第一章紫外-可见吸收光谱法教程

第一章紫外-可见吸收光谱法Ultraviolet-VisibleAbsorptionSpectrometry，UV-VIS2引言：光学分析法光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析方法。包括从射线到无线电波的所有电磁波谱范围。物质对光的选择性吸收（一）当光束照射到物质上时，光与物质发生相互作用，于是产生反射、散射、吸收或透射，如图所示。光和物质发生作用示意图物质对光的选择性吸收（二）物质的颜色是由于它选择性的吸收了某一波长的可见光而产生的。/nm颜色互补光400～450紫黄绿450～480蓝黄480～490绿蓝橙490～500蓝绿红500～560绿红紫560～580黄绿紫580～610黄蓝610～650橙绿蓝650～760红蓝绿物质的颜色由透过光的颜色决定目视比色法标准系列未知样品特点利用自然光比较吸收光的互补色光准确度低(半定量)不可分辨多组分方法简便6分光光度法是基于被测物质的分子对光具有选择性吸收的特性而建立起来的分析方法。MnO4-的吸收光谱曲线将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度（即吸光度)300400500600700/nm5451.00.80.60.40.2Absorbance6007分光光度法特点：灵敏度高：测定下限可达10-5～10-6mol·L-1,准确度：能够满足微量组分的测定要求，相对误差2～5％操作简便快速应用广泛81.2紫外-可见吸收光谱1.1光吸收基本定律1.4紫外-可见吸收光谱的应用1.3紫外-可见分光光度计1.1光吸收基本定律（Lambert-Beer定律）91.透光率(透射比,Transmittance)透光率定义:0IITtT取值为0.0%~100.0%全部吸收T=0.0%全部透射T=100.0%入射光强度I0透射光强度It一束平行单色光1.1.1、朗伯－比尔定律2.吸光度(Absorbance)TTIIAtlg1lglg0＝1.1.1、朗伯－比尔定律常用吸光度来表示物质对光的吸收程度：A值越大，表明物质对光的吸收越大，量纲为1。KbcA当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质时，其吸光度与吸光物质的浓度和吸收层厚度的乘积成正比.3.Lambert-Beer定律（光吸收基本定律）1.1.1、朗伯－比尔定律K--吸光系数b--吸光液层的厚度(光程)，cmc--吸光物质的浓度，g/L,mol/L分光光度法的依据和基础吸光度与光程的关系A=Kbc0.10b0.202b0.00光源检测器显示器参比朗伯定律(1760)吸光度与浓度的关系A=Kbc0.10c0.202c0.00光源检测器显示器参比比尔定律(1852)KKa吸光系数，L·g–1·cm-1bcAabcAc：mol/Lc：g/L摩尔吸光系数，L·mol–1·cm-1吸光系数(K)入射光波长物质的性质温度与浓度无关,取值与浓度的单位相关16ε—摩尔吸光系数，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。但是，ε的值，不能直接取1mol/L这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。ε的物理意义及计算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17摩尔吸光系数ε同一吸光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，以εmax表示在温度和介质条件一定时，ε仅与吸光物质的结构与性质有关；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。越大,灵敏度越高:105超高灵敏度=(6～10）×104高灵敏=(2～6)×104中等灵敏度;2×104不灵敏.1.1.2、比尔定律的偏离根据比尔定律，当光程b固定时，吸光度A与有色溶液浓度c成正比，即A=Kc.因此，以吸光度对浓度作图应得到一条通过原点的直线，成线性关系。但是，实际测得的线性关系常常出现偏差，即不再遵守比尔定律。1.1.2、比尔定律的偏离当被测定试样浓度比较高时，曲线发生上翘或下弯，称为对比尔定律的偏离。A－C校正曲线产生偏离的原因(1)与样品有关的因素(2)与仪器有关的因素(1)与样品有关的因素浓度较大时，吸光质点的相互作用，产生负偏差，朗伯-比尔定律只适合于稀溶液（C10-2mol/L)。比尔定律本身的局限性当试样为胶体、乳状液或有悬浮物质存在时，一部分光会因散射而损失，使吸光度增大，产生正偏差。平衡效应：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：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：Cr2O72-+H2O＝2HCrO4-＝2H＋+2CrO42-（橙色）（黄色）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。(1)与样品有关的因素（2）与仪器有关的因素当入射光为单色光时，溶液的吸收才严格服从比耳定律，但在实际测定中，真正的单色光却难以得到。无论是用滤光片或棱镜分光，所得的光源仍是含有不同波长光线的复合光带。波长与吸光度关系示意图波段A：吸光度相差不大，吸光度A的综合值的线性关系好.波长与吸光度关系示意图波段B：吸光度相差很大，吸光度A的综合值与浓度C未必成正比，A-C曲线就不呈线性。（2）与仪器有关的因素1.1.4怎样避免这种偏离？（1）入射光纯度要高，应选择比较好的单色器。（2）入射光波长应选择吸收曲线斜率变化小的部位，即最大吸收波长处。261.1.3、L-B定律成立的条件均一溶液，稀溶液入射光为单色光溶液界面无反射，光度计内无杂散光溶液为真溶液（无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射）吸收过程中，吸收物质互相不发生作用27紫外-可见吸收光谱是基于分子内电子跃迁产生的分子吸收光谱，研究范围在200-800nm（UV200-380，VIS380-800nm）光区内的，灵敏度和选择性较好。涉及分子内外层电子(或价电子)的能级跃迁。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。1.2紫外-可见吸收光谱28物质分子内部三种运动形式，分别对应分子的三种能级：（1）电子相对于原子核的运动——电子能级（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动——振动能级（3）分子本身绕其重心的转动——转动能级能级是量子化的，各自具有相应的能量。1.2.1分子吸收光谱的形成29分子吸收外界辐射能,总能量变化为△E总，其中：电子运动能量变化:△E电子振动能量变化:△E振动转动能量变化△E转动转动振动电子总＋＋＝EEEE△E电子△E振动△E转动1.2.1分子吸收光谱的形成30chhvEEE'＝∆E－－能量，J；h－－普朗克常数（4.136×10－15eV·s）λ－－光的波长，cm；v－－频率，Hz；c－－光速（2.998×1010cm/s）当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光而由较低的能级E跃迁到较高能级E’上，所吸收的光的能量就等于两能级的能量之差：1.2.1分子吸收光谱的形成31运动的分子外层电子---吸收外来辐射---产生电子能级跃迁---分子的电子光谱。S2S1S0Ah分子内电子跃迁带状光谱S2S1S0Ah分子内电子跃迁带状光谱S2S1S0Ah分子内电子跃迁带状光谱1.2.1分子吸收光谱的形成跃迁能级需要能量（eV）相应波长（λ）光区光谱类型电子能级（价电子）1－201230－62nm紫外；可见紫外－可见吸收光谱（电子光谱）振动能级0.025－150－1μm红外红外吸收光谱（振动－转动光谱）转动能级0.025－0.00450－300μm远红外转动光谱（远红外光谱）1.2.1分子吸收光谱的形成将不同波长的光透过某一固定浓度和厚度的有色溶液，测量每一波长下有色溶液对光的吸收程度（即吸光度)300400500600700/nm5451.00.80.60.40.2Absorbance600吸收峰maxMnO4-的吸收光谱曲线以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，得到的谱图称为吸收曲线或吸收光谱。物质分子内部结构不同分子能级差异∆E不同选择吸收不同波长的光线1.2.1分子吸收光谱的形成341.2.2有机化合物的电子光谱有机化合物的紫外－可见吸收光谱，是由分子中价电子的跃迁产生的。1)形成单健的σ电子2)形成双健的π电子3)未成健的n电子价电子有以下三种：COHnpsH1.2.2.1、电子跃迁的主要类型1.2.2.1、电子跃迁的主要类型(1)σ→σ*(2)n→σ*(3)n→π*(4)π→π*分子中电子的能级和跃迁当分子吸收一定能量后，其价电子将从能量较低的轨道跃迁至能量较高的反键轨道。分子内各种电子的能级高低的次序为：s*p*nps1.2.2.1、电子跃迁的主要类型跃迁类型吸收波长吸收强度化学键（基团）化合物σ→σ*180nm-C-C,C-H饱和烃n→σ*200nm左右弱杂原子(如S、N、O、Cl、Br、或I等)饱和烃衍生物π→π*200nm左右强C=C，C≡C，C≡N不饱和有机物n→π*315～800nm弱-OH,-NH2,-X,-S等不饱和有机物有机化合物的吸收光谱是建立在n→π*或π→π*跃迁的基础上的，它们的吸收峰位于200～800nm范围内。这四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊1.2.2.1、电子跃迁的主要类型例1.电子能级间隔越小，跃迁时吸收光子的：A.能量越大；B.波长越长；C.波数越大；D.频率越高。例2.丙酮在己烷中的紫外吸收λmax为279nm，εmax为14.8，该吸收带是由哪种跃迁引起的？A.n→π*；B.π→π*；C.n→σ*；D.σ→σ*；1.2.2.1、电子跃迁的主要类型401.2.2.2电荷转移跃迁ADADhv电子给体电子受体某些分子同时具有电子给予体部分和电子接受体部分，在外来辐射激发下会吸收紫外或可见光，使电子从给予体外层轨道向接受体的电子轨道跃迁，产生电荷转移跃迁。41NR1R2NR1R2h电子受体电子给体CORhCRO1.2.2.2电荷转移跃迁42电荷转移跃迁实际上是一个分子内氧化-还原过程，相应的吸收光谱称为电荷转移吸收光谱。电荷转移光谱的谱带较宽，吸收强度大，最大吸收波长处的摩尔吸光系数max可大于104。1.2.2.2电荷转移跃迁431.2.4常用术语定义——在近紫外和可见区域有特征吸收的基团。结构特征——具有π电子：C＝C，C＝O，C≡N，N＝N，N＝O等。（1）生色团对应跃迁类型——π→π*和n→π*。44（1）生色团常见的生色团及其特性见：教材一个双键：π→π*跃迁,强吸收，远紫外区。多个生色团（共轭）：吸收出现在近紫外区。在紫外光谱中，生色团并非一定有颜色。1.2.3常用术语45助色团——本身不能在紫外-可见光区（200-800nm）产生吸收，但是当它们与生色团相连时，会使生色团的吸收带最大吸收波长发生移动，并且吸收强度增加。（2）助色团这类基团一般是带有非键电子对（孤对电子）的基团，如：—OH，—OR，—NHR，—SH，—Cl，—Br，—I1.2.3常用术语46在有机化合物中，常常因为取代基的不同或溶剂的改变，使其吸收带的最大吸收波长max发生移动，吸收强度发生改变。（3）红移和蓝移向长波方向移动——红移，向短波方向移动——蓝（紫）移；吸收强度增大——增色效应，吸收强度减小——减色效应1.2.3常用术语47(4).吸收带的划分1.2.3常用术语48环状共轭,π→π＊产生三个吸收带：苯：具精细结构（由振动跃迁引起）,特征吸收带E1带：λmax~184nm,ε~47000E2带：λmax~203nm,ε~7400B带：λmax~256nm,ε~230例3：以下四种化合物中，能同时产生B吸收带、K吸收带、R吸收带的是：√501.2.4影响紫外-可见光谱的因素内因：分子结构外因：测定条件511.2.4.1共轭效应的影响(1)p电