第四章紫外可见分光法

28第四章紫外-可见分光光度法(UV-VIS)教学重点:原理、仪器构造、有机物分析中的应用教学难点:助色基团对生色基团的影响§1基本原理一．定义紫外-可见分光光度法又称为紫外-可见吸收光谱法.利用物质的分子对紫外光和可见光（200-800nm）的吸收来进行定性、定量分析及结构分析的一类方法.二.特点1.灵敏度高可测定ug/mL级的物质,在某些条件下可达ng/mL级;2.准确度高相对误差一般≤1%;3.选择性好一般不需分离可测定多组份共存试液中的某个待测组份或多组份;4.操作简便、快速;5.应用范围广:广泛用于无机和有机物的定性和定量测定外,还可用于结构分析以及有关物理化学常数如:平衡常数、配合物的配合比等的测定;不仅适用于微量组份的测定,而且也可用于常量组份(示差分光光度法)以及多组份同时测定.三.紫外-可见吸收曲线及定性、定量依据当一束紫外或可见光照射分子时，若分子中的某些价电子的能级差△E电恰好等于某一波长(或频率)的紫外或可见光的光能时,则该波长(或频率)的光就会被该物质选择性地吸收,价电子就会从基态跃迁到激发态.以物质对不同波长的光的吸收程度A为纵坐标,以波长λ为横坐标作图,所绘制的A—λ曲线即为紫外-可见吸收光谱.见图。某物质的紫外-可见吸收光谱反应了它在不同的光谱区域内吸收能力的分布情况.表现在波形、波峰的强度、位置及数目上.分子内部电子能级的跃迁而产生的光谱位于紫外或可见区内.不同的物质,其分子结构不同,紫外-可见吸收光谱也就不同.从波形波峰的强度位置及数目据此可以进行定性和结构分析.而物质对光的吸收程度A服从朗伯-比尔定律（定量基础）：29A=KLC或:A=εLC式中:A--吸光度;L--液层厚度,cm;C--物质的浓度;K—吸光系数;当C为g·L-1时,K的单位为L·g-1·cm-1;C以mol·L-1表示时,K用ε表示,单位为L·mol-1·cm-1ε—摩尔吸光系数.K和ε与入射光的波长、溶液的性质以及温度有关.§2紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系一、紫外-可见吸收光谱与电子跃迁紫外-可见吸收光谱是由于分子中价电子能级跃迁的结果.与紫外-可见吸收光谱有关的电子主要有:形成单键的σ电子、形成双键的π电子以及未参与成键的n电子(孤对电子).用乙醛分子示例如下:根据分子轨道理论,这三种电子的能级顺序为:σπnπ*σ*σ、π—成键分子轨道;n—非键分子轨道;σ*、π*—反键分子轨道;σ、σ*轨道由原属于原子的s电子和px电子构成,π、π*轨道由原属于原子的py电子和pz电子构成,n轨道由原子中未成键的p电子构成.当化合物吸收光辐射后,分子中的电子跃迁方式有以下几种类型:1.σ→σ*跃迁电子从σ轨道跃迁到σ*轨道称为σ→σ*跃迁.饱和有机物都可能产生此类跃迁，如CH4σ→σ*跃迁所需能量最大,所吸收的辐射的波长最短,处于200nm的远紫外区.目前仪器还难以在远紫外区工作。2.n→σ*跃迁30电子从n轨道跃迁到σ*轨道称为n→σ*跃迁.含有未共用电子对的杂原子(N、S、O、P和卤素原子等)的饱和有机物都可发生这种跃迁，如CH3OH。n→σ*跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小,吸收峰波长在200nm附近,但大多数仍出现在200nm的区域.3.π→π*跃迁电子从π轨道跃迁到π*轨道称为π→π*跃迁.具有双键或叁键(如含C=O、C=C、-C=-等)的不饱和有机物可发生的这种跃迁.如CH2=CH2。π→π*跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小,与n→σ*跃迁差不多,相当于200nm附近的紫外光,吸收峰的波长一般在200nm附近,但共轭体系中的π→π*跃迁所需能量降低,波长向长波方向移动,相当于200nm-700nm的紫外可见光.4.n→π*跃迁电子从非键的n轨道跃迁到π*轨道称为n→π*跃迁.含有杂原子双键(如:C=O,-N=O,C=S,-N=N-等)的不饱和有机化合物可发生的这种跃迁.如乙醛。n→π*跃迁所需的能量较小,相当于200nm-400nm的紫外光.5.σ→π*跃迁和π→σ*跃迁电子从σ轨道跃迁到π*轨道或电子从π轨道跃迁到σ*轨道分别称为σ→π*跃迁和π→σ*跃迁.这两种跃迁所需能量比σ→σ*跃迁小,但相应的波长还是200nm,属远紫外区,很少讨论.6.电荷转移(p→d跃迁):(无机化合物)7.配位体场跃迁(d→d跃迁,f→f跃迁):(无机化合物)由于紫外-可见分光光度计的测量范围为200-1000nm,所以紫外-可见吸收光谱法主要研究的是:n→π*跃迁和共轭体系的π→π*跃迁.二.发色团与助色团,红移与兰移1.发(生)色团与助色团分子中能产生n→π*跃迁或π→π*跃迁的结构单元称为发(生)色团.即:含有一个或多个不饱和键的基团.例如:C=C,C=O,C=C-O-,-N=O,-N=N-,-COOH等.本身不吸收紫外可见光,但与发色团相连时,可使发色团吸收峰向长波方向移动并增加其强度的官能团称为助色团.例如:-OH,-NH2,-OR,-SH,-X等含杂原子的饱和基团.这些基团中都含有孤对电子,与发色31团中的π电子相互作用,使π→π*跃迁能量降低,并引起吸收峰位移.2.红移与兰移某些有机物经取代反应引入含未共用电子对的基团(-OH,-NH2,OR,-SH,-Cl,-NR2,-SR等)后,吸收峰波长λmax将向长波方向移动,这种效应称为红移效应.可使某化合物的λmax向长波方向移动的基团称为向红基团.在某些发色团(如:C=O)的碳原子一端引入取代基之后,吸收峰波长λmax会向短波方向移动,这种效应称为兰移效应.可使某化合物的λmax向短波方向移动的基团称为向兰基团.如:-CH2，-CH2CH3等.三.影响紫外可见吸收光谱的因素1.共轭效应当两个或以上的发色团被一个单键隔开形成共轭体系时,由于大π键的形成使各能级间能量差减小,跃迁所需能量减小,使吸收峰的波长红移,吸收强度增加的效应称为共轭效应.随着共轭体系的增加,吸收峰的波长和吸收强度呈规律性的改变.2.助色效应当助色团与发色团相连时,助色团的n电子与发色团的π电子共轭,使吸收峰向长波方向移动,吸收强度增强的现象称为助色效应.3.超共轭效应烷基上的σ电子与共轭体系中的π电子共轭,使吸收峰向长波方向移动,吸收强度增强的现象,称为超共轭效应.超共轭效应的影响比共轭效应小得多.例如:CH2=CH-CH=CH2λmax=217nm；CH3-CH=CH-CH=CH2λmax=222nm4.溶剂效应由溶剂的极性强弱引起的吸收峰波长发生移动,吸收强度和形状发生改变的现象称为溶剂效应.极性溶剂比非极性溶剂影响大.极性溶剂使n→π*跃迁所产生的吸收峰向短波方向移动；而π→π*跃迁吸收峰则随溶剂极性增大而向长波方向移动.极性越大,位移幅度也越大.紫外可见吸收光谱应注明所用的溶剂,所选溶剂应该在待测物质的吸收范围内无吸收.5.空间效应由于空间障碍,妨碍两个发色团处于同一平面(处于同一平面能产生最大的共轭效应),使共轭程度降低,吸收峰向短波方向移动,吸收强度降低的现象称为空间效应.见书32四.吸收带(略)五.有机物的紫外可见特征吸收光谱带1.饱和有机物饱和碳氢化合物只有σ电子,产生σ→σ*跃迁,属远紫外区,在紫外可见光谱中常作溶剂.当饱和碳氢化合物中的氢被助色团取代时,由于有n电子,可产生n→σ*跃迁,吸收峰红移.例如:CH4λmax=122nm,CH3Brλmax=204nm.2.不饱和有机物(1)含有孤立双键的化合物烯烃的跃迁类型为:π→π*跃迁.吸收峰160-200nm,例如:乙烯的λmax为165nm,当双键上的碳被杂原子替代时,(如:C=O,C=S等),还可产生n→π*跃迁和n→σ*跃迁,使吸收峰红移.(2)含有共轭双键的化合物共轭效应降低了π→π*跃迁所需能量,含共轭体系的化合物的吸收强度和吸收峰波长随共轭体系的增加而增加.3.芳香族化合物苯在180nm、204nm和254nm处有3个峰.均是由π→π*跃迁产生.其中,其204nm和254nm处的吸收峰位置和吸收强度会随着取代基的性质和位置而变.见p311表10-5.六．无机物的紫外可见吸收光谱1.电荷转移吸收光谱当分子中同时具有电子给予体和电子接收体时(如:无机配位化合物),在外来辐射的激发下,会强烈吸收紫外光和可见光,从而使电子从给予体外层轨道向接收体跃迁,产生的光谱称为电荷转移吸收光谱.例如:Fe3+----SCN-hv→Fe2+-SCN接收体给予体一个电子由配位体SCN的轨道跃迁到与中心离子Fe3+相关的轨道上时,产生了电荷转移吸收光谱.在配合物的电荷转移过程中,金属离子是电子接收体,配位体是电子给予体.正是由于电荷转移,才使一些具有d10电子结构的过渡元素形成的卤化物及硫化物33如:AgBr、PbI2、HgS等产生颜色.电荷转移吸收光谱谱带的最大特点是:摩尔吸光系数大,一般,εmax104，常用来进行定量分析.2.配位体场吸收光谱配位体场吸收光谱是指由过渡金属离子与配位体所形成的配合物(有机化合物),在外来辐射的作用下,吸收紫外光或可见光而得到的相应吸收光谱.第四、五周期的过渡元素分别含有3d或4d轨道,镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道,是简并轨道,在配位体场的作用下,原来简并的5个d轨道和7个f轨道分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道.如果轨道未充满,当它们的离子吸收光能后,低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d轨道或f轨道上去.这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f-f跃迁.由于它们的基态和激发态之间的能量差别不大,这类光谱位于可见光区,吸光系数不大,εmax102，较少用于定量分析,但可用于研究配合物的结构及无机配合物配合键理论等.§3紫外-可见分光光度计一.仪器基本构成由光源、分光系统、吸收池、检测系统组成.见图1.光源发射稳定性好、强度高的连续紫外可见光。有热辐射光源和气体放电光源两类.热辐射光源用于可见光区,如钨丝灯和碘钨灯，340-2500nm；气体放电光源用于紫外光区,如氢灯和氘灯，160-375nm.2.分光系统分光系统将光源发射的复合光分成单色光.由入射狭缝、色散元件、出射狭缝等组成.色散元件：棱镜和光珊,起分光作用。狭缝挡掉干扰光，狭缝的大小影响单色光的纯度,但狭缝太小又会减弱光强.3.吸收池吸收池盛放样品溶液或参比溶液.石英池用于可见光和紫外光,玻璃池只能用于可见光.4.检测系统检测系统由检测器和信号显示器组成。检测器将光信号转变成电信号；信号显示器将检测器输出的信号放大并显示出来。常用检测器:硒光电池、光电管、光电倍增管.硒光电池:300-800nm，容易出现疲劳效应.光电管:210-1000nm，与硒光电池相比灵敏、不易疲劳.光电倍增管:有放大作用,灵敏度比光电管高200倍,分辨率高.34二.仪器的类型紫外可见分光光度计类型很多,但可分为三种类型：单光束型、双光束型和双波长型.见图1.单光束分光光度计光路经单色器分光后的一束平行光,轮流通过参比溶液和样品溶液,以进行吸光度的测定.优点:结构简单,操作方便,维修容易,适用于常规分析.如：国产722型、751型、724型，英国SP500型以及BackmanDU-8型.2.双光束分光光度计光路经单色器分光后,经反射镜分解为强度相等的两束光,一束通过参比池,另一束通过样品池.光度计能自动比较两束光的强度,此比值即为试样的透射比,经对数变换将它转换吸光度并不作为必须长的函数记录下来.优点:能自动记录吸收光谱曲线;自动消除光源强度变化所引起的误差.如：国产710型、730型、和740型等都属此类.3.双波长分光光度计由同一光源发出的光被分成两束,分别经过两个单色器,得到两束不同波长(λ1和λ2)的单色光;利用切光器使两束光以一定的俄罗斯频率交替照射同一吸收池（样品溶液）,然后经过光电倍增管和电子控制系统,由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA=Aλ1-Aλ2=（K1-K2）CL特点:①精度高。不必用参比溶液，用样品溶液即可完全扣除背景(包括溶液的混浊、吸收池的误差等);②准确度高。可直接分析相互有干扰(