紫外可见分光光度法

第十章紫外－可见分光光度法（UV-vis）第十章内容提要第一节紫外—可见分光光度法的基本原理和概念第二节紫外—可见分光光度计第三节紫外—可见分光光度分析法第十章概述第十章紫外－可见分光光度法是根据物质分子对紫外或可见光区（200～800nm)电磁辐射的吸收特征或吸收程度而建立的分析方法。对物质进行定性分析、定量分析及结构分析。按所吸收光的波长不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外-可见分光光度法。紫外-可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁产生的。波长范围：100-800nm.(1)远紫外光区:100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。紫外-可见分光光度法的特点：(1)具有较高的灵敏度，适用于微量组分的测定。(2)通常所测试液的浓度下限达10-510-6mol/L。(3)吸光光度法测定的相对误差约为2%~5%。(4)测定迅速，仪器操作简单，价格便宜，应用广泛(5)几乎所有的无机物质和许多有机物质的微量成分都能用此法进行测定。(6)常用于化学平衡等的研究。紫外－可见吸收光谱的产生：分子中的价电子能级跃迁产生的有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。COHnpsHσ＜π＜n＜＜*π*σ第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念一、电子跃迁类型紫外－可见吸收光谱的产生σ→σ*＞n→σ*＞π→π*＞n→π*紫外－可见吸收光谱的产生有机化合物的吸收光谱主要由σ→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*及电荷迁移跃迁产生的。无机化合物的吸收光谱主要由电荷迁移跃迁和配位场跃迁产生。跃迁类型能在紫外光区产生吸收的有机化合物：不饱和且具有共轭系统跃迁类型波长范围及特点基团能量s→s*含杂原子的不饱和基团远紫外区(max150nm)含杂原子饱和基团饱和烃C-C单键近紫外区200nm左右，跃迁几率大，max104，强吸收跃迁几率小max102，弱吸收C=C（共轭）远近紫外交界处n→s*n→p*p→p*E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。1.电荷转移跃迁(Chargetransfertransition)一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。max较大(104以上)，可用于定量分析。SCNFeSCNFeLMLMhbnhbn23)1()1(无机物分子能级跃迁2.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。二、紫外－可见吸收光谱的常用概念吸收光谱也称为吸收曲线。用连续的光照射化合物的稀溶液，部分波长的光被吸收，被吸收光的波长和吸收程度取决于有机物的结构。以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标，即得吸收光谱。紫外、可见吸收光谱1吸收曲线特点连续的带状光谱分子对辐射能的吸收具有选择性，吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax。吸收曲线的形状、λmax及吸收强度等与分子的结构密切相关。在吸收曲线上，最大吸收峰所对应的是最大吸收波长（λmax），为不同化合物的特征波长。吸收曲线的形状是物质定性的主要依据，在定量分析中可提供测定波长，一般以灵敏度较大的λmax为测定波长。峰与峰之间的部位叫谷，该处对应波长为最小吸收波长。在图谱短波端只呈现强吸收但不成峰的部分称为末端吸收（endabsorption）。吸收光谱特征：定性依据吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh末端吸收→饱和σ-σ*跃迁产生发色团和助色团发色团也称为生色团。分子中的某一基团能在一定的波段范围内产生吸收而出现吸收带，这一基团称为生色团。典型的生色团有羰基、羧基、酯基、偶氮基、硝基以及芳环等。这些生色团的结构特征是都含有π电子。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)，但当它们与发色团相连时，就会发生n—π共轭作用，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。蓝移和红移由于取代基的作用或溶剂效应，导致发色团的吸收峰向长波方向移动的现象称为向红移动，简称红移。发色团的吸收峰向短波方向移动的现象称为向紫移动，简称蓝移。由于化合物的结构改变或其它效应,使吸收强度增加的效应称为浓色效应；使吸收强度减弱的效应称为淡色效应。浓色效应和淡色效应有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。COHnpsHsp*s*RKE,BnpE分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。Ultravioletspectrometryoforganiccompounds三、吸收带及其与分子结构的关系吸收带1.R带从德文Radikal(基团)得名为n→π*跃迁引起的吸收带。如羰基－CO－,－NO2、－CHO等，其特点为吸收强度弱，ε＜100，吸收峰波长一般在270nm以上；2.K带从德文Konjugation(共轭作用)得名为π→π*跃迁引起的，如共轭双键。该吸收带的特点为吸收峰很强，ε＞104，最大吸收峰位置一般在217～280nm。共轭双键增加，λmax向长波方向移动，εmax也随之增加；3.B带从德文Benzenoid(苯的)得名为芳香化合物(包括杂环芳香化合物)的特征吸收带。这是由于π→π*跃迁和苯环的振动重叠引起的。苯蒸气在230～270nm处出现精细结构的吸收光谱，称为笨的多重吸收带或精细结构吸收带。在极性溶剂中或苯环上有取代基时，复杂的B吸收带简化，精细结构消失，出现一宽峰，中心在256nm，ε＝220。是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的跃迁所产生的。分为E1和E2吸收带，其中E1在185nm附近，ε=47000，E2在204nm，ε=7900，均为强吸收。4.E带羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱；CCH3Onp*;R带pp*;K带B带和E带苯的B带吸收光谱苯蒸气苯的乙醇溶液苯异丙烷溶液的紫外吸收光谱B带E1带E2带苯乙酮的紫外吸收光谱吸收带max(nm)max(L·mol-1·cm-1)B带R带278319K带24013000110050B带R带苯乙酮的吸收带lgE2带?K带共轭生色团四、影响吸收带的因素•位阻影响•跨环效应•溶剂效应•pH影响共轭系统共平面性↓→共轭效应↓→max↓（短移），↓溶剂极性↑→K带长移，R带短移max210.5nm,270nm235nm,287nm二苯乙烯顺反异构体的紫外吸收光谱顺式反式位阻影响溶剂效应溶剂极性↑(n→p*)K带长移R带短移(p→p*)p→p*非极性溶剂极性溶剂p*pE非n→p*极性溶剂对两种跃迁能级差的影响E极非极性溶剂p*n极性溶剂E非E极五、朗伯-比耳（Lambert-Beer）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∝l•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。朗伯—比耳定律数学表达式II0ldxII-dIs0IITEClA1010TECllgTAA—吸光度(absorbance)l—介质厚度(length/cm)C—浓度(concentration)E—吸光系数(absorptivity)T与A的关系T100%50%25%10%1.0%0.1%0.01%0.001%0%A00.3010.6021.002.03.04.05.0上述说明：T值为0％至100％内的任何值。A值可以取任意的正数值。吸光度具有加和性。LCELCELCEA221121nnnAAA总入射光强度I0透射光强度It一束平行单色光讨论：1．Lamber-Beer定律的适用条件（前提）入射光为单色光溶液是稀溶液2．该定律适用于固体、液体和气体样品3．在同一波长下，各组分吸光度具有加和性应用：多组分测定cbaAAAA总朗伯-比尔定律的适用条件单色光应选用max处或肩峰处测定.稀溶液浓度增大，分子之间作用增强.吸光质点形式不变离解、络合、缔合会破坏线性关系,应控制条件(酸度、浓度、介质等).2．吸光系数两种表示法：1）摩尔吸光系数ε：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度2）百分含量吸光系数/比吸光系数：在一定λ下，C=1g/100ml，L=1cm时的吸光度3）两者关系3．吸收光谱（吸收曲线）：λ~A%1110cmEM最大吸收最小吸收特征值→定性依据肩峰末端吸收4、吸光系数E()的讨论（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）不随浓度C和光程长度L的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，E仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）同一吸收物质在不同波长下的E值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸收系数Emax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。（4）可作为定性鉴定的参数；（5）物质的吸光能力的度量Emax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。E105：超高灵敏；E=(6～10）×104：高灵敏；E=104～103：中等灵敏；E103：不灵敏。（6）E在数值上等于浓度为1mol·L-1、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。六、偏离比耳定律的原因CA1.现象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—比耳定律的偏离。2.引起偏离的因素（两大类）（1）物理性因素，即仪器的非理想引起的；（2）化学性因素。难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。物理性因素：非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。化学性因素朗伯—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；仅在稀溶液(c10-2mol·L-1)时才基本符合。故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。偏离Lambert－Beer定律的因素化学因素OHOCr2272+－++HCrO224－2橙色nmλ350=max黄色nmλ375=max若溶液稀释2倍，A离子的浓度不是减少2倍，而是受稀释平衡向右移动的影响，A离子浓度的减少明显地多于2倍，结果偏离Beer定律，而产生误差。A是指从单色器分出的光不在入射光谱带宽度范围内，与所选波长相距较远。杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成物理因素1.非单色光的影响2.非平行光3.杂散光透光率的测量误差(T)来源：仪器噪音(noise)性质：随机误差种类：暗噪音(检测器的不确定性引起的)散粒(讯号)噪音(signalshotnoise)暗噪音与迅号噪音的误差曲线暗噪音迅号噪音测量最适宜范围：A=0.2~0.7(或T=20~65%)测量条件的选择1、测定波长的选择：应该选择λmax为测定波长。但如果λmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。2、溶液吸光度的范围0.2～0.7之间第二节紫外-可见分光光度计光源单色器吸收池检测器显示器基本组成一、主要部件1.光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性