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1第一章紫外-可见分光光度法UV-Vis方法是分子光谱方法,它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁;光谱区在190-780nmUV-Vis主要用于分子的定量分析,但紫外光谱(UV)为四大波谱之一,是鉴定许多化合物,尤其是有机化合物的重要定性工具之一。1.1紫外-可见吸收光谱一、分子吸收光谱的形成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--分子吸收谱。2.能级组成: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:其中Ee最大:1-20eV;Ev次之:0.05-1eV;Er最小:0.05eV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,在发生电子能级跃迁时,伴有振-转能级的跃迁,形成所谓的带状光谱。不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射,这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物,经待测物吸收后,测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A),以吸光度A为纵坐标,辐射波长为横坐标作图,得到该物质的吸收光谱或吸收曲线,据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。二、分子吸收光谱跃迁类型有机分子能级跃迁1.可能的跃迁类型有机分子包括:成键轨道、;反键轨道*、*;非键轨道n各轨道能级高低顺序:n**(分子轨道理论计算结果);可能的跃迁类型:-*;-*;-*;n-*;-*;n-*-*:C-H共价键,如CH4(125nm);C-C键,如C2H6(135nm),处于真空紫外区;-*和-*跃迁:尽管所需能量比上述-*跃迁能量小,但波长仍处真空紫外区;n-*:含有孤对电子的分子,如H2O(167nm);CH3OH(184nm);CH3Cl(173nm);CH3I(258nm);(CH3)2S(229nm);(CH3)2O(184nm);CH3NH2(215nm);(CH3)3N(227nm),可见,大多数波长仍小于200nm,处于近紫外区。以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关(-*,-*,-*和n-*),跃迁能量较高,这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区,只有-*和n-*两种跃迁的能量小,相应波长出现在近紫外区甚至可见光区,且对光的吸收强烈,是我们研究的重点。2.几个概念生色团(Chromogenesisgroup):分子中含有非键或键的电子体系,能吸收特征外来辐射时并引起n-*和-*跃迁,可产生此类跃迁或吸收的结构单元,称为生色团。助色团(Auxochromousgroup):含有孤对电子,可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团,称之为助色团。常见助色团助色顺序为:-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-红移或蓝移(Redshiftorblueshift):在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响,吸收峰向长波方向(红移)或短波方向移动(蓝移)的现象。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。促使分子发生红移或蓝移的因素:1)共轭体系的存在----红移2)异构现象:使异构物光谱出现差异。3)空间异构效应---红移4)取代基:红移或蓝移。取代基为含孤对电子,如-NH2、-OH、-Cl,可使分子红移;取代基为斥电子基,如-R,-OCOR,则使分子蓝移。苯环或烯烃上的H被各种取代基取代,多产生红移。5)pH值: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235nm和287nm(p-共轭).6)溶剂效应:红移或蓝移。由n-*跃迁产生的吸收峰,随溶剂极性增加,形成H键的能力增加,发生蓝移;由-*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,发生红移。随溶剂极性增加,吸收光谱变得平滑,精细结构消失。hMhMtII*0rveΔΕΔΕΔΕΔΕ21.2吸收光谱的测量-----Lambert-Beer定律一、几个术语当强度为I0的入射光束(Incidentbeam)通过装有均匀待测物的介质时,该光束将被部分吸收,未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失。这种损失有时可达10%,那么,I0=Ie+Is+Ir因此,在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响。二、Lambert-Beer定律当入射光波长一定时,待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比,即A=kclk为比例系数,与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以g/100ml表示时,称k为吸光系数,以E表示,即A=Ecl当浓度以mol/L表示时,称k为摩尔吸光系数,以表示,即A=εcl越大,表示方法的灵敏度越高。与波长有关,因此,常以表示。三、偏离L-B定律的因素样品吸光度A与光程b总是成正比。但当b一定时,A与c并不总是成正比,即偏离L-B定律!这种偏离由样品性质和仪器决定。1.样品性质影响a)待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射的吸收能力发生变化-变化;b)试液中各组份的相互作用,如缔合、离解、光化反应、异构化、配体数目改变等,会引起待测组份吸收曲线的变化;c)溶剂的影响:对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响;d)胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。2.仪器因素:包括光源稳定性以及入射光的单色性等。a)入射光的非单色性:不同光对所产生的吸收不同,可导致测定偏差.当x=i时,或者说当x=i时,有A=xbc,符合L-B定律;当xi时,或者说当xi时,则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大,则偏离L-B越大;当xi,测得的吸光度比在“单色光”x处测得的低,产生负偏离;反之,当xi,则产生正偏离。b)谱带宽度与狭缝宽度:经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带(即谱带宽度)。单色光的“纯度”与狭缝宽度有关,狭缝越窄,它所包含的波长范围越小,单色性越好。1.3紫外-可见光度计仪器组成:由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。一、光源:对光源基本要求:足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。1.钨及碘钨灯:340-2500nm,多用在可见光区;2.氢灯和氘灯:160-375nm,多用在紫外区。二、单色器(Mnochromator)与原子吸收光度仪不同,在UV-Vis光度计中,单色器通常置于吸收池的前面!(可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解)三、吸收池(Cell,Container):用于盛放样品。可用石英或玻璃两种材料制作,前者适于紫外区和可见光区;后者只适于可见光区。有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。四、检测器:硒光电池、PMT、PDA分光光度计分为单波长和双波长仪器1.单波长分光光度计:单光束/双光束(空间分隔)/双光束(时间分隔)特点:双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池,因此可消除光源不稳产生的误差。2.双波长分光度计:通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池,测得吸光度差A。术语、符号定义其它表示方法辐射能P,P0吸光度A透过率T光程l吸光系数a摩尔吸收系数1秒内照在1cm2面积上的能量(erg)log(P0/P)或log(I0/I)P0/P或I0/I待测物液层厚度A/bc(c,g/L)A/bc(c,mol/L)光强I0,I光学密度D;消光值E透射比,透光度b,d吸收系数摩尔吸光系数11110lgBAbcIIA22220lgBAbcIIA3AB1和AB2分别为在1和2处的背景吸收,当1和2相近时,背景吸收近似相等。二式相减,得这表明,试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比。特点:可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差,灵敏度高。3、二极管阵列分光光度计特点:单吸收池,测定速度快4.分光光度计的校正:当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移,因此需要对其进行校正。校正方法应参考仪器手册或咨询厂家。1.4分析条件选择一、仪器测量条件由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时,误差更大。当相对误差c/c最小时,求得T=0.368或A=0.434。即当A=0.434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b来控制A的读数在0.15-1.00范围内。二、反应条件选择1.显色剂的选择原则:使配合物吸收系数最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。2.显色剂用量:配位数与显色剂用量有关;在形成逐级配合物,其用量更要严格控制。3.溶液酸度:配位数和水解等与pH有关。4.显色时间、温度、放置时间等。三参比液选择1溶剂参比:试样组成简单、共存组份少(基体干扰少)、显色剂不吸收时,直接采用溶剂(多为蒸馏水)为参比;2.试剂参比:当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时,采用试剂作参比(不加待测物);3.试样参比:如试样基体在测定波长处有吸收,但不与显色剂反应时,可以试样作参比(不能加显色剂)。四、干扰消除1.控制酸度:配合物稳定性与pH有关,可以通过控制酸度提高反应选择性,副反应减少,而主反应进行完全。2.选择掩蔽剂3.合适测量波长及方法4.干扰物分离5.导数光谱及双波长技术。二、定量分析1.单组份定量方法:1)标准曲线法(略)2)标准对比法:该法是标准曲线法的简化,即只配制一个浓度为cs的标准溶液,并测量其吸光度,求出吸收系数k,然后由Ax=kcx求出cx该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律,且cx与cs大致相当时,才可得到准确结果。2.多组分定量方法:由于吸光度具有加合性,因此可以在同一试样中测定多个组份。设试样中有两组份X和Y,将其显色后,分别绘制吸收曲线,会出现如图所示的三种情况:图a):X,Y组份最大吸收波长不重迭,相互不干扰,可以按两个单一组份处理。图b)和c):X,Y相互干扰,此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度yyxxyxlclcA111yyxxyxlclcA222其中,X,Y组份在波长1和2处的摩尔吸光系数可由已知浓度的X,Y纯溶液测得。解上述方程组可求得cx及cy。3.双波长法---等吸收点法当混合物的吸收曲线重迭时,利用双波长法来测定。具体做法:将a视为干扰组份,现要测定b组份。a)分别绘制各自的吸收曲线a,b;b)画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点,并与b组分相交;c)以交于a上一点所对应的波长1为参比波长,另一点对应的为测量波长2,并对混合液进行测量,得到A1=A1a+A1b+A1sA2=A2a+A2b+A2s若两波长处的背景吸收相同,即A1s=A2s二式相减,得,A=(A2a-A1a)+(A2b-A1b)由于a组份在两波长处的吸光度相等,因此,A=(A2b-A1b)=(2b-1b)lcbbcAAIIA)(lg1212214从中可求出cb同理,可求出ca.3.系数倍率法:同3。但若其中一干扰组份b在测量波长范围内无吸收峰时,或者说没有等吸收点时可采用该法。具体做法:同前法可得到下式,A1=A1a+A1b(1)A2=A2a+A2b(2)K=E1b/E2b,(K-系数)(2)式乘以常数K并相减,得到,A=K(A2a+A2b)-(A1a+A1b)=(KA2b-A1b)+(K
本文标题:现代仪器分析简化版
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