第二章_紫外可见分光光度法.pdf

紫外、可见分光光度法ultraviolet-visible spectrophotometry内容提要第一节基本原理第二节光度法的误差及显色反应第三节紫外一可见分光光度计第四节紫外一可见吸收光谱与分子结构的关系第五节定性与定量分析方法电磁波谱区域200 nm 800 nm波数 1。8 107 106 105 104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3(cm-1)/_线 射Y-一线 X射紫外红Zrk红外波段跃壬 核迁层子迁 内电跃价电子跃迁分子 振动中红 外顺磁共 振微波波段分子 转动磁共振射频波段磁场中自旋 取向波长(m)10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 101 H-第一PE本原理IEI一、紫外一可见吸收光谱（一）分子吸收光谱1.分子具有电子能级、振动能级和转动能级E=E+E+E v r eEv：分子振动能；Er：分子转动能；Ee：价电子运动能 heXE=E-Ea=hv=1V4321纯电子 跃迁纯转动纯振动 跃迁 跃迁V二 064 20J-J双原子分子的三种能级跃迁示意图2.分子吸收光谱电子能级跃迁 能量较大(120eV),吸收光谱主要处于紫外一可见光区(2)振动能级跃迁能量约0.0251eV,吸收 光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱(3)转动能级跃迁能量约60250.003eV,吸收光谱位于远红外区(4)吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能 级间的能量差所决定，定性的依据（二）紫外一可见吸收光谱的产生有机化合物的紫外一可见吸收光谱是三种电 子跃迁的结果：0电子、冗电子、/7电子0 ji n%V。成键轨道6冗；反键轨道。*、左*非键轨道n(TJrblIbkukn o o反健反未成健成健成A JI*f JI一加6和一刀两种跃迁兀-兀*跃迁 能量低于of o*跃迁，近紫外光区 特征：摩尔吸光系数大，强吸收带如：乙烯的九侬为180 nm nf兀*跃迁 近紫外光区特点：谱带强度弱，摩尔吸光系数小，禁阻跃迁波数(cm-i)IO6v5 一4 3一2 1-10100000 50000 33000 2500020000 1666714286 12500远紫外区.近紫外区可见区A*I电荷转移;n,A yr、IA，100 200300 400波长(nm)500700800n-几种常见的紫外与可见吸收光谱（三）常用术语1.吸收光谱（吸收曲线）定义：用连续的光照射化合物的稀溶液，部分波长的 光被吸收，被吸收光的波长和吸收程度取决于有机物 的结构。以波长人为横坐标，吸光度A为纵坐标，即 得吸收光谱A图11吸收光谱示意图1.吸收峰2.谷3.肩峰4.末端吸收讨论：同一物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最 大处对应的波长称最大吸收波长几max 不同浓度的同一物质，其吸收曲线形状相似4max不变。而对于不同物质，吸收曲线形状和几max则不同吸收曲线可提供物质的结构信息（定性依据之一）不同浓度同一物质，在某一定波长下吸光度4 有差异，在几max处吸光度4的差异最大（定量依 据）2.发色团和助色团定义：也称生色团。分子中的某一基团能在一定 的波段范围内产生吸收而出现吸收带典型的生色团有瘦基、竣基、酯基、偶氮基、硝 基以及芳环等。特征:都含有n电子A助色团：有一些含有/?电子的基团（如一OH、OR、NH2 NHR、一X等），本身没有生色功 能，但当它们与发色团相连时，就会发生A 共趣 作用，增强生色团的生色能力3.紫移和红移A红移：由于取代基的作用或溶剂效应，导致发色 团的吸收峰向长波方向移动的现象称为向红移动紫移：发色团的吸收峰向短波方向移动的现象称 为向紫移动影响因素：1）共辗体系的存在一一红移ta CH2=CHX=165-200nm 而1,3丁二烯，X=217nm2）异构现象：使异构物光谱出现差异如限以哈水化合物两种结构：CH3CH0-H20CH3CH（0H）2已 烷中儿ax=290nm,结构为前者；水溶液中此峰消失，结构为后者3）空间异构效应-一红移如磔/侬CH02（289nin）,CHI3（349nm）4）取代基：红移或蓝移取代基含孤对电子，如械、-OH、-C1,红移；取代基为斥 电子基，如迅OCOR,蓝移5),罐：红移或蓝移/苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个 吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到23加7和287nm6)溶剂效应：红移或蓝移/由-广跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成键能力增加，蓝移：由4-%*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，红移/随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失（四）吸收带1R带）为f灯跃迁引起的吸收带。如锻基一co,-NO2、一CHO等，特点:吸收强度弱2.K带/为兀f JI*跃迁引起的，如共朝双键。特点:吸收峰 很强，共辗双键增加，入max向长波方向移动，max也 随之增加3.B带,为芳香化合物的特征吸收带。由于Ji-ji*跃迁和苯环的振动重叠引起,在极性溶剂中或苯环上有取代基时，复杂的B吸收带 简化，精细结构消失，出现一宽峰，中心在256nm4.E带,苯环结构中三个乙烯的 环状共物系统的跃迁/分为Ei和E2吸收带，其 中Ei在185nm附近，E2 在204nm,均为强吸收200 220 240 260 280 nm二、Lambert-Beer定律log =Klc式中：1 称为透光率，用符号T表示-log称为吸光度，用符号A表示10吸光度与透光率之间的关系为：A=_log T=Klc三、吸光系数（一）物理意义：吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度（二）吸光系数的表示方法1.摩尔吸光系数e 单位为L-moLcmT,表示吸光质点的浓度为1mol/L,溶液的厚度为1cm 时溶液对光的吸收能力，值越大，表示吸光质点对某波长的光吸收能力越强,测定的灵敏度就越高第二节光度法的误差及显色反应-v偏离LambertBeer定律的因素(一)化学因素Cr2O+H2O-2HCrO橙色Lax=350加2CrO+2H+黄色340 380 420 ao水溶液中Cr(VI)Xnm)两种离广的吸收曲线max=375nm（二）物理因素1.非单色光的影响2.非平行光3.杂散光杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成那定波长的选择二、测量误差及测量条件的选择（一）仪器测量误差A=log）=Kfc，=TogT=KcAc M-=-c A0 20 40 60 8()100当相对误差Ac/c最小时，求得368或A=0.434。即 当力二 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睐控制力的读数在 0媾围内（二）测量条件的选择1.测定波长的选择 吸收最大，干扰最小2.溶液吸光度的范围三、显色反应及显色条件的选择（一）显色反应和显色剂(1)选择显色反应时，应考虑的因素：灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在 测定波长处无明显吸收(2)氧化还原显色反应某些元素的氧化态，如Mn(MD、Cr(VI)在 紫外或可见光区能强烈吸收如：钢中微量镒的测定，Mn2+不能直接进行 光度测定2 Mn2+5 S2082-+8 H20=2 Mn04+10S042-+16H+Mn2+氧化成紫红色的Mn04+后，525 nm测定(3)配位显色反应当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外一 可见吸收光谱(4)显色剂无机显色剂：硫氧酸盐、钥酸钱、过氧化氢等几种有机显色剂:种类繁多偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物 后，颜色发生明显变化；偶氮肿ni等（二）显色条件的选择1.显色剂的用量2.溶液酸度pH3,显色温度及显色时间*()(min)四、参比溶液的选择用于调节仪器工作零点1.溶剂空白2.试剂空白3.试样空白第三节紫外一可见分光光度计基本组成（一）光源整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命可见光区：鸨灯或卤鸽灯，3602500 nm紫外区：氢、气灯。185400 nm（二）分光系统将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出 一任波长单色光的光学系统入射狭缝 准直镜 色散元件 聚焦装置 出射狭缝（三）吸收池（比色皿）吸收池主要有石英池和玻璃池两种紫外区须采用石英池可见区一般用玻璃池要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）（四）检测系统利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可 测的电信号常用：光电池、光电管、光电倍增管或光二极管 阵列（五）信号显示系统/检流计/数字显示/微机进行仪器自动控制,结果处理二、分光光度计的类型分单波长和双波长仪器1.单波长分光光度计(a)单光束(b)双光束特点：因光束几乎同时通过样品池和参比池，可消除光 源不稳产生的误差2.双波长分光度计单色器双波长分光光度计示意图=lg T2-=%be+AABi Aa=3=觊尻+AAbi和AAb2分别为在和九2处的背景吸收，当和九2相近时，背景吸收近似相等澳二炮3=4-&=(%-切血3.分光光度计的校正使用一段时间后,波长和吸光度将出现漂移波长标度校正:/错-铉玻璃（可见光区）,秋玻璃（紫外光区）第四节紫外一可见吸收光谱与分子结构的关系一、化合物的紫外吸收光谱（一,）【有机化合物】1.饱和燃只能产生。f 0*跃迁当饱和单键碳氢化合物中的氢原子被氧、氮、卤 素、硫等杂原子取代时，产生。*跃迁、长波移动2.不饱和化合物(1)不饱和崎，JI-II*(2)共辗烯煌 通过共飘作用，大口键，长波移动,强度也明显增加共辗双键越多，红移越大，甚至产生颜色/3-carotene 入max=455 nmlycopene 入max=74 nm(3)醛和酮均含有炭基，存在n、。、n三种电子，能实 现ri冗*跃迁，nf。*跃迁和叮f冗*跃迁Q,B不饱和醛酮:乙烯基Ji f Ji*跃迁吸收带红移至220260nm 埃基R带红移至31。330nm(4)芳香族化合物1)苯2)取代苯3)族化合物稠环芳香（二）无机物分子能级跃迁跃迁类至包括夕-d跃迁或称电荷转移跃迁以及dd,f-f跃迁或称配场跃迁1.电荷转移跃迁Mn+Z?m(t)+L(Z?1)-Fe3+-SCN Fe1+-SCN2.配场跃迁,过渡元素的d或F轨道为简并轨道，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，从而产生吸收光谱二、影响吸收光谱的主要因素溶剂极性九f 71*跃迁：红移；九T吸收带九max（正己烷）入 max（录4）九max（甲醇）九max（水）兀一九*230238237243rm*329315309305n f兀*跃迁：紫移；九J对光谱精细结构和吸收强度的影响随着溶剂极性的增大，分子振动受到限制，精细结构就会逐渐消失选择溶剂原则：(1)尽量选用低极性溶剂(2)能很好地溶解被测物，良好的化学稳定性(3)溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收表常用紫外一可见测定的溶剂溶剂使用波长范围/nm溶剂使用波长范围/nm水210甘油230乙醇210氯仿245甲醇210四氯化碳265异丙醇210乙酸甲酯260正丁醇210乙酸乙酯26096%硫酸210乙酸正酯260乙雄220苯280二氧六环230甲苯285二氯甲烷235口比咤303己烷200丙酮330环己烷200二硫化碳375三、的推算Woodward规贝！)(p127)链状环状异环同环co0基本值(nm)217214253增加一个共辗双键+30增环外双键+5烷基取代和环残余+5Ck Br+17+5量OH、OR+6SR+30第五节定性与定量分析方法一、定性鉴别定性依据f吸收光谱的特征,吸收光谱的形状,吸收峰的数目、位置（波长）、强度,相应的吸光系数三片一仲的奈外肢病的 me甲CH,CEH安宫黄体酮（M=38653）京=2401111=408快诺酮（M=298,43）A-UI=240lnm 砒=571主要应用：有机物分析，如化合物鉴定、结构分析（一）化合物的鉴定一般采用光谱比较法即将未知纯化合物的吸收光谱特征，如吸收峰的数 目、位置、相对强度以及吸收峰的形状，与已知纯化 合物的吸收光谱进行比较若未知物和纯已知物光谱非常一致（同一化合物）局限性较大（二）结构分析虽不能对化合物准确鉴定，但对化合物中官能团和 共辗体系的推测与确定非常有效同分异构体的判别：例：CH3 CH2CH2 X-CH3 CH 3 CH 2OHC-OHC2HC(I)(II)(I)在270nm处有最大吸收，吸收峰位置与丙酮相 同，而强度约为丙酮两倍/(II)由于双键共辗，吸收峰在400nm左右互变异构体的判别:例：乙酰乙酸乙酯o OCH3 CCH2一 C 一OC2HOH OCH3 C=CHCOC2H5酮式 烯醇式/酮式没有共甄双键，204nm有吸收/烯醇式有共飘双键，24511m有吸收区别顺反异构例：在顺式和反式肉桂酸中，顺式空间位阻大，不 易产生共辗；反式空间位阻小，易产生共辗/反式入 max=295 nm/J帧式入=280nm还可测定某些化合物的形成氢键的强度例：乙酰乙酸乙酯有酮式和烯醇式间的互变异构:求与水形成氢键的强度？0 0II IIC CH2 C _ 0c 2H5.式）CH3 C CH2 C 0c2 H5oo_C=CH-C OC2H5（烯醇式）ch3 C=CH-C OC2H5I IIHH图3.10酮式与水形成分子间氢键（能量大）烯醇式形成分子内氢键（能量小）二、定量分析法1.单一组分2.多组分1.单一组份A=K ci外标法单个标样cs 一直接比较法一求待定系数6-解析法（标准对照法）cx=（Ax-Cs）/As系列标样-标准曲线法一-求右的平均（工作曲线法）注意点:(1)标准样Cs的确定(2)用于简单试样体系(3)系列标样比单个标样更准确ii标准加入法系列标样加入-一系列标准加入法一一图解法作Z匕图，求时匕值2,多组分样品的定量分析方法依据吸光度的加和性：z=4+4+.+An（一）两组分光谱不重叠（二）两组分光谱部分重叠义1：测Ai-b组分不干扰 一可按单组分定量测Q过程：4今测定；*.今测定球和。；4”（三）两组分光谱完全重。1.解线性方程组法过程：40测定贯和那；为今测定球和根；混合样品测定A2击2.等吸收双波长法A*=+/Ab=题+选a的等吸收点儿和4今用=啰注：须满足两个基本条件选定的两个波长下二扰组分具有等吸收点选定的两个波长下待测物的吸光度差值应足够大3.导数光谱法四阶导数光谱八八三阶导数光谱二阶导数光谱一阶导数光谱透光度曲线提高分辨率，灵敏度（1）识别效应：辨认放大肩峰分辨重叠峰（相同峰值波长的宽谱带与窄谱带重叠，用导数光谱法分离出窄峰）（2）消除背景干扰n=2=2NdNd+CoNd+Co定量关系(dM/d不)=品注章.(3要获得良好的导数光(2)实际求导过程用/X代替“，即44以丸=船/成导餐嚼紧器收光翳噜受黑骨爱矗嵋