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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）二、分子吸收光谱的特点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0.005-0.05一.分子的电子光谱电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。第二节紫外-可见分子吸收光谱的理论基础分子的电子光谱的特点：•1在波长范围内按一定强度分布的谱带—带光谱•2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•3分子在不同环境中的谱带形状二、电子能级和跃迁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*CCCCCOCOOHCOORCSNN2、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红移和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:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。三、影响紫外-可见光谱的因素三、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。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，光谱发生变化四.定性和定量分析依据（1）定性分析依据：可根据吸收光谱曲线的形状，即曲线上吸收峰的数目，峰所对应的波长及峰的相对高度来进行定性分析。（2）定量分析的依据：根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来进行定量分析。A＝lg(I0/It)=εbc第三节光的吸收定律光的吸收定律1.朗伯-比尔吸收定律•布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。A∝b•1852年比尔(Beer)又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之间的关系。A∝c•二者的结合称为朗伯-比尔定律A=εbcA＝lg(I0/It)＝εbc式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；（A无单位）b：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；在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；朗伯–比尔定律数学表达式A＝lg（I0/It)=εbcA：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，单位L·mol-1·cm-1；在数值上等于浓度为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——ε的关系：a=ε/M（M为摩尔质量）摩尔吸收系数ε的讨论（1）ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。（2）吸收物质是在一定温度、波长和溶剂条件下的特征常数。（3）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（4）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。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。（5）εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。通常，在λmax处：ε﹥105超高灵敏的方法ε＝（6～10）×104高灵敏的方法ε＝（2～6）×104中灵敏的方法ε﹤2×104不灵敏的方法（6）可作为定性鉴定的参数；透过度T:描述入射光透过溶液的程度:T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:A=lg1/T朗伯-比尔定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量。2.透光度T应用举例某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算（a）吸收系数；（b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。解：应用举例某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算(a)吸收系数；(b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。解：（a）ε=A/bc=0.300/2.0×4.5×10-3=33.3L·g-1·cm-1（b）T=10-εb’c=10-A’T%=10-εb’c×100％=10-A’×100％=17.81％3.朗伯-比尔定律偏离的原因标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲(尤其当溶液浓度较高时)，这种现象称为对朗伯-比尔定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：（1）物理性因素，（2）化学性因素。（1）物理性因素朗白-比尔定律的前提条件之一是入射光为单色光。难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近似于单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯-比尔定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗白-比尔定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。非单色光作为入射光引起的偏离假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：A1＝lg(Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bcA2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉo1、Ｉo2分别为λ1、λ2的入射光强度；Ｉt1、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；ε1、ε2分别为λ1、λ2的摩尔吸光系数；因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故cbcbIIII212111εOtεOt10;10A总＝lg(Io总/It总)＝lg(Io1+Io2)/(It1+It2）＝lg(Io1+Io2)/(Io110-ε1bc+Io210-ε2bc)令：ε2–ε1＝；Io1＝Io2A总＝lg(2Io1)/It1(1＋10-bc)＝A1+lg2-lg(1＋10-bc)讨论:A总=A1+lg2-lg(1＋10-εbc)(1)=0；即：1=2=则：A总＝lg（Ｉo/Ｉt）＝bc(2)≠0若0；即21；-bc0,lg(1＋10-bc)值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。讨论:A总=A1+lg2-lg(1＋10-εbc)(3)｜｜很小时，即ε1≈ε2：可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使｜｜很小，A总≠Ａ1，且随着c值增大，A总与A1的差异愈大，在图上则表现为A-c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯-比尔定律只适用于稀溶液。(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射光波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。(2)化学性因素•朗白-比尔定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；此假定只有在稀溶液(c10-2mol/L)时才基本符合。当溶液浓度c10-2mol/L时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。•故：朗伯-比尔定律只适用于稀溶液。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。例：铬酸盐和重铬酸盐溶液中存在下列平衡：CrO42-＋2H＋=Cr2O72-＋H2O溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。350380CrO42-Cr2O72-/nmA04、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4、检测器光电被增管—CCD3、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