第5章紫外可见吸收光谱法

1第5章紫外可见吸收光谱法5.1内容提要5.1.1基本概念吸光分析法──利用分光光度计测定物质对光的吸收进行分析测定的方法称为吸光分析法或吸光光度法。它包括分子吸光分析法和原子吸光分析法等。分子吸光分析法──基于物质的分子对光辐射的选择性吸收而建立的分析方法。它包括比色法和分子吸收分光光度法（紫外-可见吸收分光光度法，红外吸收分光光度法）。比色法──基于比较待测溶液颜色的分子吸光分析法，它分为目视比色法和光电比色法。目视比色法──通过日光照射待测溶液，用肉眼比较待测溶液与标准溶液颜色的深浅来确定待测物质含量的方法。光电比色法──利用光电比色计进行测定的比色分析法（用白炽灯光通过滤光片获得的相对单色光代替日光的复合光作光源，用光电池和检流计测量吸光度或透射率代替人眼比较颜色）。紫外-可见吸收分光光度法（即紫外-可见吸收光谱法）──利用紫外-可见分光光度计测量物质对紫外-可见光的吸收程度（吸光度）和紫外-可见吸收光谱来确定物质的组成、含量，推测物质结构的分子吸光分析法。紫外-可见吸收光谱（或紫外-可见吸收曲线）──当用紫外、可见光照射溶液时，物质分子吸收光能由基态跃迁到激发态，产生光的吸收所形成的光谱（或吸收曲线）。具体表现为以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图得到的一条曲线。最大吸收波长──紫外可见光谱中最大吸收峰所对应的波长。以λmax表示。光吸收定律──朗伯-比尔定律。物理意义为当一束平行单色光通过均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。数学表达式为A=lg(I0/I)=KcL。透射率──透过光强度I和入射光强度I0的比值I0/I称为透射率或2透光率，以T表示，其数值可用小数或百分数表示。摩尔吸收系数──用K表示。单位为L·mol-1·cm-1。它表示吸光质点的浓度为mol·L-1，溶液的厚度为1cm时，溶液对光的吸收能力，也称摩尔吸光系数。它也是光度法灵敏度的一种表示。互补色光──两种适当颜色的光按一定强度比例混合可得到白光，这两种光就叫互补色光。显色反应──能将待测物质转变成有色化合物的反应叫显色反应。显色剂──能与待测物质反应并将待测物质转变成有色化合物的试剂叫显色剂。吸收带──物质相关基团的吸收峰在紫外可见吸收光谱中的波带位置称为吸收带（如R带、K带、B带和E带等）。发色团（生色团）──含有不饱和键，能吸收紫外、可见光产生π→π*或n→π*跃迁的基团（如＞C=C＜、―C≡C―、＞C=O、＞C=S、＞C=N―、―N=O、―N=N―、―COOH等）。助色团──含有未成键n电子，本身不产生吸收峰，但与发色团相连时，能使发色团吸收峰向长波方向移动、吸收强度增强的杂原子基团（如―NH2、―OH、―OR、―SR、―X等）。长移（红移）──吸收峰向长波方向移动的现象；深色效应──吸收峰强度增强的现象。短移（蓝移）──吸收峰向短波方向移动的现象；浅色效应──吸收峰强度减弱的现象。共轭效应──分子中共轭体系形成大π键，使得各能级间的能量差减小，因而产生吸收峰长移并产生深色效应的现象。助色效应──当助色团与发色团相连时，由于助色团的n电子与发色团的电子发生共轭，结果使得吸收峰长移并产生深色效应的现象。超共轭效应──由于烷基的σ电子与共轭体系的π电子共轭，使得吸收峰长移并产生深色效应的现象。溶剂效应──由于溶剂的极性不同引起某些化合物的吸收峰发生长移或短移的现象，增强溶剂的极性，通常使π→π*跃迁长移。使n→π*短移。单光束分光光度计──采用一束入射光交替通过参比溶液和样品溶液进行测定的分光光度计。3双光束分光光度计──采用（单波长）双光路方式，利用切光器将入射光一分为二，同时分别通过参比溶液和样品溶液进行测定的分光光度计。利用双光束分光光度计进行测定的方法称为双光束分光光度法。双波长分光光度计──采用两种不同波长（λ1和λ2）的单色光交替照射样品溶液（不需参比溶液）进行测定的分光光度计。利用双波长分光光度计进行测定的方法称为双波长分光光度法。光电二极管阵列分光光度计──利用光电二极管阵列作检测器，由计算机控制的单光束紫外-可见分光光度计。示差分光光度法──以与试液浓度接近的标准溶液作参比溶液，采用量程扩展技术进行测定的分光光度法。采用一个标准溶液进行量程扩展的分光光度法称为单标准示差分光光度法；采用两个标准溶液进行量程扩展的分光光度法称为双标准示差分光光度法。5.1.1基本内容1.紫外-可见吸收光谱法的基本原理由于物质不同，其分子内部结构不同，因而其紫外-可见吸收光谱的形状和λmax不同，所以根据紫外可见吸收光谱可以对物质进行定性鉴定和结构分析；用最大吸收峰或次强峰所对应的波长为入射光，测定待测物质的吸光度，根据朗伯-比尔定律即可对物质进行定量分析。2.朗伯-比尔定律及偏离朗伯-比尔定律的原因朗伯-比尔定律为一束平行单色光通过均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。偏离朗伯-比尔定律的原因主要是入射的单色光不纯（有一定的频率宽度）及溶液本身的化学变化所引起。朗伯-比尔定律只适用于低浓度、均匀、非散射的溶液，并且溶质不能由解离、缔合、互变异构等化学变化。3.显色反应应具备的条件（1）选择性好所用的显色剂仅与待测组分显色而不与其他共存组分显色，或其他组分干扰少。否则需进行分离或掩蔽后才能进行测定。（2）灵敏度高要求显色反应中所生成的有色化合物有较大的摩尔吸收系数，一般应有104~105数量级，才有足够的灵敏度。（3）有色配合物组成恒定，稳定性好显色剂与待测物质的反应要定量进行，生成有色配合物的组成要恒定，符合一定化学式。有色配4合物要有较大的稳定常数，保证有较好的重现性。（4）色差大有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。4.影响显色条件的因素（1）显色剂的用量；（2）溶液的酸度；（3）显色温度；（4）显色时间；（5）副反应的影响；（6）溶液中共存离子的影响。5.分光光度法的误差（1）溶液偏离朗伯-比尔定律所引起的误差；（2）光度测量误差；（3）仪器误差；（4）操作误差。6.入射光波长的选择一般以最大吸收波长λmax为测量的入射光波长。若待测溶液中存在干扰物质，且干扰物在λmax处也有吸收，则根据“吸收大、干扰小”的原则，在干扰最小的条件下选择吸光度最大的波长。7.吸光度读数范围的选择为了减小浓度的相对误差，提高测量的准确度，一般应控制待测液的吸光度在0.2~0.7（透射率为65%~20%）。当溶液的吸光度不在此范围时，可以通过改变称样量，稀释溶液以及选择不同厚度的吸收池来控制吸光度。8.参比溶液的选择试液（未加显色剂时）显色剂其他试剂参比溶液无色有色无色无色无色有色无色无色有色选用纯溶剂（或蒸馏水）作参比（溶剂空白）以不加显色剂的试液为参比（试液空白）以显色剂加试剂为参比（试剂空白）9.紫外可见吸收光谱与有机化合物分子结构的关系有机分子存在σ，π和n三种价电子，它们对应的有σ，σ*，π，π*和n轨道，可以产生σ→σ*，n→σ*，n→π*，π→π*类型的电子跃迁。紫外-可见吸收光谱主要是由n→π*和π→π*电子跃迁产生的，主要反映分子中发色团和助色团的特性，通常包含有四种吸收带：（1）R带：由n→π*跃迁而产生的吸收带。5（2）K带：由π→π*跃迁而产生的吸收带。（3）B带和E带：由芳香族化合物的π→π*跃迁产生的吸收带。前者在230~270nm为中等吸收，后者在185~204nm为强吸收。10.影响紫外-可见吸收光谱的主要因素共轭效应，助色效应，超共轭效应，溶剂效应。11.紫外-可见光谱仪（紫外-可见分光光度计）用于测量和记录待测物质对紫外光，可见光的吸光度及紫外-可见吸收光谱的仪器，称为紫外-可见吸收光谱仪或紫外-可见分光光度计。其波长范围200~1000nm，由光源、单色器、吸收池、检测器和显示器五大部件构成。（1）光源是提供入射光的装置。（2）单色器是将光源辐射的复合光色散成单色光的光学装置。（3）吸收池是用于盛装试液的装置。（4）检测器是将光信号转变成电信号的装置。（5）显示器是将检测器输出的信号放大并显示出来的装置。紫外-可见分光光度计主要有单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计以及光电二极管阵列分光光度计。12.紫外-可见光谱法的特点灵敏度高、准确度高、选择性好、操作方便、分析速度快、应用范围广。13.紫外-可见光谱法的主要应用（1）定性分析通常是根据吸收光谱的形状，吸收峰的数目以及最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数进行定性鉴定。（2）结构分析主要用来推测化合物所含的官能团及判别有机化合物的同分异构体。（3）定量分析5.2思考题与习题1.电子跃迁有哪几种类型？哪些类型的跃迁能在紫外及可见光区吸收光谱中反映出来？答：电子跃迁有σ→σ*，n→σ*，n→π*，π→π*等类型。n→π*和π→π*6电子跃迁能在紫外-可见吸收光谱中反映出来。2.朗伯-比尔定律的物理意义是什么？偏离朗伯-比尔定律的原因主要有哪些？答：朗伯-比尔定律的物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。3.吸光度与透射率有什么关系？物质溶液的颜色与光的吸收有什么关系？答：A=lg(I0/I)=lg(1/T)，物质之所以有颜色是由于物质对不同波长的光有选择性吸收作用的结果。物质溶液所呈现的颜色是它所吸收光的互补光的颜色。4.什么是发色团及助色团？举例说明。答：发色团（生色团）──含有不饱和键，能吸收紫外、可见光产生π→π*或n→π*跃迁的基团（如＞C=C＜、―C≡C―、＞C=O、＞C=S、＞C=N―、―N=O、―N=N―、―COOH等）。助色团──含有未成键n电子，本身不产生吸收峰，但与发色团相连时，能使发色团吸收峰向长波方向移动、吸收强度增强的杂原子基团（如―NH2、―OH、―OR、―SR、―X等）。5.下列化合物各具有几种类型的价电子？在紫外光照射下发生哪几种类型的电子跃迁？乙烷碘乙烷丙酮丁二烯苯乙烯苯乙酮答：1.乙烷─仅含有σ电子，故只发生σ→σ*跃迁。2.碘乙烷─含有σ和n电子，故能发生σ→σ*和n→σ*跃迁。3.丙酮─含有σ、π和n电子，故能发生σ→σ*，n→σ*，n→π*，π→π*跃迁。4.丁二烯─含有σ和π电子，故能发生σ→σ*和π→π*跃迁。5.苯乙烯─含有σ和π电子，故能发生σ→σ*和π→π*跃迁。6.苯乙酮─含有σ、π和n电子，故能发生σ→σ*，n→σ*，n→π*，π→π*跃迁。6.试比较下列化合物，指出哪个吸收光的波长最长？哪个最短？为什么？7OCH3(A)OCH3(B)OCH2(C)答：(C)波长最长；(A)其次；(B)最短。吸收波长随共轭效应增强而长移。7.某苦味酸胺试样0.0250g，用95%乙醇溶解并配成1.0L溶液，在380nm波长处用1.0cm吸收池测得吸光度为0.760。试估计该苦味酸胺的相对分子质量为多少？（已知在95%乙醇溶液中的苦味酸胺在380nm时lgK=4.13）解：已知lgK=4.13，K=1.35×104(13489.6)L·mol-1·cm-1苦味酸胺样品浓度为c=A/(KL)=0.760/(1.35×104×1.0)mol·L-1=5.63×10-5mol·L-1苦味酸胺的摩尔质量为0.0250g·L-1/5.63×10-5mol·L-1=444g·mol-18.称取钢样0.500g，溶解后定量转入100mL容量瓶中，用水稀释至刻度。从中移取10.0mL试液置于50mL容量瓶，将其中的Mn2+氧化为MnO4-，用水稀释至刻度，摇匀。于520nm处用2.0cm吸收池测得吸光度为0.50，试求钢样中锰的质量分数。（已知K520=2.3×103L·mol-1·cm-1）解：c=A/(KL)=0.50/(2.3×103×2.0)mol·L-1=1.1×10-4mol·L-1原100mL容量瓶中锰的质量为m=1.1×10-4mol·L-1×55g·mol-1×100.0×10-3L×50.0mL/10.0mL=3.