紫外、可见分光光度法

紫外、可见分光光度法分子光谱概述有机物吸收光谱与电子跃迁无机化合物的紫外吸收光谱紫外、可见分光光度法的应用紫外、可见分光光度计应用实例紫外一可见分光光度法（ultravioletvisiblespectrophotometry）是利用物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析的方法。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法（60-400nm）和可见分光光度法（400-750nm），合称为紫外—可见分光光度法。分子光谱概述1.1分子光谱的形成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-----分子吸收光谱。2.能级组成：物质分子内部除了电子相对于原子核的运动外，还有原子核在其平衡位置附近的相对振动和分子本身绕其重心的转动，因此除了电子能级(Electronenergylevel)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：rveΔΕΔΕΔΕΔΕh*MhMt0II可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包含了大量谱线并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带。这也是分子的紫外、可见光谱不是线状光谱而是带状光谱的原因。1.2分子光谱的类型（1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区，λ=250~25μm，形成的光谱称为远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，λ=25~1.25μm，称为红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差ΔΕe较大：1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，λ=1.25~0.06μm，称为紫外—可见光谱或分子的电子光谱。1.3光吸收定律：一、朗伯－比耳定律：１.光吸收定律的表达式及其含义布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系：A∝b1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系:A∝c二者的结合称为朗伯-比耳定律，其数学表达式为：A＝－lgT＝－lg（It/I0)=εbc式中：I0：入射光强度;I：投射光强度;A：吸光度；T：透射率It/I0；b：液层厚度(光程长度，吸收池厚度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-1；ε：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1。2.吸光度与透射率A＝-lgT＝-lg(It/I0)=εbcT＝10–A=10-εbcC1.00.50AC100500T%在实际测量中，采用在另一等同的吸收池中放入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较，即：A=lg(I溶剂/I溶液)≈lg(I0/It)吸光度具有加和性：A总λ=A1λ+A2λ+…Anλ3.吸光度的加合性多组分混合体系中，如果各组分分子之间不存在离解、聚合、化学反应等化学平衡时，其吸光度具有加合性，即：n1iiin1iiin1iicbbcAA3.摩尔吸光系数ε吸光物质的特征常数ε(λ)；在最大吸收波长λmax处，常以εmax表示。在温度和介质条件一定时，ε仅与吸光物质的结构与性质有关，可作为定性鉴定的参数；不随浓度c和光程长度b的改变而改变：ε＝bc/A。吸光能力与测定灵敏度的度量；εmax越大表明该物质的吸光能力越强，测定的灵敏度越高。ε105：超高灵敏；C=A/εb=0.01/105=10-7mol/Lε=(6～10)×104：高灵敏；C=A/εb=0.01/5×104=2×10-7mol/Lε104：不灵敏。C=A/εb=0.01/104=10-6mol/Lε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。A＝-lgT＝εbc４.吸光系数的几种表示方法：CbAC---mol/Lε---摩尔吸光系数L·mol–1·cm-1C--g/La---吸光系数L·g–1·cm-1abCAC--g/100mLE1%1cm---比吸光系数100mL·g–1·cm-1bCEA1%1cmMaE1.0.101%1cm、a、E1%1cm之间的相互换算：二、Beer定律的的局限性1.仪器偏离单色光Lambert–Beer定律的前提条件之一是入射光为单色光。但实际上难以获得真正意义上的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光谱通带。复合光可导致对朗伯-比耳定律的正或负偏离。1.00.50AC正偏离负偏离2.浓度的限制稀溶液Beer定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；此假定只有在稀溶液(C10-2mol/L)时才基本符合。当溶液浓度C10-2mol/L时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时，使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。3.化学偏离恒定的化学环境例如:铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：CrＯ42-＋2H＋=Cr2Ｏ72-＋H2ＯCrＯ42-、Cr2Ｏ72-的吸光性质不同，即ε(λ)不同。此时溶液pH对测定有重要影响。4.非均相体系偏离真溶液光吸收定律的假定：溶液必须是均相体系。胶体、乳胶、悬浮物、沉淀等非均相体系产生的光散射会引起对朗伯-比耳定律的偏离。5.最佳的吸光度测量范围-lnT＝εbCd[lnT]＝-εbdC0.4343dT/T＝-εbdCdC/C=0.4343dT/(TlgT)0lgΔ0.4343 CΔTTTTCT0lg0.4343lg0.4343Δ2TTTTA=-lgT＝0.4343T＝0.368△C/C×100=0.4343△T/(TlgT)×100=0.4343×(±0.01)/[0.368×(-0.4343)]×100=±2.7%最佳的吸光度范围：A＝0.2~0.8当△T=±0.01，即透射率的测量误差为1%时：0.00.51.01.52.02.53.03.54.0020406080100dC/C*100A0.000.250.500.751.001.251.501.752.000.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0dC/C*100A△T=0.01△T=0.01△T=0.005△T=0.005△T=0.001△T=0.001△T=0.0005△T=0.0005△T=0.0001△T=0.0001最佳的吸光度范围A＝0.2~0.8dC/C=0.4343dT/(TlgT)三、光谱吸收曲线的表示方法：将不同波长的单色光依次通过被分析物质，分别测得不同波长下的吸光度或透光率，然后绘制吸收强度参数－波长曲线，就可以得到该物质在测量波长范围内的吸收曲线。这种曲线体现了物质对不同波长的光的吸收能力，也称为吸收光谱。在紫外－可见光谱中，波长λ用Å或nm为单位，吸收强度参数用透光率T%、吸收率、A、ε、lgε表示。具有最大吸收值的波长——最大吸收波长λmax最大吸收强度－εmax1.logε~λnm(或埃)1232.logε~波数/cm-13.logε~频率/sec-1菲的吸收光谱4.ε~λnm(或埃)5.A~λnm(或埃)最常用的谱图6.T~λnm(或埃)456菲的吸收光谱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，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同；吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。有机物吸收光谱与电子跃迁分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。当外层电子吸收电磁辐射辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁类型，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊COHnpsH有机化合物的电子光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子1.跃迁类型(1)σ→σ＊跃迁所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；所有饱和有机化合物都可能产生的电子跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ200nm；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。吸收光谱通常在紫外范围以外；只能被真空紫外分光光度计检测到；其紫外-可见吸收光谱应用价值小，可作为溶剂使用；(2)n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，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→σ*跃迁。600215CH3NH2365258CH3I200173CH3CL150184CH3OH1480167H2Omaxmax（nm）化合物(3)π→π＊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，~200nm，εmax≥104，属于强吸收。可以发生在任何具有不饱和键的有机化合物分子中。例：CH2=CH2：λmax=165nm；CH≡CH：λmax=173nm但是随着共轭体系的增大或杂原子的取代，λmax向长波移动(4)n→π＊跃迁这类跃迁发生在近紫外光区和可见光区。其特点是摩尔吸光系数εmax小，谱带强度弱，属于禁阻跃迁。发生在含有杂原子的不饱和化合物中。该吸收带又称R带。（5）电荷转移跃迁：当分子形成配合物或分子内的两个大π体系相互接近时，电磁辐射照射后，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁，这实质上是一个内氧化——还原过程。电荷转移可以是离子间、离子与分子间、以及分子内的转移，条件是同时具备电子给体和电子受体。电荷转移跃迁吸收谱带的强度大，一般εmax104。2.常用术语(1)生色团：广义上，分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。分子中含有非键或p键的电子体系，能吸收特征外来辐射可产生π→π＊和n→π＊跃迁或吸收的结构单元，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C=C、羰基C=O、亚硝基N=O、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—CN、C=S等；生色团吸收带的位置受相邻取代基或溶剂效应的影响，吸收峰向长波或短波移动。(2)助色团：有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π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。通常是带有非键电子对的基团。常见助色团助色顺序为：-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-(3)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λmax和吸收强度ε发生变化:λmax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ε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。3.有机化合物的紫外、可见光谱（1）饱和烃及其取代衍生物：σ→σ*，n→σ＊跃迁（2）不饱和烃及其共轭烯烃：σ→σ*，π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1C=C发色基团，但p→p*200nm。max=162nmccHHHH取代基-SR-NR2-OR-ClCH3红移距离45(nm)