发光稀土配合物Eu(phen)2(NO3)3的制备一、实验要求(一)学习Ln(phen)2(NO3)3的制备原理和方法(二)观察配合物的发光现象(三)了解Eu(Ⅲ)配合物发光的基本原理二、实验原理(一)发光配合物Eu(phen)2·(NO3)3的制备原理稀土离子为典型的硬酸,根据硬软酸碱理论硬-硬相亲原则,它们易跟含氧或氮等配位原子的硬碱配位体络合。稀土配合物的合成可采用的方法有:1、稀土盐(REX3)在溶剂(S)中与配体(L)直接反应或氧化物与酸直接反应:REX3+nL+mS——REX3.nL.mSREX3+nL——REX3.nLRE2O3+2HnL——2Hn-3REL.+3H2O2、交换反应:利用配位能力强的配体L’或螯合剂Ch’取代配位能力弱的L、X或螯合剂Ch。REX3+MnL—REL-(n-3)+MnXn-3REX3.nL+mL’—REX3.mL’+nL也可利用稀土离子取代铵、碱金属或碱土金属离子。MCh2-+RE3+――RECh+M+其中M+=Li+、Na+、K+、NH4+等。3、模板反应:配体原料在与金属形成配合物的过程中形成配体。如,稀土酞菁配合物的合成。稀土的硝酸盐、硫氰酸盐、醋酸盐或氯化物与邻菲咯啉按方法1作用时,都可得到RE:phen=1:2的化合物。本实验中,起始原料Eu2O3、Tb3O4与HNO3反应完全蒸干后得到Ln(NO3)3.nH2O(Ln=Eu、Tb,n=5或6)后,使其在乙醇溶剂中与配体phen直接反应,生成产物。反应方程式为:Ln(NO3)3·nH2O+2phen→Ln(phen)2·(NO3)3+nH2O产物为白色,紫外灯下发出红色荧光。(二)配合物Ln(phen)2·(NO3)3的发光机理首先,配位体phen有效地以吸收紫外光的能量,电子从其基态跃迁到激发态(过程1);由于三价稀土离子Ln(Ⅲ)以配位键与phen相连,三价稀土离子的激发态与phen的激发态能量相匹配,处于激发态的phen通过非辐射跃迁的方式将能量传递给Ln(Ⅲ)离子激发态(过程2);最后电子从Ln(Ⅲ)离子激发态回到基态,将能量以光子的形式放出(过程3),这就是我们所能看到的发光。在整个过程中,配体phen能有效地吸收能量并有效地将能量传递给中心Ln(Ⅲ)离子,这对于增强Ln(Ⅲ)离子的发光是十分重要的,人们把发光配合物中配体的这种作用比喻为“天线效应”。三、实验仪器和试剂1、仪器:分析天平、蒸发皿、烧杯(50ml、10ml)、恒温水浴锅、小漏斗、表面皿、玻璃棒、抽滤瓶、布氏漏斗、红外灯、紫外灯。2、试剂:固体Eu2O3(99.99%)、Tb3O4(99.99%)、1,10-邻菲咯啉(phen)(A.R.)、HNO3(体积比1:1)、无水乙醇(A.R.)。四、实验步骤(一)Eu(phen)2·(NO3)3制备1、固体Eu2O3的溶解:称取固体Eu2O30.500mmol(0.1760g)于50mL烧杯中(十倍于书中,为了扩大其荧光现象,使易于观察)。在搅拌下,加入2.2ml的HNO3溶液(体积比1:1)使其溶解。为加快溶解速度,在恒温槽上进行60~70℃水浴上加热。两三分钟后得到澄清透明溶液,无不溶物的出现。2、Eu(NO3)3·nH2O溶液的制备:将溶液转移至蒸发皿中,水浴加热,将溶液蒸发至干(约需30min),得固体Eu(NO3)3·nH2O(n=5或6)。将固体置于紫外灯下,可以观察到硝酸铕发出的微弱红光。加入3mL无水乙醇使固体溶解,得反应液A。以上两步均需在通风橱中进行。3、phen溶液的制备:在10mL烧杯中称取固体phen0.10mmol(0.1980g),加入5mL无水乙醇使其溶解。若有不溶物则过滤除去,并用1~2mL无水乙醇淋洗滤纸,得反应液B。4、产物Eu(phen)2·(NO3)3的制备:在搅拌下,将A慢慢加入到B中,观察到有白色沉淀生成,此沉淀即为产物Eu(phen)2·(NO3)3。为使反应充分进行,继续搅拌1~2min。抽滤分离出固体产物。以每次1mL无水乙醇洗涤产物两次后,将产物转入表面皿中,红外灯下烘干。得到干燥的白色固体。5、将烘干的产物放入一个小袋中存放,并带去进行荧光光谱扫描。收拾仪器。五、结果与讨论1、反应液A加入到B中时,很快生成目的产物Eu(phen)2(NO3)3,说明此类形成配合物的反应容易进行。类似的Eu2(SO4)3·8H2O、EuCl3·6H2O等铕的盐类均可以直接与phen反应得到相应的配合物。2、为使发光现象更明显,紫外灯照样品时,需用纸板等物挡住日光对样品的照射。紫外灯可用普通坐式验钞紫外灯代替。3、铕配合物的荧光光谱实验中配合物荧光扫描图谱如下:在配合物激发光谱中,在紫外区出现了一个峰。这个激发峰是配体phen的−*跃迁产生的。我们取该激发峰波长所对应能量激发样品,所得发射光谱为图中的b曲线。在监测范围内,配合物的发射光谱中出现的是三价稀土铕离子的特征发射峰,这说明配体phen吸收能量后,将能量有效地传递给了中心Eu3+离子。我们将发射光谱数据及指认列于表中。Eu(phen)2·(NO3)3发射光谱数据及指认峰位波长/nm相对强度指认597.0弱5D0–7F1618.6极强5D0–7F2688.6弱5D0–7F3793.0弱5D0–7F4配合物以618.6nm发射(5D0–7F2跃迁)为主,该波长光为红光,因此配合物发红光。由配合物的发光现象和荧光光谱可见,将含有共轭体系的配体phen引入Eu3+离子的配位壳层后,配体phen通过−*跃迁有效地吸收紫外光,并有效地将能量传递给中心Eu3+离子,使Eu3+离子的发光大大增强。配体phen在配合物的发光过程中很好地起到了能量吸收和传递的“天线”作用。六、思考题1、溶解Eu2O3时,为什么不宜加入过多的HNO3溶液?答:溶解Eu2O3时加入过多的硝酸溶液,会使得在蒸发时硝酸分解产生NO2,从而部分挥发出污染环境,部分溶解在溶液中,即便蒸干产品也略带黄色,可能会干扰荧光的测定。2、为什么要将稀土的硝酸盐溶液蒸干?答:为得到晶体Eu(NO3)3·nH2O(n=5或6),放到紫外灯下的微弱红光,从而方便与Eu(phen)2(NO3)3进行荧光对比。3、本实验中有哪些操作是用以保证产物纯度的?答:溶解Eu2O3和phen过程中,若有不溶物进行过滤操作;抽滤分离Eu(phen)2(NO3)3时,用无水乙醇去洗涤产物两次。4、本实验中使用非水溶剂的优点有哪些?答:溶解phen时,使用无水乙醇可以增大溶解度;乙醇易挥发,从而得到干燥的晶体;乙醇的极性较水小,得到的Eu(phen)2(NO3)3更稳定