仪器分析第一章紫外-可见分子吸收光谱法

第一章紫外-可见分子吸收光谱法Ultraviolet-VisibleMolecularAbsorptionSpectrometry,UV-VIS本次课应掌握的重点：1、什么是复合光、单色光、互补色光；2、物质对光吸收的本质是什么？3、为什么物质对光会发生选择性吸收？4、为什么分子吸收光谱是带状光谱而不是线状光谱？5、什么是吸收曲线和最大吸收波长？§1-1概述紫外-可见分子吸收光谱法(UltravioletVisibleMolecularAbsorptionSpectrometry,UV-VIS),又称紫外-可见分光光度法(Ultraviolet-VisebleSpectrophotometry)。它是研究分子吸收190～780nm波长范围内的吸收光谱。紫外-可见吸收光谱主要产生于分子价电子的跃迁，通过测定分子对紫外-可见光的吸收，可以用于鉴定和定量测定大量的无机化合物和有机化合物。一.紫外光(ultravioletlight)和可见光(visiblelight)光是一种电磁辐射（Electromagneticradiation)或叫电磁波(Electromagneticwave)能被人们看见的光称为可见光。各种看不见的光，如紫外光、红外光、X-射线、-射线等，它们也都是某一波长区域的电磁辐射。1.紫外光（ultravioletlight）紫外光是指波长为10～380nm的电磁辐射，它又可分为远紫外光（Farultravioletlight）和近紫外光（Nearultravioletlight）。远紫外光的波长范围是10～200nm。远紫外光又有真空紫外光（Vacuumultravioletlight）之称;近紫外光的波长范围是200～380nm。2.可见光（visiblelight）可见光是指波长范围为380～780nm区域内的电磁辐射。在这个区域内，不同波长的光引起人的视觉神经的感受不同，所以我们看到了各种不同颜色的光。例如，630～780nm的光是红光，430～460nm的光是蓝光等。（1）复合光（Polychromaticlight）与单色光（Single-colorlight）如果让一束白光通过三棱镜，它将分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光，这种现象称为光的色散（Chromaticdispersion）。我们把白光叫做复合光，把只具有一种颜色的光叫做单色光。（2）互补色光（Complementarylight）从白光中分离出蓝色后，剩余的混合光呈黄色，那么我们把黄光称为蓝色的互补色，同理，蓝色也是黄色的互补色。如图1-1所示，图中，处于一条直线上的两种单色光互为补色。三.吸光光度法的分类吸光光度法按所用的和测量光的单色程度不同，可分为比色法和分光光度法。光的单色程度是指光的波长范围的宽窄程度。1.比色法（Colorimetricmethod）比色法是指应用单色性较差的光与被测物质作用建立起来的分析方法,它只能在可见光区使用。(1).目视比色法用眼睛比较溶液颜色的深浅，也就是说用眼睛作为溶液透过光的检测器，从而确定物质含量的方法称为目视比色法。例如：五价锑离子在pH=7时能与孔雀绿(C23H25N2Cl)形成绿色配合物：(2).光电比色法光电比色法是利用光电转换元件如光电池或光电管代替人眼作为检测器。但在测定原理上与目视比色法是不同的，目视比色法是比较溶液透过光的强度，而光电比色法是检测溶液对某一单色光的吸收程度，所用仪器叫光电比色计（Optimeter）。2.分光光度法（Spectrophotometricmethods）分光光度法在测定原理上与光电比色法是相同的，所不同的是获得单色光的方法，前者采用滤光片,后者采用光栅或棱镜,所用仪器叫分光光度计（SpectroPhoto-meter）。吸光光度法比色法分光光度法目视比色法光电比色法按单色光纯度划分：吸光光度法目视比色法光度分析法光电比色法分光光度法按测定原理划分：§1-2吸收物质及其紫外和可见吸收光谱一.吸收的一般性质1.吸收的本质光被物质吸收，实际上就是光的能量转移到了物质的原子或分子中去了。光通过物质后，某些频率的光能使物质的原子或分子由最低能级（基态）跃迁到较高的能级（激发态）。量子化学表明：原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级，如图1-2，所以，物质只能吸收与两个能级之差相同的或为其整数倍的能量。对于光来说，就是只能吸收一定频率或波长的光。即：（1-1）chhEE0E2激发态能级基态能级E1E0图1－2电子能级示意图只有当照射光光子的能量hv与被照射物质微粒的基态、某一激发态能量之差相当时才能发生吸收。不同的物质微粒由于结构不同，则有不同的量子化能级，其能级之间的能量差是不同的，所以，不同的物质可以吸收不同波长的光，即：物质对光的吸收具有选择性。2.分子吸收光谱（MolecularAbsorptionSpectrum）（1）产生及分类紫外、可见光的能量与分子中价电子跃迁吸收的能量相适应，所以紫外-可见光谱属于分子吸收光谱。分子内部的运动可分为价电子运动、分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动，则分子中存在三种能量，而三种能量都是量子化的，所以有三种能级存在于分子中，即电子能级Ee(ElectronicLevel)、振动能级Ev(VibrationalLevel)、和转动能级Er(RotationalLevel)。在这三种能量中，电子能级之间能量差最大，振动能级相差次之，转动能级相差最小。即：ΔEeΔEvΔEr电子能级跃迁所需的能量一般在1～20eV。如果是5eV,则由式（1-1）可计算相应的波长:已知h＝6.624×10-34J·s＝4.136×10-15eV·sc（光速）＝2.998×1010㎝·s-1故:可见，电子能级跃迁产生的吸收光谱主要处于紫外及可见光区（200～780nm）。这种分子光谱称为电子光谱或紫外-可见光谱。nm248cm1048.2eV5scm10998.2seV10136.4511015ΔEhcλ振动能级的能量差一般在0.025～1eV之间。如果能量差是0.1eV，则它为5eV的电子能级间隔的2％，所以电子跃迁并不是产生一条波长为248nm的谱线,而是产生一系列的谱线，其波长间隔约为248nm×2％≈5nm。在振动能级跃迁时还伴随着转动能级的跃迁。转动能级的间隔小于0.025eV。如果间隔是0.005eV，则它为5eV的0.1％，相当的波长间隔是248nm×0.1％＝0.25nm。紫外及可见吸收光谱，一般包含若干谱带系，不同谱带系相当于不同的电子能级跃迁，一个谱带系（即同一电子能级跃迁，如由能级A跃迁到能级B）含有若干谱带，不同谱带相当于不同的振动能级跃迁。同一谱带内又包含若干光谱线，每一条线相当于转动能级的跃迁，它们的间隔如上所述约为0.25nm。一般分光光度计的分辨率，观察到的为合并成较宽的谱带，所以分子光谱是一种带状光谱。与纯振动能级之差ΔEv相适应的辐射是波长约为0.78～50µm的光，这种光在近红外（包括中红外）区，所以，当用红外线照射分子时，则此能量不足以引起电子能级的跃迁，只能引起振动和转动能级的跃迁，这样得到的光谱称为红外吸收光谱(Infraredabsorptionspectrum)。如果用能量更低的远红外线和微波（50～300µm）照射分子，则只能引起转动能级的跃迁，这样得到的光谱称为远红外光谱（Far-infraredspectrum）和微波谱（Microwavespectrum）。不同波长范围的电磁波所能激发的分子和原子的运动情况如下表所示：光谱区波长范围原子或分子的运动形式X射线0.01～10nm原子内层电子的跃迁远紫外10～200nm分子中原子外层电子的跃迁紫外200～380nm同上可见光380～780nm同上近红外780nm～2.5μm分子中涉及氢原子的振动红外2.5～50μm分子中原子的振动及分子转动远红外50～300μm分子的转动微波0.3mm～1m同上无线电波1～1000m核磁共振（2）吸收曲线分子吸收光谱是一种带状光谱，这种带状光谱可以用吸收曲线来表示。将不同波长（wavelength）的光透过某一物质，测量每一波长下物质对光的吸收程度即吸光度（Absorbance），然后以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，即得到一条吸收曲线或称为吸收光谱图。图中曲线I、II、III是Fe2+含量分别为0.0002mg·mL-1,0.0004mg·mL-1和0.0006mg·mL-1的吸收曲线。1,10-邻二氮杂菲亚铁溶液对不同波长的光吸收情况不同,对510nm的绿色光吸收最多，有一吸收高峰（相应的波长称为最大吸收波长，用max表示）。对波长600nm以上的橙红色光，则几乎不吸收，完全透过，所以溶液呈现橙红色。不同物质其吸收曲线的形状和最大吸收波长各不相同。根据这个特性可用作物质的初步定性分析。不同浓度的同一物质，在吸收峰附近吸光度随浓度增加而增大。但最大吸收波长不变。若在最大吸收波长处测定吸光度，则灵敏度最高。因此，吸收曲线是吸光光度法中选择测定波长的重要依据。本次课应掌握的重点：1、什么是助色团、生色团？它们有什么区别？2、各类有机化合物在紫外-可见光区的特征吸收；3、K、R、E、B吸收带分别是由哪些结构单元产生的？哪条吸收带常用于定量分析？§1-2吸收物质及其紫外-可见吸收光谱一.吸收的一般性质二.分子的紫外-可见吸收光谱1.有机化合物的紫外-可见吸收光谱（1）.有机化合物分子中电子跃迁的类型在有机化合物分子中有几种不同性质的价电子：形成单键的电子称为σ键电子；形成双键的电子称为键电子；氧、氮、硫、卤素等含有未成键的孤对电子，称为n电子（或称p电子）。当它们吸收一定能量ΔE后，这些价电子将跃迁到较高能级（激发态），此时电子所占的轨道称为反键轨道，而这种跃迁同分子内部结构有密切关系。这些跃迁可分成如下三类：Ⅰ.N→V跃迁：由基态轨道跃迁到反键轨道，包括饱和碳氢化合物中的σ→σ*跃迁以及不饱和烯烃中的π→π*跃迁（σ*、π*分别表示σ键电子、π键电子的反键轨道）。Ⅱ.N→Q跃迁：是分子中未成键的n电子激发到反键轨道的跃迁，包括n→σ*、n→π*跃迁。Ⅲ.N→R跃迁：是σ键电子逐步激发到各个高能级，最后电离成分子离子的跃迁(光致电离)。Ⅳ.电荷迁移跃迁：电子从给予体向接受体跃迁。由上述可见，有机化合物价电子可能产生的跃迁主要为σ→σ*、n→σ*、n→π*及π→π*。各种跃迁所需能量是不同的，可用下图表示。由图可见，各种跃迁所需能量大小为：σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*σ*π*nπσ△E一般说来，未成键孤对电子较易激发,成键电子中π电子具有较高的能级,而反键电子却相反。因此，简单分子中n→π*跃迁、配位场跃迁需最小的能量，吸收带出现在长波段方向，n→σ*、π→π*及电荷迁移跃迁的吸收带出现在较短波段，而σ→σ*跃迁则出现在远紫外区。可见光近紫外光远紫外光π*π电荷迁移nπ*nπ*配位场nσ*σσ*1020040080012345100300500600700lgελ/nm图1-6电子跃迁所处的波长范围及强度(2).有机物分子的紫外-可见吸收光谱现根据电子跃迁讨论有机化合物中较为重要的一些紫外吸收光谱，由此可以看到紫外吸收光谱与分子结构的关系。Ⅰ.饱和烃及其取代衍生物饱和单键碳氢化合物只有σ键电子，σ键电子最不易激发，σ→σ*跃迁产生的吸收一般在远紫外区（10～200nm）。但由于这类化合物在200～1000nm范围内无吸收带，在紫外吸收光谱分析中常用作溶剂（如己烷、庚烷、环己烷等）。当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时，吸收峰向长波长方向移动,这种现象称为深色移动或称红移(batho-chromicshift),此时产生n→σ*跃迁。例如甲烷一般跃迁的范围在125～135nm，碘甲烷（CH3I）的吸收峰则处在150～210nm（σ→σ*跃迁）及259nm（n→σ*跃迁）：H◎◎CI