6紫外-可见分光光度分析法.

第五章紫外-可见分光光度分析法第一节紫外-可见分光光度法利用物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱，对物质进行定性、定量分析及结构分析的方法。价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er一、原理1、紫外可见吸收光谱的产生E总=E电子+E振动+E转动且E电子E振动E转动E=E2-E1=h能级跃迁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。电子能级跃迁振动能级跃迁转动能级跃迁吸收光谱用不同波长的光依次透过待测物质，并测量物质对不同波长的光的吸收程度（吸光度）。吸收曲线----横坐标：波长纵坐标：吸光度体现了物质对不同波长的光的吸收能力，也称为吸收光谱。（1）转动能级：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级：1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱。二、分子吸收光谱的类型200-380nm：近紫外区380-780nm：可见光区10-200nm：远紫外区，由于空气中氮、氧、水等均对此区域光有吸收，若利用此范围的光进行吸收测定时，必须先对光学系统抽真空，然后充入惰性气体，所以称为真空紫外区，实际应用受到一定限制。1、紫外-可见光谱2、红外光谱（振-转光谱）分子振动能级差一般在0.025-1eV,相当于0.78-50μm的近红外及红外光,也即近红外、红外光区的光能可引起分子振动能级（包括转动能级）的跃迁，由此得到的吸收光谱称为红外光谱亦称振-转光谱。3、远红外光谱（转动光谱）分子转动能级差一般在0.005-0.025eV,相当于50-300μm的远红外光,也即远红外光区的光能只能引起分子转动能级的跃迁，由此得到的吸收光谱称为远红外光谱亦称转动光谱。由于分子吸收足够的能量产生电子能级的跃迁时，伴随有振动及转动能级的跃迁，相当于若干个谱带系相互重叠，所以分子光谱为带状光谱。三、分子吸收光谱与电子跃迁1．紫外—可见吸收光谱有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。（1）电子类型形成单键的电子C-HC-C形成双键的电子C=CC=O未成对的孤对电子n电子C=OCOHnH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＊（最小）π→π＊n→σ＊σ→σ＊（最大）分子轨道：成键轨道：σ、π反键轨道：σ*、π*非键轨道：n能量高低σ＜π＜n＜π*＜σ*⑴σ→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。*位于远紫外区，吸收强度大，有机化合物中饱和烃均为单键，吸收带小于160nm，在远紫外区，因此，此类化合物常用于紫外-可见吸收光谱分析的溶剂。⑵n→σ＊跃迁所需能量较大（比*小）。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。如含-OH、-NH2、-X、-S等基团的化合物，其杂原子中的孤对电子吸收能量后向*反键轨道跃迁，其吸收波长在200nm左右。n*跃迁的摩尔吸光系数较小。⑶π→π＊跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收，摩尔吸光系数大。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为1×104L·mol-1·cm－1。⑷n→π＊跃迁分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊跃迁。需能量最低，吸收波长λ200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小。丙酮n→π＊跃迁的λmax为275nmεmax为22L·mol－1·cm－1（溶剂环己烷)。5、电荷迁移跃迁所谓电荷迁移跃迁是指用在光能的激发下，化合物的电荷发生重新分布，导致电荷从化合物的一部分迁移至另一部分而产生吸收光谱。（分子内转移）OO-hvPhCR(+)PhCR电荷转移吸收光谱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。电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。生色团与助色团生色团：是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。常用术语助色团：有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，使电子的活动范围增大，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团（－OH、－Cl）。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:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。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。四化合物紫外—可见光谱的产生(一)有机化合物紫外-可见吸收光谱1、饱和烃及其取代衍生物*跃迁。最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。小结：它们在近紫外区对紫外线是透明的，所以可用作紫外测定的良好溶剂。2、不饱和烃及共轭烯烃*和*两种跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为180nm。共轭烯烃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。3、羰基化合物*、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。苯及其衍生物的紫外吸收苯环显示三个吸收带,都是起源于ππ*跃迁.max=184nm(=60000）E1带max=204nm(=7900）E2带max=255nm(=250）B带1)气态或非极性溶剂中，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。2)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。生色团取代的苯：含有π键的生色团与苯环相连时，产生更大的ππ*共轭体系，使B带E带产生较大的红移。助色团取代苯：助色团含有孤电子对，它能与苯环π电子共轭。使B带、E带均移向长波方向。5、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，但是与苯本身相比较，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。1、问：在分子(CH3)2NCH＝CH2中，预计发生的跃迁类型有哪些？2、问：下列化合物中，同时有n*,*,*跃迁的化合物是(1)一氯甲烷(2)丙酮(3)1，3－丁二烯(4)甲醇σ→σ*；n→*；n→σ*；→*；试估计下列化合物中哪一种化合物的max最大，哪一种化合物的max最小，为什么？.解：（b)(a)(c)(b)中有两个共轭双键，存在K吸收带，(a)中有两个双键，而(c)中只有一个双键．OOHOCH3OCH3(a)(b)(c)（二）、无机化合物的紫外可见吸收光谱1、电荷转移跃迁外来辐射照射到某些化合物时，可能发生一个电子从体系的电子给予体部分转移到该体系的另一电子接受体部分，即给予体的一个电子向接受体的一个电子轨道跃迁，相当于化合物内部发生了内氧化还原过程，如：电荷转移吸收带的特点是吸收强度大，εmax＞104L·mol-1·cm-1。利用它进行定量分析，有利于灵敏度的提高。2、配位场跃迁是指含有过渡金属及镧系锕系元素的配合物在配位体的配位场作用下d轨道或f轨道发生能级分裂，电子吸收能量发生d能级或f能级跃迁，由此产生配位场吸收带。d－d电子跃迁吸收带是由于d电子层未填满的第一(3d)、二(4d)过渡金属离子的d电子，在配位体场影响下分裂出的不同能量的d轨道之间的跃迁而产生的。f－f电子跃迁是由镧系和锕系元素的4f和5f电子跃迁产生的。因f轨道被已填满的外层轨道屏蔽，不易受溶剂和配位体的影响，所以吸收带较窄。三、影响吸收谱带的因素一、生色团或助色团的影响：饱和有机化合物中引入生色团或助色团。溶剂的影响1、对吸收带精细结构的影响：1）极性溶剂中时，溶质分子溶剂化，使其转动光谱消失，并限制了溶质分子的自由转动和分子振动，导致精细结构模糊甚至不出现。2）非极性溶剂中，其光谱与该物质的气态的光谱相似。2、极性大的溶剂使π→π*跃迁的吸收带红移（能级差减小）；使n→π*跃迁的吸收带紫移（能级差增大）。注明所用的溶剂，选择溶剂时注意下列几点：（1）溶解性，对溶质惰性，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）在样品的吸收光谱区应无明显吸收。例：某化合物在正己烷和乙醇中分别测得最大吸收波长max=305nm和max=317nm，试指出该吸收是由哪一种跃迁类型所引起?为什么?因溶剂极性增大，max红移，所以由π→π*跃迁引起。四、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：朗伯—比耳定律数学表达式A＝lg（I0/It)=εbc式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；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；朗伯—比耳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；摩尔吸光系数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；吸光度具有加和性（重要性质）在互相不作用的多组分体系进行吸光分析测定时，往往各组分对同一波长的光均有不同程度吸收，则当一束单色光通过此溶液时，测得的总吸光度是各组分吸光度之和：A总=A1+A2+A3+…+An=1bc1+2bc2+…+nbcn透光度(透光率)T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＝－lgT2.摩尔吸光系数ε的讨论吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；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。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。摩尔吸光系数ε的讨论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。ε105：超高灵敏；ε=(6～10）×104：高灵敏；ε2×104：不灵敏。为什么在最大吸收波长处检测？1、A-λ曲线在最大吸收波长处斜率最小，此时ΔA/Δλ