波谱分析--UV-Vis（PPT 37）

波谱分析 UV-Vis 基于分子外层电子跃迁产生的吸收光谱进行 分析测定的一种仪器分析方法，常用波长 范围为200 800 nm（4-200 nm 为真空紫 外区）。该能量对应分子的三种能级：hv=E电子+E振动+E转动 三种能级的图例如下：不同物质结构不同或者说不同物质结构不同或者说其分子能级的能量其分子能级的能量(各种能级各种能级能量总和能量总和)或能量间隔各异，或能量间隔各异，因此因此不同物质将不同物质将选择性选择性地吸收地吸收不同波长或能量的外来辐射不同波长或能量的外来辐射，这是这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析的基础。定性分析具体做法定性分析具体做法是让不是让不同波长的光通过待测物，经待同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度长光的吸收程度(吸光度吸光度A)，以以吸光度吸光度A为纵坐标，辐射波为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线的吸收光谱或吸收曲线，据吸据吸收曲线的特性收曲线的特性(峰强度、位置峰强度、位置及数目等及数目等)研究分子结构研究分子结构。-胡罗卜素胡罗卜素咖啡因咖啡因阿斯匹林阿斯匹林丙酮丙酮 几种有机化合物的几种有机化合物的分子吸收光谱图。分子吸收光谱图。波谱分析 UV-Vis 一、方法原理 1、有机化合物的紫外可见吸收光谱 （1）非键和成键向反键的跃迁（四种）（2）电荷迁移跃迁（分子内的氧化还原过程）如 ph NR2，ph COR 等（吸光系数大于104）各轨道能级高低顺序：各轨道能级高低顺序：n*；可能的跃迁类型：可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*-*：C-H共价键共价键，如，如CH4（125nm）；C-C键，如键，如C2H6(135nm)，处于处于 真空紫外区；真空紫外区；-*和和-*跃迁：尽管所需能量比上述跃迁：尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处于跃迁能量小，但波长仍处于 真空紫外区；真空紫外区；n-*：含有孤对电子的分子含有孤对电子的分子，如，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl (173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm)CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可见，大多数波长仍小于可见，大多数波长仍小于 200nm，处于近紫外区。处于近紫外区。以上四种跃迁都与以上四种跃迁都与 成键和反键轨道有关（成键和反键轨道有关（-*，-*，-*和和n-*），），跃迁能量较高，这些跃迁跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。而在此不加讨论。只有只有-*和和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。点。波谱分析 UV-Vis 2、几个概念 生色团、助色团（P10）、红移、紫移 3、芳香族化合物的吸收光谱（1）苯的吸收光谱（E1、E2、B）（2）烷基取代 使B带稍向长波移动；（3）助色团取代 使E、B带红移，强度增加；（4）生色团取代 使B带显著红移（见表P22）；（5）稠环芳香族化合物 共轭越大，红移越多（P26）（6）杂环芳香族化合物 与相对应的芳族类似（P27）波谱分析 UV-Vis 4、无机化合物的吸收光谱（1）电荷迁移跃迁 最大特点是吸收系数大（大于104），定量 分析灵敏（如部分无机络合物）；（2）配位场跃迁 主要为d-d 和 f-f 跃迁（见武大版教材P64）。波谱分析 UV-Vis 5、溶剂的影响 对光谱的影响（红移或紫移）和对测定的影响 选择溶剂时须注意：（1）尽量选低极性溶剂；（2）能很好的溶解物质，且形成的溶液有好的化 学和光化学稳定性；（3）在样品的光谱区无明显吸收（P12表1-2）。波谱分析 UV-Vis 6、朗伯-比尔吸收定律 （Io/I）=A=a b c 由上式，A与 c 应为过原点的直线，但实际 分析时常有偏离，此时可从两方面分析：（1）样品溶液因素：上式仅在稀溶液成立；（2）仪器因素：上式仅适用于单色光。波谱分析 UV-Vis 二、仪器结构与原理 按光学系统可分为单光束、双光束、单波长、双波长分光光度计；由辐射源、分光器、吸 收池、检测器等组成（见图）。光源 钨灯和氘灯（连续、稳定、恒定、长）分光器 棱镜和光栅；吸收池 玻璃和石英吸收池；检测器 光电倍增管和光电管。紫外可见光度计仪器紫外可见光度计仪器:分光光度计分为单波分光光度计分为单波长和双波长仪器。长和双波长仪器。1.单波长分光光度计单波长分光光度计(a)单光束单光束(b)双光束（空间分隔）双光束（空间分隔）(c)双光束（时间分隔）双光束（时间分隔）(d)特点：特点：(e)因光束几乎同时通过因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差消除光源不稳产生的误差。光源光源检测器检测器单色器单色器单色器单色器切光器切光器吸收池吸收池双双波长分光光度计示意图波长分光光度计示意图2.双波长分光度计双波长分光度计通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差 A。AB1和和 AB2分别为在分别为在 1和和 2处的背景吸收，当处的背景吸收，当 1和和 2 相近时，背景吸收近似相等。二式相相近时，背景吸收近似相等。二式相减，得减，得这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光光差成正比。这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光光差成正比。特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。11110lgBAbcIIA22220lgBAbcIIAbcAAIIA)(lg1212213.分光光度计的校正分光光度计的校正 当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。其进行校正。波长标度校正：波长标度校正：使用镨使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为二者均有其各自的特征吸收峰。二者均有其各自的特征吸收峰。吸光度标度校正：吸光度标度校正：采用采用 K2CrO4 标准液校正（在标准液校正（在25oC时，于不同波长处测定时，于不同波长处测定0.04000g/L的的 KOH 溶液溶液（0.05mol/L）的吸光度的吸光度 A，调整光度计使其调整光度计使其A 达到规定的吸达到规定的吸光度。光度。波谱分析 UV-Vis 三、实验技术 1、样品的制备 在溶液中进行 无机物 水溶、酸溶或碱熔等；有机物 溶剂溶解或抽提，也可消化后溶解；溶剂 前述三点（低极性、溶解且无吸收、稳定）+挥发小、不易燃、无毒性、价格便宜等。波谱分析 UV-Vis 2、测定条件的选择（1）波长的选择 一般为最大吸收波长（灵敏、稳定）（2）狭缝的选择 影响灵敏度和线性范围（不减少A的最大狭缝）（3）吸光度的选择 吸光度在0.2 0.8 时，测量误差最小由由L-B定律：定律：微分后得：微分后得：将上两式相比，并将将上两式相比，并将 dT 和和 dc 分别换为分别换为 T 和和 c，得，得 当相对误差当相对误差 c/c 最小时，求得最小时，求得T=0.368 或或 A=0.434。即当即当A=0.434 时，吸光度读数误差最小！时，吸光度读数误差最小！通常可通过调节溶液浓度或改变光程通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制来控制A的读数在的读数在0.151.00范范围内。围内。bcTAlgbdcTdTTd434.0lgTTTcclg434.0波谱分析 UV-Vis 3、反应条件的选择 多数测定均经显色，使：更灵敏、高选择性、组成恒定稳定等（与显色剂颜色不同）。（1）溶液的酸度 影响吸收曲线 NaH2PO4+HCl (pH=3)NaAc+HCl (pH=5)KH2PO4+NaOH(pH=7)H3BO3+KCl (pH=9)H3BO3+NaOH (pH=11)波谱分析 UV-Vis （2）显色剂浓度 高灵敏度且吸光度恒定 （3）温度的影响 （4）显色时间 反应的时间及络合物的稳定性 （5）参比溶液 试液和显色剂均无色 蒸馏水为参比；显色剂无色，试液中有其它有色离子 不加显色剂的试液；试液、显色剂均有色 取一份试液，加掩 蔽剂掩蔽被测离子，再加显色剂等。波谱分析 UV-Vis 4、共存离子干扰的消除方法（1）加入适当的掩蔽剂（2）改变干扰离子的价态 如铬天青S测定Al（）时，Fe（）有干扰，可加入抗坏血酸还原铁而消除干扰 （3）选择适当的波长 （4）其它 各种预分离技术波谱分析 UV-Vis 四、分析应用 1、定性分析 吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目、最大吸收波长的位置及相应的吸收系数（1）比较（吸收光谱曲线）法 与已知物或标准谱图比较波谱分析 UV-Vis （2）用各种经验规则计算被测定物质的max，并与实 测值比较 Woodward-Fieser(伍德沃德-费塞尔)规则 计算共轭二烯、多烯烃 不饱和醛酮、不饱和羧酸及酯类 芳香族化合物规则 Scott(斯科特)规则 计算芳香族羰基的衍生物化合物母体化合物母体及取代基及取代基 波长波长/nm (无环多烯或异环二烯无环多烯或异环二烯)基数：基数：217 nm 环内双键环内双键 36 增加一个共轭双键增加一个共轭双键 30 环外双键环外双键 5 烷基取代基烷基取代基 5 O 0 OR 6 SR 30 Cl,Br 5 NR2 60 Woodward-Fieser规则规则基值基值 217217 同环二烯同环二烯 1 1 3636 3636 三个环外双键三个环外双键 3 3 5 5 1515 共轭双键延长共轭双键延长 2 2 3030 6060 五个烷基取代五个烷基取代 5 5 5 5 2525 酰氧基取代酰氧基取代 1 1 0 0 0 0 计算值计算值(maxmax)353 nm353 nm 实测值实测值(maxmax)355 nm355 nm ACO基值基值 217217 四个烷基取代四个烷基取代 4 4 5 5 2020 二个环外双键二个环外双键 2 2 5 5 1010 计算值计算值(maxmax)247 nm247 nm 实测值实测值(maxmax)247 nm247 nm 基值基值 217217 五个烷基取代五个烷基取代 5 5 5 5 2 25 5 二个环外双键二个环外双键 2 2 5 5 1010 共轭双键延长共轭双键延长 1 1 3030 3030 计算值计算值(maxmax)282 nm282 nm 基值基值 217217 五个烷基取代五个烷基取代 4 4 5 5 2 20 0 二个环外双键二个环外双键 2 2 5 5 1010 共轭双键延长共轭双键延长 0 0 0 0 CH2 计算值计算值(maxmax)247 nm247 nm Woodward-Fieser规则估算最大吸收波长的几个实例：规则估算最大吸收波长的几个实例：波谱分析 UV-Vis （3）有机物构型和构象的确定（顺反、互变）如：顺反式、酮式-烯醇式互变异构等 （见P33-34例）（4）纯度检查 如：通过测定吸收曲线 通过测 来判断 干性油（含共轭双键）与不干性油（饱和 或双键不共轭）的判别（5）在结构定性分析时，可作为其它鉴定方法的补充 如：共轭体系的判断、骨架确定、构型构象的测定等 波谱分析 UV-Vis 但紫外可见定性时，仅可作为其它鉴定方法的补充 （见教材P30几条），同时注意以下原则：a、计算不饱和数，估计结构可能性；b、利用吸收带的max及max，指认电子跃迁类型；c、利用溶剂效应及pH值与光谱变化的相关性；（吸收带分为：K带(n)、R带()和B、E带（苯环）*d、利用max及max，估计生色团及相邻基团；e、与化学反应配合，进一步考察生色体系骨架结构；f、若分子中有2个以上分离的生色团体系，可用适当 模型化合物，测量差示或加合光谱，推测复杂结构*；g、预测K带的经验规则，对结构正确与否进行判断；h、推测结构与光谱数据有出入而无合理解释注意邻位效应、空间效应、跨环效应等。波谱分析 UV-Vis 2、定量分析 A=abc （1）单一物质的分析 A =k c （标准曲线法）高浓度时用示差分光光度法：A =k c 混浊样品时用双波长法测定 若2为样品吸收峰，1为样品无吸收，则：A =（k c+B）B =k c波谱分析 UV-Vis （2）多组分的分析 解联立方程组法 吸光度的加合性原则 （二组分混合物的紫外、可见吸收光谱可分为：不重叠、部分重叠、相互重叠三种）（n组分时为n元方程组）双波长分光光度法 等吸收波长法 系数倍率法yyxxyxyyxxyxlclcAlclcA222111（3 3）示差分光光度法示差分光光度法测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则A值很大，会产生读数误差。此时值很大，会产生读数误差。此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有：若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有：具体做法：以浓度为具体做法：以浓度为cs的标准溶液调的标准溶液调T=100%或或A=0（调零），所测得的试样吸调零），所测得的试样吸光度实际就是上式中的光度实际就是上式中的 A，然后求出然后求出 c，则试样中该组份的浓度为则试样中该组份的浓度为(cs+c)。clcclAAA）lcA）lcAsxsxssxx)(浓度空白待测物浓度（4 4）导数光谱法导数光谱法1）定义：将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。导数光谱是解决干）定义：将吸光度信号转化为对波长的导数信号的方法。导数光谱是解决干 扰物质与被子测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提扰物质与被子测物光谱重叠，消除胶体等散射影响和背景吸收，提 高光谱分辨率的一种数据处理技术。高光谱分辨率的一种数据处理技术。2）原理：）原理：已知已知 ，对波长求一阶导数，得对波长求一阶导数，得控制仪器使控制仪器使I0在整个波长范围内保持恒定，即在整个波长范围内保持恒定，即dI0/d=0，则则lceII0/)(0)(0lclclceIddeddIddIIlcddddI 可见，一阶导数信号与浓度成正比。可见，一阶导数信号与浓度成正比。同样可得到二阶、三阶同样可得到二阶、三阶.n 阶导数信号亦与浓度成正比。阶导数信号亦与浓度成正比。随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，因而随导数阶数的增加，峰形越来越尖锐，因而导数光谱法分辨率高（右图）。导数光谱法分辨率高（右图）。吸收峰数为：导数阶数吸收峰数为：导数阶数+1，即，即 n+110ppm苯的乙醇液苯的乙醇液1ppm苯的乙醇液苯的乙醇液纯乙醇纯乙醇1ppm苯的乙醇溶液，苯的乙醇溶液，一阶导数光谱一阶导数光谱基本光谱基本光谱1ppm苯的乙醇溶液，苯的乙醇溶液，四阶导数光谱四阶导数光谱选选择择性性及及灵灵敏敏度度均均提提高高（苯的（苯的导数信号）导数信号）3）导数峰高测量方法）导数峰高测量方法 测量方法有三，如下图：测量方法有三，如下图：正切法：相邻峰正切法：相邻峰(极大或极小极大或极小)切线中点至相邻峰切线切线中点至相邻峰切线(极小或极大极小或极大)的距离的距离d；峰谷法：两相邻峰值峰谷法：两相邻峰值(极大或极小极大或极小)间的距离间的距离p1或或p2；峰零法：极值峰至零线间的距离。峰零法：极值峰至零线间的距离。（5 5）配合物组成和稳定常数测定配合物组成和稳定常数测定1）摩尔比法）摩尔比法(饱和法饱和法)设配合物的显色反应为：设配合物的显色反应为：具体做法：固定具体做法：固定cM，增加增加cR，并测定一系列并测定一系列MRn的吸光度的吸光度A，以，以cR/cM比值对比值对A作作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比 n。设设MRn电离度为电离度为，则，则nMRnRMnnnnnncAAAnAAAKAAAnccRMMRK1)()(1/)()(1稳稳其中2）等摩尔连续变化法）等摩尔连续变化法(Job法法)具体做法：保持具体做法：保持cR+cM=c 恒定，但改变恒定，但改变cM与与cR的相对比例，若以的相对比例，若以cM/c对吸光度对吸光度A作图，当达最大吸光度时作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的cM/c亦可得出配位比。若比值为亦可得出配位比。若比值为0.5，则配位比，则配位比n为为1:1；若比值为；若比值为0.33，则配位比，则配位比n为为1:2或者或者n=(1-cM/c)/(cM/c)设设cM/c=f，则则 该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。0 0.20.40.60.81.0AAAcM/cnnnnnnnnRnnMMRnc)f1)(MRfc(MRRMMRK，MRnc)f1(MRncRMRfcMRcM 稳稳因此因此（6 6）弱酸离解常数的测定弱酸离解常数的测定 设有一元弱酸设有一元弱酸HB，其离解反应如下：其离解反应如下：若测出若测出B-和和HB，即可求出即可求出Ka。测定时，配制三份不同测定时，配制三份不同pH值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别在在B-和和HB的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。第三份为已知第三份为已知pH值的缓冲溶液，分别在值的缓冲溶液，分别在B-和和HB的最大吸收波长处测得总的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得吸光度，解联立方程求得B-和和HB，然后按前式求出然后按前式求出pKa或或Ka。7.应用示例应用示例lgHBBPHPKHBBHKBHHBaa