关。,方 法：用光学性质及厚度相同的比色皿盛纯试剂作参比，调节仪器，使透过参比皿的,A=0,或,T=100%,。,选 用 原 则：,待测离子(,M),显色剂(,R),参比溶液的选用,无色,无色,纯溶剂或蒸馏水,有色,无色,试样空白（不加显色剂的待测试液）,无色,有色,试剂空白（不加,M,的显色剂）,有色,有色,将试样加适当掩蔽剂，将,M,掩蔽起来，然后加入显色剂作参比溶液,第八节,紫外吸收光谱的应用,物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团，就不会显著地影响其吸收光谱，如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光谱。另外，外界因素如溶剂的改变也会影响吸收光谱，在极性溶剂中某些化合物吸收光谱的精细结构会消失，成为一个宽带。所以，只根据紫外光谱是不能完全确定物质的分子结构，还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其他化学、物理方法共同配合才能得出可靠的结论。,一、,化合物的鉴定,利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如,C,C,C,C,、,C,C,C,O,、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为其他鉴定方法的补充。,如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。,如果在,210,250nm,有强吸收，表示有,K,吸收带，则可能含有两个双键的共轭体系，如共轭二烯或,，,-,不饱和酮等。同样在,260,，,300,，,330nm,处有高强度,K,吸收带，在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。,如果在,260,300nm,有中强吸收（,200,1 000,），则表示有,B,带吸收，体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则,可以大于,10 000,。,如果在,250,300nm,有弱吸收带（,R,吸收带），则可能含有简单的非共轭并含有,n,电子的生色基团，如羰基等。,（,1,）与标准物、标准谱图对照：将样品和标准物以同一溶剂配制相同浓度溶液，并在同一条件下测定，比较光谱是否一致。,（,2,）吸收波长和摩尔吸收系数：由于不同的化合物，如果具有相同的发色基团，也可能具有相同的紫外吸收波长，但是它们的摩尔吸收系数是有差别的。如果样品和标准物的吸收波长相同，摩尔吸收系数也相同，可以认为样品和标准物是同一物质。,二、,纯度检查,如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。,三、,异构体的确定,对于异构体的确定，可以通过经验规则计算出,max,值，与实测值比较，即可证实化合物是哪种异构体。,如,:,乙酰乙酸乙酯的酮,-,烯醇式互变异构,溶剂：,1.,己烷；,2.,乙醇；,3.,水,乙酰乙酸乙酯的紫外吸收曲线,四、,位阻作用的测定,由于位阻作用会影响共轭体系的共平面性质，当组成共轭体系的生色基团近似处于同一平面，两个生色基团具有较大的共振作用时，,max,不改变，,max,略为降低，空间位阻作用较小；当两个生色基团具有部分共振作用，两共振体系部分偏离共平面时，,max,和,max,略有降低；当连接两生色基团的单键或双键被扭曲得很厉害，以致两生色基团基本未共轭，或具有极小共振作用或无共振作用，剧烈影响其,UV,光谱特征时，情况较为复杂化。在多数情况下，该化合物的紫外光谱特征近似等于它所含孤立生色基团光谱的“加合”。,五、,氢键强度的测定,溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的,UV,光谱有较大的影响。对于羰基化合物，根据在极性溶剂和非极性溶剂中,R,带的差别，可以近似测定氢键的强度。溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的,UV,光谱有较大的影响。对于羰基化合物，根据在极性溶剂和非极性溶剂中,R,带的差别，可以近似测定氢键的强度。,七,定量分析,1,、,朗伯,-,比尔定律,朗伯,-,比尔定律是紫外,-,可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础，它的数学表达式为,:,A,=,b c,2,、,比较法,在相同条件下配制样品溶液和标准溶液，在最佳波长,最佳处测得二者的吸光度,A,样和,A,标，进行比较，按,下,式计算样品溶液中被测组分的浓度,3,、,标准曲线法,配制一系列不同浓度的标准溶液，在,最佳处分别测定标准溶液的吸光度,A,，然后以浓度为横坐标，以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线，在完全相同的条件下测定试液的吸光度，并从标准曲线上求得试液的浓度。该法适用于大批量样品的测定。,4,、,多组分物质的定量分析,1,、,吸收光谱的单向重叠,(,略,),2,、,吸收光谱相互重叠,(,略,),返 回,