紫外可见分光光度法培训课件

第13章紫外可见分光光度法(UV-VISspectrometry)周正雄目录一、分子光谱概述二、紫外可见光谱三、朗伯－比尔定律四、紫外可见分光光度计五、无机与有机分析应用六、仪器操作七、仪器维护保养3一、概述–分子光谱原子核在其平衡位置附近的相对振动---振动能级（Ev）Ｅ＝Ｅe+Ｅv+ＥrΔΕeΔΕvΔΕr物质分子内部三种运动形式电子相对于原子核的运动---电子能级（Ee）分子本身绕其重心的转动---转动能级（Er）4一、概述–分子光谱Ｅ＝Ｅe+Ｅv+ＥrΔΕeΔΕvΔΕr电子能级振动能级转动能级5一、概述–分子光谱ΔΕr0.005～0.050eV远红外光谱(分子转动光谱)ΔΕv0.05～１eV红外光谱(分子振动光谱)ΔΕe1～20eV紫外—可见光谱(分子的电子光谱)电磁波谱g-X-射线紫外可见红外微波无线电2004008003200(nm)波长真空紫外近红外核磁共振波长越短，能量越高7二、紫外可见光谱可见吸收光谱：电子跃迁光谱吸收光波长范围400780nm，主要用于有色物质的定量分析。紫外吸收光谱：电子跃迁光谱吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。特点灵敏度高选择性较好通用性强准确度较好操作简单价格低廉8吸收曲线与最大吸收波长max用不同波长的单色光照射，测吸光度二、紫外可见吸收光谱不同浓度的溶液，测吸光度9二、紫外可见吸收光谱同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性分析的依据。吸收谱带的强度与该物质分子吸收的光子数成正比，是物质定量分析的依据。10有机化合物的紫外—可见吸收光谱分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：形成单键的σ电子、形成双键的π电子、未成键的n电子分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊11*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）•若饱和烃中的氢原子被氧、氮、卤素等原子或基团所取代，由于这些原子中含有n电子，可以发生n*跃迁•摩尔吸光系数比较小，一般在100-3000L/molcm化合物maxmaxH2O1671480CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O184252013*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=C;C=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，50014紫外光谱中常用的术语生色团：从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将能吸收紫外、可见光的原子团或结构系统定义为生色团。生色团溶剂/nmmax跃迁类型烯正庚烷17713000*炔正庚烷17810000*羧基乙醇20441n*酰胺基水21460n*羰基正己烷1861000n*，n*偶氮基乙醇339，665150000n*，硝基异辛酯28022n*亚硝基乙醚300，665100n*硝酸酯二氧杂环己烷27012n*15紫外光谱中常用的术语助色团助色团是指带有非键电子对的基团，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等，它们本身不能吸收大于200nm的光，但是当它们与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。16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）/nm紫外光谱中常用的术语17紫外光谱中常用的术语红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移效应。如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3。18红移—λmax向长波方向移动蓝移—向短波方向移动增色效应—吸收强度即摩尔吸光系数，ε增大的现象减色效应—吸收强度即摩尔吸光系数，ε减小的现象引入取代基或改变溶剂紫外光谱中常用的术语19无机化合物的紫外—可见吸收光谱⑴过渡金属离子d一d的电子跃迁（2）镧系和锕系离子的f一f电子跃迁⑶电荷转移吸收光谱-络合物的吸收在分光光度法中具有重要意义:微量组分的定量分析。当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。20有机化合物紫外-可见吸收光谱1.饱和烃及其取代衍生物饱和烃类分子中只含有键，只能产生*跃迁。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，超出紫外、可见分光光度计的测量范围。饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n*的跃迁。n*的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*跃迁分别出现在173、204和258nm处。氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。212.不饱和烃及共轭烯烃在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。*跃迁的能量小于*跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为180nm在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中，*跃迁产生的吸收带又称为K带。有机化合物紫外-可见吸收光谱223.羰基化合物羰基化合物含有C=O基团。C=O基团主要可产生*、n*、n*三个吸收带，n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等。羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，使n*跃迁所需的能量变大，n*吸收带蓝移至210nm左右。有机化合物紫外-可见吸收光谱234.苯及其衍生物苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX=60，000）；E2带出现在204nm（MAX=8000）；B带出现在255nm（MAX=200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失,当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。有机化合物紫外-可见吸收光谱245.稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与奈相似。此外由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。有机化合物紫外-可见吸收光谱25溶剂对紫外吸收光谱的影响1.溶剂的极性溶剂的极性越强，由π→π＊跃迁产生的谱带向长波方向移动越显著。这是因为发生π→π＊跃迁的分子激发态的极性总大于基态，在极性溶剂的作用下，激发态能量降低的程度大于基态，从而使基态到激发态跃迁所需的能量变小，使吸收带发生红移。所用溶剂极性越强，则由n→π＊跃迁产生的谱带向短波方向移动越明显，即蓝移越大。发生n→π＊跃迁的分子都含有未成键的孤对电子，与极性溶剂形成氢键，使得分子的非键轨道能量有较大程度的降低，使n→π＊跃迁所需的能量相应增大，致使吸收谱带发生蓝移。262.pH值对紫外光谱的影响pH值的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大，如果化合物溶液变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质。如果变为碱性，发生蓝移，可能为芳胺。例如：苯酚（当pH大于7时，发生红移）苯胺与盐酸苯胺溶剂对紫外吸收光谱的影响利用被测物质的分子对紫外-可见光具有选择性吸收的特性而建立的分析方法。一、紫外－可见吸光光度法的特点（1）具有较高的灵敏度。（2）有一定的准确度，该方法相对误差为2%-5%，可满足对微量组分测定的要求。（3）操作简便、快速、选择性好、仪器设备简单。（4）应用广泛互补光单色光：只具有一种波长的光。混合光：由两种以上波长组成的光，如白光。物质对光的选择性吸收白光青蓝青绿黄橙红紫蓝1、光的互补性与物质的颜色物质的颜色是由于物质对不同波长的光具有选择性的吸收作用而产生的，物质的颜色由透过光的波长决定。例：硫酸铜溶液吸收白光中的黄色光而呈蓝色；高锰酸钾溶液因吸白光中的绿色光而呈紫色。如果两种适当颜色的光按一定的强度比例混合可以得白光，这两种光就叫互为补色光。物质呈现的颜色和吸收的光颜色之间是互补关系。/nm颜色互补光400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿不同颜色的可见光波长及其互补光白光青蓝青绿黄橙红紫蓝2、吸收光谱或吸收曲线吸收曲线：测定某种物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。KMnO4的吸收曲线最大吸收波长，max定量分析的基础：某一波长下测得的吸光度与物质浓度关系的有关300400500600350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光谱350光谱定性分析基础：吸收曲线的形状和最大吸收波长33三、光的吸收定律光的吸收程度和吸收层厚度的关系A∝b光的吸收程度和吸收物浓度之间的关系A∝c朗伯—比耳定律A=εbc吸光光度法的理论基础和定量测定的依据朗伯(Lambert)比耳(Beer)34A：吸光度---溶液对光的吸收程度b：液层厚度(光程长度,cm)c：溶液的摩尔浓度，mol·L－１ε：摩尔吸光系数，L·mol－１·cm－１；三、光的吸收定律A＝lg（I0/It)=εbc浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度A＝lg（I0/It)=abcc：溶液的浓度，g·L－１a：吸光系数，L·g－１·cm－１浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度a——εa=ε/M（M为摩尔质量）35摩尔吸光系数三、光的吸收定律不随浓度c和光程长度b的改变而改变，在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。代