紫外可见分光光度法..

第二章紫外可见吸收光谱法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis)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。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750nm，主要用于有色物质的定量分析第五章紫外可见吸收光谱法第一节紫外可见吸收光谱法的原理第二节紫外可见吸收光谱第三节紫外可见吸收光谱的仪器第四节紫外可见吸收光谱的应用第一节紫外可见吸收光谱法的原理当一束紫外可见光照射分子时，若分子中的某些价电子的能级差⊿E电恰好与某一频率的光相适应时⊿E电=hν，则该频率的光被该物质选择性的吸收，产生紫外可见光谱。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。宏观上，透射光强度降低；微观上，价电子由基态跃迁至激发态。紫外吸收曲线紫外吸收光谱以波长λ（nm）为横坐标，以吸光度A或吸收系数ε为纵坐标。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax；在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax＞104为强吸收，εmax=104~103为较强吸收，103~102为中等强度吸收，εmax102为弱吸收。Cr2O72-及MnO4-吸收光谱吸收曲线的讨论：①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。②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。③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。光的吸收定律1.朗伯—比耳定律•布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b•1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c•二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：kbcA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k为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以g/L表示时，称k为吸光系数，以a表示，即当浓度以mol/L表示时，称k为摩尔吸光系数，以表示，即比a更常用。越大，表示方法的灵敏度越高。与波长有关，因此，常以表示。kbcAabcAbcA朗伯—比耳定律数学表达式A＝-lgT＝-lg（It/I0)=εbc式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；T:透过率T＝It/I0b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L－１；ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；适用于浓度小于0.01mol•L-1的稀溶液2.摩尔吸光系数ε的讨论特征常数----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，不随浓度c和光程长度b的改变而改变。同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。εmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。习题某分光光度计使用480nm单色器和2cm吸收池，其入射光强度I0=79.6。当用该分光光度计检测浓度为2.0×10-4mol·L-1的某有色物质时，其透射光强度I=17.5，试计算该有色物质的摩尔吸光系数。A=-lgT=lgI0/I=εbcε=1645L·mol-1·cm-1Ex在310nm时，如果溶液的百分透射比是90%，在这一波长时的吸收值是（）A、1；B、0.1；C、0.9；D、0.05第二节紫外可见吸收光谱一、电子跃迁类型1、价电子类型：按分子轨道理论，在有机化合物分子中有几种不同类型的价电子。1）σ电子：形成单键的电子称为σ电子。2）π键电子：形成双键的电子，称为π键电子。3）n电子：氧、氮、硫、磷和卤素等含有未成键的孤对电子称为n电子（或p电子）。COHnpsH下面化合物中存在何种价电子？CH4，C2H6CH3Cl，CH3OH,CH3NH2CH2=CH2CH2=CH-CH=CH2有机分子能级跃迁成键轨道s、p；反键轨道s*、p*非键轨道n例如CH2O分子的轨道：COoooo=s=po=n2、跃迁类型跃迁能级类型与能级次序sp*s*RKE,BnpE各轨道能级高低顺序：spnp*s*ΔΕ：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊跃迁类型（1）σ→σ*跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨道（2）n→σ*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃迁（3）π→π*跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。（4）n→π*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃迁。所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊CH4,C2H6sCH3Cl，CH3OH,CH3NH2snCH2=CH2CH2=CH-CH=CH2spσ→σ*σ→σ*n→σ*n→π＊σ→σ*π→π＊EX：指出下列分子中存在的跃迁类型Ex下列化合物中，有n→π＊，σ→σ*，π→π＊跃迁的化合物是（）A、一氯甲烷；B、丙酮；C、丁二烯；D、邻二甲苯σ→σ＊跃迁所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ200nm；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。超出紫外、可见分光光度计的测量范围，只能被真空紫外分光光度计检测到。作为溶剂使用；n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。600215CH3NH2365258CH3I200173CH3CL150184CH3OH1480167H2Omaxmax（nm）化合物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。π→π＊跃迁（K带）所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。烯烃或共轭烯烃中存在这种跃迁方式当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，pp*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。共轭效应：由于大π键的形成，使跃迁所需能量减小，波长长移，吸收强度增加的这种效应。CH2=CH2的p-p*跃迁，max=165~200nm；而1,3-丁二烯CH2=CH-CH=CH2，max=217nmn→π*跃迁（R带）一般能量相当于50~250nm的紫外光。εmax值在102-103，属于中等强度的吸收。含有孤对电子的分子中存在这种跃迁方式。Ex（CH3）3N能发生n→σ＊跃迁，其λmax为227nm（ε900）.试问，若在酸中测定时，该峰会怎样变化？为什么？二、有关概念（1）发色团：分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统，也叫生色团。象C=C、C=O、C≡C等都是发色团。（2）助色团：本身不能吸收波长大于200nm的光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动，并使吸收强度增加的基团。如-OH,-OR,-NHR,-SH,-Cl,-Br,-I等二、有关概念（3）红移和紫移在有机化合物中，常因取代基的变更或溶剂的改变，使其吸收带的最大吸收波长发生移动。向长波方向移动的现象称为红移；向短波方向移动的现象称为紫移（蓝移）。那么促使分子发生红移或蓝移的因素有哪些呢？三、影响紫外可见吸收光谱的因素1.溶剂效应：由溶剂的极性强弱引起的吸收峰波长发生位移，吸收强度和形状发生改变的现象。（1）对吸收波长的影响：由于溶剂和溶质间常形成氢键，或溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起n→π＊或π→π＊吸收带的迁移。π→π＊中，激发态极性大于基态，所以极性溶剂中π＊比π能量下降得多，λmax红移；n→π＊中，n与极性溶剂形成氢键，降低能量较多，λmax蓝移max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)pp*230238237243np*329315309305π→π＊吸收：极性溶剂中λmax红移；n→π＊吸收：极性溶剂中λmax蓝移H3C(CH=CH)2CH3的溶剂从非极性到极性变化的时候，紫外吸收曲线会发生红移还是蓝移？红移！（2）对吸收强度和精细结构的影响精细结构在非极性溶剂中较清楚，但在极性溶剂中较弱，有时变成一宽峰。因此在溶解度允许的范围内应选择极性较小的溶剂。2.共轭效应：由于大π键的形成，使跃迁所需能量减小，波长长移，吸收强度增加的这种效应。如:CH2=CH2的p-p*跃迁，max=165~200nm；而1,3-丁二烯CH2=CH-CH=CH2，max=217nm下图是三种物质H3C(CH=CH)nCH3(n=3,4,5)在己烷中的紫外吸收曲线，试判断这三组紫外吸收曲线分别对应于哪种物质？当选用极性溶剂时，这三种物质的紫外吸收曲线会发生红移还是蓝移？3.超共轭效应：烷基上的σ电子（C-H）与共轭体系中的π电子共轭，使得λmax向长波方向移动，吸收强度增大，这种σ键与π键共轭引起的波长改变现象称为超共轭效应。例如：CH2=CH-CH=CH2λmax=217nmCH3-CH=CH-CH=CH2λmax=222nm4.助色效应：含未成键n电子的助色团（如-OH、-NH2、-OR、-X等）与发色团相连时，产生n电子与π电子共轭，使吸收峰向长波方向移动，吸收强度增强，这种效应称为助色效应。5.空间效应：由于空间位阻妨碍两个发色团处于同一平面，使共轭程度降低，吸收峰向短波方向移动，强度降低的现象称为空间效应。CCHHCCHH顺反异构顺式：λmax=280nm反式：λmax=295.5nmH3CCH2CCOEtOOH3CCHCCOEtOHO互变异构烯醇式：λmax=243nm酮式：λmax=204nm四、无机化合物的紫外-可见吸收光谱一般分为两大类：电荷迁移跃迁配位场跃迁过渡金属的d或f轨道与配体生成络合物时，发生能级分裂，络合物吸收电磁辐射可发生d-d或f-f跃迁。配体的配位场越强，轨道分裂能越大，吸收峰波长越短。此跃迁概率较小，摩尔吸光系数只有0.1~100L·mol-1,利用价值不大。配位场跃迁电荷迁移跃迁配位体与金属离子之间产生电子跃迁电子给予体的电子亲和力越小，激发所需的能量越低，吸收波长越长。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h电荷迁移跃迁例：Fe3+与SCN-形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：[Fe3＋SCN－]＋hν=[FeSCN]2＋第三节紫外可见吸收光谱的仪器一、仪器的基本组成1.光源：可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢灯、氘灯作为光源，发射185～400nm的连续光谱。光源单色器样品室检测器显示器2.单色器作用：将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任意波长单色光的光学系统。光源单色器样品室检测器显示器3、吸收池样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。4、检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。常用的有光电池、光电管或光电倍增管。5、结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理.二、分光光度计的类型1.单光束简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2.双光束自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变