第十一章-上海亚研电子科技有限公司

第十一章紫外－可见分光光度法紫外-可见分光光度法（ultravioletandvisiblespectrophotometry；UV-vis）：研究物质在紫外-可见光区（200-800nm）分子吸收光谱的分析方法。电子光谱应用：定性、定量第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念一、电子跃迁紫外-可见吸收光谱产生原理：分子中的价电子在不同的分子轨道之间跃迁而产生。价电子：σ电子→单键π电子→双键n(p)电子→非成键轨道：电子围绕原子或分子运动的几率。轨道不同，电子所具有能量不同。两个原子的原子轨道以线性组合而生成两个分子轨道。其中一个分子轨道具有较低能量称为成键轨道，另一个分子轨道具有较高能量称为反键轨道。电子能级：σπnπ*σ*分子中不同轨道的价电子具有不同能量，处于低能级的价电子吸收一定能量后，就会跃迁到较高能级。H2的成键和反键轨道分子中价电子能级及跃迁图σπnπ*σ*紫外-可见光区范围内，有机化合物的吸收光谱主要有：σ→σ*，π→π*，n→σ*，n→π*。无机化合物的吸收光谱主要有：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。1、σ→σ*跃迁：ΔE很高，吸收峰在远紫外区，150nm，饱和烃。2、π→π*跃迁：ΔE较小，孤立双键～200nm，体系共轭，ΔE更小，λ更长，ε104，强吸收。3、n→π*跃迁：ΔE很小，近紫外区（200-400nm），含有杂原子不饱和基团，ε10-100，吸收弱。4、n→σ*跃迁：ΔE较小，紫外区（～200，150-250nm），含有杂原子饱和基团。按能量大小：σ→σ*n→σ*π→π*n→π*跃迁类型ΔE吸收峰位置典型结构σ→σ*很大远紫外区，150nm饱和烃n→σ*较大近紫外区（200-400nm）含有杂原子饱和基团：如-OH、-NH2、-X、-Sπ→π*较小孤立双键～200nm体系共轭，λ更长CH2=CH2-CH=CH-CH=CH-n→π*很小紫外区（～200，150-250nm）含有杂原子不饱和基团：如-C=O、-C=S、-N=N-、-C≡NH(CHCH)nHnmax（nm）max118010,000221721,000326834,000430464,0005334121,0006364138,0005、电荷迁移跃迁：用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向接受体相联系的轨道上跃迁，实质为内氧化还原过程。特点：ε104，强吸收。结构：有机化合物：如取代芳烃。无机化合物：过渡金属离子与含生色团试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子。6、配位场跃迁：配体存在下过渡元素5个能量相等的d轨道及镧、锕元素7个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道及f轨道，当它们吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d或f轨道上去。特点：ε102，可见光区。二、紫外-可见吸收光谱的常用概念吸收光谱（absorptionspectrum）：吸收曲线，以波长λ(nm)为横坐标，以吸光度A（或透光率T）为纵坐标所描绘的曲线。吸收峰：曲线上吸光度最大的地方，它所对应的波长称最大吸收波长（λmax）。谷：峰与峰之间吸光度最小的部位，该处的波长称最小吸收波长（λmin）。肩峰（shoulderpeak）：在一个吸收峰旁边产生的一个曲折。末端吸收（endabsorption）：只在图谱短波端呈现强吸收而不成峰形的部分。吸收光谱示意图1.吸收峰2.谷3.肩峰4.末端吸收生色团（chromophore）：有机化合物分子结构中含有π→π*跃迁或n→π*跃迁的基团，即能紫外-可见光范围内产生吸收的原子团，如C=C、C=O、-N=N-、-NO2、-C=S等。助色团（auxochrome）：含有非键电子的杂原子饱和基团，当它们与生色团或饱和烃相连时，能使该生色团或饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团，如-OH、-NH2、-OR、-SH、-SR、-X等。红移（redshift）：长移(bathochromicshift)，由于化合物的结构改变，如发生共轭、引入助色团，以及溶剂改变等，使吸收峰向长波方向移动的现象。蓝（紫）移（blueshift）：短移(hypsochromicshift)，化合物结构改变时或受溶剂影响使吸收峰向短波方向移动的现象。增色效应和减色效应：由于化合物结构改变或其他原因，使吸收强度增加称增色效应或浓色效应（hyperchromiceffect），使吸收减弱称减色效应或淡色效应（hypochromiceffect）。强带和弱带（strongbandandweakband）：化合物的紫外-可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数εmax大于104，的吸收峰称强带，凡εmax小于102的吸收峰称弱带。三、吸收带及其与分子结构的关系吸收带（absorptionband）：吸收峰在紫外-可见光谱中的位置。六种类型：1、R带：由n→π*跃迁引起，杂原子不饱和基团发色团特征，-C=O、-NO、-NO2、-N=N-等。特点：波长较长（-300nm），弱吸收，ε100。溶剂极性↑→R带短移；强吸收在附近时→R带长移，有时被掩盖。2、K带：由π→π*跃迁引起，共轭双键特点：强吸收，εmax104。3、B带：芳香族（包括杂芳香族）化合物特征吸收带，由π→π*跃迁引起。特点：苯蒸气在230-270nm处出现精细结构的吸收光谱，称苯的多重吸收带；苯在溶液中，谱带较宽；极性溶剂中，B带为一宽峰，重心在256nm附近，ε～200。4、E带：芳香族化合物特征吸收带，由苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的π→π*跃迁引起，分为E1和E2带。特点：E1～180nm，ε～4.7×104；E2～200nm，ε～7000，均为强吸收。苯的B带吸收光谱苯异丙烷溶液紫外吸收光谱A为稀薄蒸气（压力很小）的吸收光谱图，每条黑线表示一种转动跃迁的吸收线；每组黑线表示一种振动跃迁的吸收带；a-f表示电子跃迁的吸收带。B为蒸气压力较大时的吸收光谱图，其中转动跃迁的吸收线已分辨不清。C为溶液的吸收光谱图，仅呈现电子跃迁的吸收带，振动与转动跃迁的吸收已分辨不清。5、电荷转移吸收带：许多无机物（如碱金属卤化物）和某些有机物混合而得的分子配合物引起。特点：近紫外和可见光区。吸收强度大，max104，测定灵敏度高。6、配位体场吸收带：过渡金属水合离子与显色剂（通常为有机化合物）所形成的配合物引起。特点：可见光区。四、影响吸收带的因素核心：对分子中电子共轭结构的影响。1、位阻影响：两个发色团共轭→吸收带长移。若两发色团由于立体阻碍其处于同一平面，会影响共轭效应。如二苯乙烯。CCRR'RR′max（nm）maxHH29427,600HCH327221,000CH3CH3243.512,300CH3C2H524012,000C2H5C2H5237.511,0002、跨环效应：β、γ不饱和酮中，由于立体排列，使羰基孤对电子和双键的π电子作用，使相当于n→π*跃迁的R带长移，同时吸收强度增强。当C=O的π轨道与一个杂原子的P轨道能够有效交盖时，也会出现跨环效应。3、溶剂效应：溶剂极性。极性溶剂：π→π*跃迁→长移，n→π*跃迁→短移，后者移动一般比前者大。*原因：π→π*跃迁吸收长移，激发态的极性总比基态极性大，因而激发态与极性溶剂之间相互作用所降低的能量大。n→π*跃迁吸收短移，是由于基态极性大，非键电子与极性溶剂之间能形成较强的氢键，使基态能量降低大于反键轨道与极性溶剂相互作用所降低的能量，因而跃迁所需能量变大。溶剂的选择：极性；纯度高；截止波长λmax4、体系pH的影响：pH→分子离解。***极性溶剂对两种跃迁能级差的影响**五、朗伯-比尔定律朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律：描述物质对单色光吸收的强弱与吸光物质的浓度和厚度间关系的定律。CABeerlALamber定律：定律：假设一束平行单色光通过一个吸光物体nlSII吸光质点数为厚度为物体截面为透过光强为入射光强为0取物体中一极薄层dxxxdISdnkSdSdnkdSdnI透过薄层减弱的光强为几率光子通过薄层被吸收的不让光子通过的面积为薄层的吸光质点数为设入射光强为SdnkIdIxxnIIxxSdSkIdI00SnEIISnkII00lglnClSnCVnlVS和由lCEIIBeerLamber0lg定律表达式lCETAIITlg0吸光度透光率lECAT1010或E为吸光系数，物理意义是吸光物质在单位浓度及单位厚度时的吸光度。给定单色光、溶剂和温度等条件下，吸光系数是物质的特性常数，表明物质对某一特定波长光的吸收能力。吸光系数大，则物质吸光能力强。表示方式：1、摩尔吸光系数：一定波长时，溶液浓度1mol/L，厚度为1cm的吸光度，用ε或EM表示。2、百分吸光系数（比吸光系数）：在一定波长时，溶液浓度为1%（W/V），厚度为1cm的吸光度，用E1cm1%表示。两者关系：ε=(M/10)·E1cm1%吸光系数→吸收强弱：ε104～105→强吸收102～104→中强吸收﹤102→弱吸收1-10：很弱10-102：弱102-103：中等103-104：强104-105：很强六、偏离比尔定律的因素（一）化学因素前提是稀溶液，因浓度改变而有离解、缔合、与溶剂间的作用等原因而发生。例：亚甲蓝、重铬酸钾（二）光学因素1、非单色光：前提是入射光为单色光。谱带宽度（bandwidth）：当光源为连续光谱时，采用单色器分离出来的光同时包含了所需波长的光和附近波长的光，即是具有一定波长范围的光，这一宽称为谱带宽度，用半峰宽S表示。单色光的谱带宽S=λ1-λ221020121IIII和为对应的透过光光强分别和入射光光强分别为的光组成和设入射光由波长为0201020111210lglgIIIIlCETAlCEE）（入射光的谱带宽度严重影响吸光系数和吸收光谱形状偏离线性关系越严重与）（定律不成线性关系，偏离与成线性关系CAEEBeerCAEElCEAEE1221121•注意：•选择较纯单色光（Δλ↓，单色性↑）•选λmax作为测定波长（ΔE↓，S↑且成线性）2、杂散光（straylight）：一些不在谱带宽度范围内的与所需波长相隔较远的光。杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成。杂散光可使吸收光谱变形，吸光度变值。ChP（2005）对杂散光的检查：方法：可按下表所列的试剂和浓度，配制成水溶液，置1cm石英吸收池中，在规定的波长处测定透光率，应符合表中的规定。试剂浓度/%（g/ml）测定用波长/nm透光率/%碘化钠1.002200.8亚硝酸钠5.003400.83、散射光和反射光：吸光质点对入射光有散射作用。入射光在吸收池内外界面之间通过时有反射作用。反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光，直接对T产生影响。散射和反射使T↓，A↑，吸收光谱变形。消除：一般可用空白对比校正消除4、非平行光：使光程↑，A↑，吸收光谱变形。（三）透光率测量误差透光率测量误差ΔT是测量中的随机误差，来自仪器的噪音（noise）。一类与光讯号无关，称暗噪音（darknoise）。一类随光讯号强弱而变化，称散粒噪音（signalshotnoise）。TlElEAClCETAlg1lgTTTCClg434.0浓度的相对误差1、暗噪音——与检测器和放大电路不确切性有关与光讯号无关其强弱取决于各种电子元件和线路结构的质量、工作状态以及环境条件等。0)lg()lg434.0(434.0)lg434.0(2TTTTTTTdTd对应最小的测量误差，%80.36434.0lgTT%5.0%1~%2.0TT今假设大多数分光光度计的适宜测量范围7.0~2.0%20