清华大学化学系4.仪器分析-UV-VIS

第四章紫外-可见分子吸收光谱法(UV-VISspectrometry)第一节概述一、分子吸收光谱分析的发展概况•可见-紫外-红外•目视比色-光电比色-分光光度•光声光谱-长光程吸收光谱-传感器二、分子吸收光谱的分类和特征•紫外-可见电子光谱Ee=1-20eV•红外振动光谱0.05-1•远红外转动光谱0.005-0.05abcRoRoRoVoV1EoE1E电子能级V振动能级R转动能级分子的电子光谱的特点：•在波长范围内按一定强度分布的谱带—带光谱•波长位于紫外-可见区A/nmHCNNNNCH对称四嗪水中环己烷中蒸汽中500555分子在不同环境中的谱带形状可进行分子的定性和定量分析可用于一些物理化学常数的测定（如平衡常数等）仪器结构简单、价格便宜应用范围广泛（无机离子、有机化合物、生物大分子分析等）三、分子吸收光谱的特点一、吸收光谱与分子结构1、有机化合物的吸收光谱根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有n、和三种**n第二节紫外-可见分子吸收光谱的理论基础反键轨道非键轨道成键轨道*跃迁•能量很大•吸收光谱在真空紫外区•多为饱和烃甲烷125nm乙烷135nmn*跃迁•所需能量小于*跃迁（150-250nm）•含有未共用电子对（n电子）原子的饱和化合物都可发生•跃迁的摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000L/molcm化合物maxmaxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O1842520*和n*跃迁•*和n*跃迁能量低（200nm）•含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁C=CC=C;N=N;C=O•有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础•*比n*跃迁几率大100-1000倍•*跃迁吸收强，~104•n*跃迁吸收弱，500生色团——含有键不饱和官能团助色团——基团本身无色，但能增强生色团颜色为含有n电子，且能与电子作用，产生n共轭184204254270苯（*）苯酚（—OH为助色团）A/nm生色团max(nm)max(l/moL.cm)跃迁类型1758000*1909000*280190160202000n*n**20441n*20550n*500240109000n*34024010n*n*CCCCCOCOOHCOORCSNN影响紫外-可见光谱的因素•共轭效应：电子共轭体系增大，波长红移、吸收增强；•取代基影响：能够引起电子永久性转移的取代基使波长红移（助色团）；•溶剂影响：一般情况下分子的激发态极性大于基态，因此溶剂极性增大有利于激发态稳定，能量降低，波长红移。2、无机化合物的吸收光谱d-d电子跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d轨道，按照晶体场理论，当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时，受配体配位场的影响，原来能量相同的d轨道发生能级分裂，产生d-d电子跃迁。配体配位场越强，d轨道分裂能越大，吸收波长越短。（f-f跃迁与此类似）没有配位场八面体配位场dxydxxdyzdx2dx2-y2E例如：H2O配位场NH3配位场Cu2+—水合离子794nm浅蓝色Cu2+—氨合离子663nm深蓝色电荷转移跃迁电子接受体电子给予体配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大（10000以上），因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如Fe（III）-SCN配合物金属离子影响下的配体*跃迁金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化，导致吸收光谱蓝移或红移。偶氮氯瞵III偶氮氯瞵III—U（VI）配合物500600700/nmA小结：分子结构——光谱特征——定性分析不同结构的分子由于共轭程度不同，分子吸收的特征不同；相同共轭结构的分子骨架，因助色团的加入或改变，导致光谱位移和吸收系数变化；相同配体，因过渡金属离子不同，导致配位场的变化或电荷转移跃迁，或配体共轭结构的变化，光谱发生变化IoIbSdx二、吸收定律（定量分析的基础）IxdIxdIxIx吸收光强入射光强吸收率任一截面的吸收率adnds=adn截面为S的区域内俘获光的有效面积从分子吸收的角度考虑SadnSdSSadnSdSIxdIx因此俘获光的几率应为：a1dn1dn2dn3a3a2ds=a1dn1+a2dn2+a3dn3miiidnaSIxdIx11nmjiiIIodnaSIxdIx011miiinaSIIo11lnmiiinaSIIoA14343.0lg)(bVSNVnCiimiiiNVcaVbIIoA14343.0lgmiiibcNa14343.0miicib1令i=0.4343NaiAi=ibci如果吸光介质内只有一种吸光分子mmAAAbiiciA211A=bc定量分析的依据二、吸收定律的适用性与限制1、吸收定律具有加和性，即mmAAAbiiciA21112A1A2A2、吸收定律只适合单色光22221111lglgIIbcAIIbcAoo设AIIIIbcobco2221111010bcobcoooIIII211010lg21212121lgIIIIoobcIIIIAbcoooo10)(lg2121当1=2=cA12当时，出现偏离AC011+2iIiIAolgiiIAolg特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时，I变的很小，Ii=常数AiI0350380CrO42-Cr2O72-/nmA03、吸收定律因化学反应而偏离因解离等原因，被测物并不都以对特定频率辐射吸收有效的形态存在，导致吸收定律的偏离。三、紫外-可见吸收光谱的灵敏度=0.4343Naiai=1x10-15cm2N=6.02x1023因为为摩尔吸光系数ai的单位是cm2（cm3是ml,变成L除1000）所以=0.4343Nai=0.4343x6.02x1023x1x10-15/1000=105若1%吸收A=0.0044b=1C=A0.0044b100000==4.4x10-8(M)此即为方法的理论灵敏度思考题•UV-VIS的理论灵敏度为4.4x10-8M，这一极限值能够从哪几个方面突破？请你提出有效的方法。第三节紫外-可见分光光度计一、基本结构光源单色器狭缝样品室检测器讨论：与原子吸收光谱仪比较：•光源的单色性•单色器•样品室•检测器1、光源•钨丝灯•卤钨灯•氢灯和氘灯山气灯10040080014810m山气灯钨丝灯相对辐射功率D2灯H2灯200250300/nm相对辐射功率2、单色器光栅——棱镜与原子吸收要求类似3、检测器光电被增管—CCD4、样品室1cm5cm石英——玻璃二、紫外-可见分光光度计1、单光束仪器HW红蓝S1S2单光束仪器的缺点：•操作麻烦：空白——IO样品——I任一波长•不能进行吸收光谱的自动扫描•光源不稳定性影响测量精密度2、双光束仪器IOI双光束仪器的特点和不足：•测量方便，不需要更换吸收池•补偿了仪器不稳定性的影响•实现了快速自动吸收光谱扫描•不能消除试液的背景成分吸收干扰3、双波长仪器切光器12/nmA0200300400待测成分干扰成分12(1)消除光谱重叠干扰A1=Aa1+Ai1A2=Aa2+Ai2Ai1=Ai2A=Aa2-Aa1=（a1-a2）bCa消除了共存组分的干扰双波长仪器能否消除背景干扰？A1=lgI0/I1=1bC+AbA2=lgI0/I2=2bC+Ab式中Ab为背景吸收或干扰物质的吸收若波长选择合适，1和2处Ab相同则A=lgI1/I2=（1-2）bC因此测量两波长吸光度之差，就消除了背景吸收的干扰。(3)进行导数光谱测定AAA=bCdAd=bCdd（1）灵敏度取决于d/d，拐点d/d最大，灵敏度最高；（2）d/d=0为吸收曲线极大值；（3）两个重叠度很大的曲线的导数曲线有可能区别开。/nmA/nmA0200300400123（4）多组分混合物中各组分分别测定——多波长分光光度法A1=11C1+12C2+13C3A2=21C1+22C2+23C3A3=31C1+32C2+33C3ij为在波长i测定组分j的摩尔吸光系数Ai为在波长i测得该体系的总吸光度解上联立方程可求出待测物浓度C1、C2、C3一、络和物组成的测定摩尔比率法等摩尔系列法斜率比法平衡移动法第四节紫外-可见分光光度法的应用定性分析与定量分析（略）摩尔比率法测定络和比：mM+nRMmRn配制：不同CR/CM的系列溶液：如CR/CM=1，2，3，……n分别测吸光度：A1,A2,A3……An,作A~CR/CM曲线ACR/CM0D络和比M未被完全络和有过量的RA0A’若络合物稳定性差，络合物解离使吸光度下降，转折不明显，据此可以测定络合物不稳定常数。设：络合物解离度为，不解离时转折处浓度为CCMmRn=(1-)CCM=mCCR=nC则络合物不稳定常数为=A0-A’A0K=[CM]m[CR]n(mC)m(nC)nmmnnm+nCm+n-1[CMmCRn](1-)C1-==二、酸碱离解常数的测定HBH++B-Ka=[H+][B-][HB](1)pKa=pH+lg[HB][B-]设：b=1cmA=AHB+AB-A=HB（c-[B-])+B-[B-]=HBc+[B-](B--HB)同样由（2）得：A=HB[HB]+B-(c-[HB])=B-c+[HB](HB-B-)[B-]=HBA-HBcB--则：A=AHB+AB-=HB[HB]+B-[B-](2)[HB]=B-c-AB--HB(3)(4)将（3）（4）代入（1）中：Ka=[H+][B-][HB]C=[HB]+[B-]Ka=[H+](A-HBc)B-c-AAHB=HBcAB-=B-c定义：A-AHBKa=[H+]AB--ApKa=pH+lgA-AHBAB--ATAIITologdTTTdTddA434.0)(ln434.0)(lg三、测量误差dTTTcdcdTTTdTTAAdA)log434.0()log434.0()434.0(00.20.40.60.81.0T22)log(log)(log434.0)log()log(434.0TTTTTdTTTTTdT)log1(434.0)(TTdTAdA,0loglogTe2)log(loglog434.0TTTedT只有当0)(AdA则测量误差最小，此时-logT=loge=0.434=A即吸光度为0.434时，浓度测量才具有最小相对误差。四、紫外-可见分子吸收光谱的发展1、光声光谱激光光源吸收池光声传感器记录装置不仅可用于液体样品、也可用于固体样品二、长光程紫外-可见分光光度计激光光源吸收池记录装置双叉光纤光导纤维传感器第五节荧光、磷光和化学发光分析法（Fluorescence，phosphorescenceandchemiluminescenceanalysis）一、理论基础1、分子发射光谱与分子能级结构吸光无辐射跃迁系间跨越单重线态三重线态荧光磷光E0E1E2振动弛豫（1）分子吸收光谱与分子荧光光谱吸光荧光250300350400450蒽乙醇溶液吸收和荧光光谱300400500•荧光光谱与吸收光谱镜像对称•荧光光谱较吸收光谱简单硫酸奎宁在稀硫酸中的荧光光谱与吸收光谱（2）荧光量子产率（荧光效率）发荧光的两个必要条件•分子能吸收光子而跃迁至激发态•激发态分子能以光的形式释放能量荧光效率（f）=发出光子数吸收光子数如果一个分子将吸收的光子全部释放，则其量子产率为100%。化合物荧光