§3紫外-可见分光光度法.

紫外可见分光光度法§3紫外-可见分光光度法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry,UV-Vis)紫外可见分光光度法§3.1概述定义：紫外-可见分光光度法是基于分子内价电子（对200~800nm光谱区辐射）发生跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种光学分析方法。特点：(1)灵敏度高;(2)准确度好;(3)仪器结构简单，操作简便快速。紫外可见分光光度法发展简史：1729年：波格（Bouguer）发现物质对光的吸收与吸光物质的厚度有关；1760年：其学生朗伯（Lambert）发现当一束平行单色光通过吸光物质后，光的吸收程度与溶液液层厚度成正比；1852年：Beer发现当一束平行的单色光通过吸光物质后，光的吸收程度与吸光物质微粒的数目（溶液的浓度）成正比，提出了朗伯-比尔定律；1870年：法国人杜包斯克（JDuboscq)制造了“杜包斯克比色计”，沿用了70多年；20世纪以来：多元络合物、高灵敏显色剂、计算机的应用，使之得到蓬勃发展。紫外可见分光光度法另一方面：1833年希儒斯特(Brewester)观察并记录过吸收光谱，后来密勒(Miller)又系统研究了紫外区的光谱，并指出物质的吸收情况与基团、原子和分子的性质有关。以后哈脱莱(Hartley)改进了仪器。接着贝利(Baly)又发现与吸收光谱相似的有机物，它们的结构亦相类似，认为由此可以鉴定分子结构。进入20世纪以来，紫外-可见分光光度法得到广泛的应用。紫外可见分光光度法§3.2紫外-可见吸收光谱(1)分子吸收光谱的产生分子外层电子—吸收外来外来辐射—产生电子能级跃迁—分子吸收光谱。紫外可见分光光度法在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的。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，同时伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。rveΔΕΔΕΔΕΔΕ紫外可见分光光度法根据吸收电磁波范围的不同，可将分子吸收光谱分为：远红外光谱——分子的转动能级差一般为0.005~0.05eV。吸收的波长约为250~25m。因此，称为转动光谱或远红外光谱。红外光谱——分子的振动能级差一般在0.05~1eV，吸收的波长约为25~1.25m。因在分子振动的同时伴有分子的转动运动，故分子振动产生的吸收光谱中，包括转动光谱。因此，称为振-转光谱或红外光谱。紫外、可见光谱——电子的跃迁能差约为1~20eV，所吸收光的波长约为12.5~0.06m，主要在真空紫外到可见光区，故称为电子光谱或紫外、可见吸收光谱。紫外可见分光光度法通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一振动（或不同的转动）能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带，这就是为什么分子的紫外、可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱的原因。又因为绝大多数的分子光谱分析，都是用液体样品，加之仪器的分辨率有限，因而使记录所得电子光谱的谱带变宽。由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（60~200nm）均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外—可见分光光度法，实际上是指近紫外、可见分光光度法。为什么分子的紫外、可见光谱带状光谱？紫外可见分光光度法以一连续辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，然后以入射光波长为横坐标，以电信号（吸光度A）为纵坐标，就可以得到一张A-λ曲线图——分子吸收光谱图。紫外可见分光光度法有机化合物分子对紫外-可见光的特征吸收，可用最大吸收波长λmax表示紫外可见分光光度法(2)紫外-可见吸收光谱的主要类型紫外可见分光光度法紫外-可见吸收光谱主要类型有：n*跃迁:*跃迁:n*跃迁:电荷转移:配位场跃迁:紫外可见分光光度法(3)有机化合物的紫外-可见吸收光谱紫外可见分光光度法(-*：C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6(135nm)，处于真空紫外区；-*和-*：尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处于真空紫外区；)n-*：含有氧、氮、硫、卤素等杂原子的基团，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。紫外可见分光光度法*跃迁：它需要的能量低于*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长max为162nm。n*跃迁：这类跃迁发生在近紫外光区。它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。电荷转移跃迁：所谓电荷迁移跃迁是指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁。因此，电荷迁移跃迁实质是一个内氧化—还原的过程，而相应的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。例如某些取代芳烃可产生这种分子内电荷迁移跃迁吸收带。电荷迁移吸收带的谱带较宽，吸收强度较大，最大波长处的摩尔吸光系数max可大于104。紫外可见分光光度法一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括p-d跃迁或称电荷转移跃迁以及d-d,f-f跃迁或称配场跃迁。电荷转移跃迁(Chargetransfertransition)一些同时具有电子给予体(配位体)和接受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从给予体跃迁至接受体所产生的光谱。max较大(104以上)，可用于定量分析。SCNFeSCNFeLMLMhbnhbn23)1()1((4)无机化合物的紫外-可见吸收光谱紫外可见分光光度法配场跃迁(Ligandfieldtransition)过渡元素的d或f轨道为简并轨道(Degenerationorbit)，当与配位体配合时，轨道简并解除，d或f轨道发生能级分裂，如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱。吸收系数max较小(102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。紫外可见分光光度法(5)常用术语生色团（Chromogenesisgroup）——从广义来说，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。但这里通常是指能吸收紫外、可见光的原子团。生色团实际上是一些具有不饱和键和含有孤对电子的基团。如：C==C；=C=O；-N=N-。表6-1某些常见生色团的吸收光谱生色团溶剂/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*紫外可见分光光度法助色团（Auxochromousgroup）———本身不产生吸收峰，可使生色团吸收峰向长波方向移动，并提高吸收强度的官能团。如：-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等红移或蓝移（Redshiftorblueshift）：有机化合物分子中因取代基的变更或溶剂的改变，最大吸收波长λmax向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。向红基团：-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2向蓝(紫)基团：-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3紫外可见分光光度法共轭效应形成共轭体系——各能级间的能量差减小——？？？pH的影响溶剂效应（6）影响紫外、可见吸收光谱的因素+H+→紫外可见分光光度法溶剂对紫外—可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。如：正己烷CHCl3CH3OHH2O*max/nm230238237243n*max/nm329315309305可以看出，当溶剂的极性增大时，由n*跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由*跃迁产生的吸收带发生红移。因此，在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响紫外可见分光光度法由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性；（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂；（3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。紫外可见分光光度法§3.3光吸收定律一.Lambert-Beer定律——紫外-可见分光光度法定量依据透光率——透过光强度(I)与入射光强度(I0)之比T=I/I0吸光度——透过率的负对数A=-lgI/I0(无量纲)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。kclA紫外可见分光光度法当浓度以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。aclAclA紫外可见分光光度法偏离L-B定律的因素样品吸光度A与光程l总是成正比。但当l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）待测物浓度：浓度高，吸收质点间隔变小，质点间相互作用增大，对特定辐射的吸收能力发生变化；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。紫外可见分光光度法2)仪器因素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。假设入射光由测量波长x和干扰i波长组成，据Beer定律，溶液对在x和i的光的吸光度分别为：综合前两式，得当x=i时，或者说当x=i时，有A=xbc,符合L-B定律；当xi时，或者说当xi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xi，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xi，则产生正偏离。bcixxixxxeIIbcIIA)(0)(0lg或bciiiiiieIIbcIIA)(02)(0lg或bcibcxixixixixIIIIIIIIA1010lglg)(0)(0)(0)(0)(0)(0紫外可见分光光度法b）狭缝宽度：“单色光”仅是理想情况，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