紫外可见吸收光谱.ppt

一.紫外可见概述 1、紫外可见光： 波长范围：200-800 nm. （1） 紫外光区: 200-400nm （2） 可见光区:400-800nm 2.紫外-可见光谱： 利用被测物质的分子对紫外-可见光选择性吸收的特性而建立起来的方法。 *紫外可见光波长短，能量高，与分子相互作用引起分子中三种能级跃迁。表现为带光谱,紫外可见吸收光谱,2.1 紫外可见光谱曲线 采用连续光源照射，记录吸收后光谱曲线。 表示方法：A-,特性参数： max最大吸收波长：吸收强度最大处对应的波长。 max 在最大吸收波长的摩尔吸光系数。,二、紫外可见光谱产生机理,1有机物紫外可见吸收光谱 ultraviolet spectrometry of organic compounds （1）有机化合物分子中电子类型： 电子、电子、n电子。,（2）轨道类型： 分子轨道理论：成键轨道反键轨道。 分子轨道有、*、 *、n 5种， 能量高低 n* （3）、跃迁方式： 当紫外可见光照射分子时电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。,理论上有六种 * ； * ； * ；* n * ；n * 实际观察主要有四种跃迁，所需能量大小顺序为： * n* * n*,1）、跃迁,特点： 所需能量最大；电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁； 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区； 吸收波长200 nm； 例：甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到； 一般作为溶剂使用；,2）、n跃迁,含有杂原子(N 、O 、S 、P、X）的饱和有机化合物，会发生n*跃迁, 吸收的波长在200nm附近，大多数化合物仍在小于200nm 区域内 随杂原子的电负性不同而不同，一般电负性越大，电子被束缚得越紧，跃迁所需的能量越大，吸收的波长越短。 CH3Cl：max=173nm ，CH3Br：max= 204nm，CH3I的为max= 258nm。 n*跃迁所引起的吸收，摩尔吸光系数一般不大 =100300,3）、*跃迁 是电子从成键轨道向反键*轨道的跃迁，含有电子基团的不饱和有机化合物，都会发生*跃迁 特点： 跃迁所需能量比*跃迁小。 若无共轭，与n*跃迁差不多。200nm左右； 若有共轭体系，波长向长波方向移动，波长在200700 nm 吸收强度大，在104105范围内，强吸收 含不饱和键的化合物发生*跃迁 C=O , C=C, CC,（1） 单烯烃*跃迁 乙烯*跃迁的max为162nm，max为: 1104 Lmol-1cm1。,max max 1-己烯 177 104 1.5-己二烯 178 2104,（2）共轭烯烃中的 * 例： max max 1.3-己二烯 217 2.1 104 1.3.5-己三烯 258 4.3 104 （3）羰基化合物共轭烯烃中的 *,n * 180-190nm * 150-160nm n * 275-295nm,4)、n*跃迁,特点： n电子跃迁到反键* 轨道所产生的跃迁，这类跃迁所需能量较小，吸收峰在200400 nm左右 吸收强度小，102，弱吸收 含杂原子的双键不饱和有机化合物易发生 C=S O=N- -N=N- 例：丙酮 max=280 nm n*跃迁比*跃迁所需能量小,吸收波长长,常用的是*跃迁和n*，这两种跃迁都需要分子中有不饱和基团提供轨道。 n*跃迁与*跃迁的比较如下： * n* 吸收峰波长 与原子种类基本无关 有关 吸收强度 强吸收 104105 弱吸收 102 极性溶剂 向长波方向移动 向短波方向移动,2、 常用术语 发色团：分子中含有的不饱和键基团（或有键）。 含有不饱和键，能吸收紫外可见光，产生 n* 或*跃迁的基团。 助色团：与发色团相连的杂原子的饱和基团，基团本身在紫外和可见光区无吸收,但能使生色团吸收峰红移,吸收强度增大的基团。 长（红）移向长波方向移动叫红移 ； 短（紫、蓝）移 向短波方向移动叫蓝移,吸收带划分,（1）R 吸收带： n*跃迁 特点： a 跃迁所需能量较小，吸收峰位于 200400nm；b 吸收强度弱， 102 （2）K 吸收带： 共轭非封闭体系中*跃迁 特点： a 跃迁所需能量较小，吸收峰位于210280nm； b 吸收强度大， 104 随着共轭体系的增长，K 吸收带长移， 210 700nm 增大。 K 吸收带是共轭分子的特征吸收带，可用于判断共轭结构应用最多的吸收带,（3）E 吸收带：共轭封闭体系*跃迁苯 E1=185nm 强吸收 104 E2=204 nm 较强吸收 103 当取代基不同， E2带变化不同，可鉴定各种取代基 例： E2带 苯 204 甲苯 208 苯酚 213 苯甲酸 230,苯在乙醇中的紫外吸收光谱,（4）B吸收带苯 在230270nm处有较弱的一系列吸收带。也称为精细结构吸收带。B吸收带的精细结构常用来辨认芳香族化合物。 苯 254nm =200 甲苯 261nm =200 间二甲苯263nm =200 1，3，5三甲苯266nm =200 六甲苯 272nm =200,苯在乙醇中的紫外吸收光谱,芳香族化合物： E带和B带是芳香族化合物的特征吸收带。 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：,（二）无机化合物的吸收光谱,1.dd配位场跃迁 按晶体场理论，金属离子与水或其它配体生成配合物时，原来能量相同的d 轨道会分裂成几组能量不等的d 轨道，d轨道之间的能量差称为分裂能，配合物吸收辐射能，发生dd跃迁，吸收光的波长取决于分裂能的大小 配位体的配位场越强，d 轨道的分裂能就越大 ，吸收峰波长就越短。,2、f-f跃迁 镧系元素和锕系元素与其他离子形成配合物时的f轨道发生能级分裂。原来能量相同的f轨道会分裂成几组能量不等的f 轨道，配合物吸收辐射能，发生ff跃迁。 特点：吸收峰窄,（三）影响紫外可见吸收光谱的因素,1. 共轭效应 共轭 中间有一个单键隔开的双键或三键，形成大键。由于存在共轭双键，使吸收峰长移，吸收强度增加的这种效应 两个生色团处于非共轭状态,各生色团独立的产生吸收,总吸收是各生色团吸收加和. max 1-己烯 177 104 1.5-己二烯 178 2104,2. 空间位阻 由于空间位阻，防碍两个发色团处在同一平面，使共轭程度降低。吸收峰短移，吸收强度降低的这种现象 例：,反式 大共轭体系 顺式 max=294 nm max=280 nm = 2.7104 =1.4 104,3.溶剂效应 （1 ）对最大吸收波长的影响 随着溶剂极性的增大 *跃迁吸收峰向长波方向移动，即发生红移 n*跃迁吸收峰向短波方向移动，即发生蓝移 例：异亚丙基丙酮 溶剂 正己烷 氯仿 水 极性越大 * 230 nm 238 nm 243 nm 长移 n* 329 nm 315 nm 305 nm 短移,（2）对光谱精细结构和吸收强度的影响 当物质处于气态时，其振动光谱和转动光谱亦表现出来，因而具有非常清晰的精细结构。 当它溶于非极性溶剂时，由于溶剂化作用，限制分子的自由转动，转动光谱就不表现出来 随着溶剂极性的增大，分子振动也受到限制，精细结构就会逐渐消失，合并为一条宽而低的吸收带。 4、取代基：比较复杂，一般红移 当共轭体系上取代基越多，烃的吸收波长红移 不饱和醛酮类，当羰基上连接羟基或醛基等蓝移,一、基本组成 general process,光源,单色器,样品室,检测器,显示,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、较长的使用寿命。,可见光区：钨灯作为光源，波长范围3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,第二节 紫外可见分光光度计,二、分光光度计的类型,1.单光束 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2) 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,第三节 紫外可见吸收光谱法的应用 不同的有机化合物具有不同的吸收光谱，可进行简单的定性分析，但吸收光谱较简单，只能用于鉴定共轭发色团，推断未知物骨架，可进行定量分析及测定配合物配位比和稳定常数 一 、定性分析qualitative analysis ： (一）比较吸收光谱法 待测样品 -样品谱 标准物质 - 标准谱,（二）化合物特性参数定性： 和max： 有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性； 计算吸收峰波长，确定共扼体系等 甲苯与乙苯：谱图基本相同； 结构确定的辅助工具； max ， max都相同，可能是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra ,Ultraviolet,用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的发色团和助色团的特征。 利用紫外可见吸收光谱可确定有机化合物中不饱和基团，还可区分化合物的构型、构象、同分异构体,二、结构分析structure determination of organic compounds,1. 可获得的结构信息 根据吸收波长和吸收强度判断 2、结构判断 利用经验规律计算max 用经验规则计算不饱和有机化合物的max并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。 常用的规则是Wood Ward（伍德瓦特）规则，可计算共轭多烯及，不饱和醛酮化合物。,基-是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值； ni：取代基数目 i：取代基引起波长变化,共轭多烯的max计算,共轭烯烃（不多于四个双键）*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德规则估算。 max = 基 + nii,共轭多烯的基 链状共轭二烯 单环共轭二烯 异环共轭二烯 同环共轭二烯 异环（稠环）二烯母体：,217nm 217nm 214nm 253nm 214nm,niI : 由双键上取代基种类和个数决定的校正项,(1)每增加一个共轭双键 +30 (2)环外双键 +5 (3)双键上取代基：位 +10nm 位+12nm 位+18nm,（4）：其它 酰基（-OCOR） 0 卤素（-Cl，-Br） +5 烷基（-R） +5 烷氧基（-OR） +6 注意：环外双键：指C=C双键直接与环相连，C=， 同环二烯与异环二烯同时共存，按同环二烯计算。,例1：,基本值 nm 两个烷基取代 nm 计算值 max 227 nm 实测值 max 226 nm,例：,基本值： 17 nm 一个环外双键 nm 四个烷基取代 nm 计算值max nm 实测值 max nm,解析示例,化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基，其紫外光谱 max=231 nm，加氢只能吸收2摩尔H2，确定结构。,解： 计算不饱和度 = 3；两个双键；环？ max=231 nm，共轭？ 可能的结构,计算 max, A，max =非稠环二烯（a,b）+2 烷基取代+环外双键 =217+25+5=232（231）, max：232 273 268 268,确定结构 该化合物为A,立体结构和互变结构的影响,顺反异构：,顺式max=280nm； max=10500 反式max=295.5 nm；max=29000,互变异构：,酮式： max=204 nm 烯醇式：max=243 nm,三、纯度检查,如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中的痕量杂质。 例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收。 四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。,四. 定量分析quantitative analysis,一、原理：朗伯-比耳定律： 吸光度： A= b c=-lgT=lgI0/I（对单组分） 是摩尔吸收系数。单位为l/molcm。表示吸光物质对指定频率光子的吸收本领， max越大灵敏度越高。 c是摩尔浓度，单位是mol/L。 b为吸收池厚度 。单位是cm。 多组分时：A=bc (吸光度具有加和性）,吸收定律的适用范围： 吸收定律俗称比尔定律，其成立条件是：均一的稀溶液、气体等；无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射；入射光为单色平行光。 稀溶液：浓度引起对比尔定律的偏移。 单色光：非单色光存在时，因随波长而变,产生偏离。由单色器分光后的光具有一定的宽度。 无杂散光：杂散光：非光学系统产生的光。 其它：溶剂、光效应等。如I2在CCl4和C2H5OH中分别呈紫色和棕色；胶态溶液测定时散射光的影响较为显著等。,2、测定条件选择： 选择合适的分析波长 A：0.2-0.8 选择适当的参比溶液,波长选择原则： 一般是“吸收最大，误差最小”,测定组分1波长选择： 比组分1最大吸收波长小可克服组分2的干扰,测定该组分波长选择： 选择b处波长进行测定，易于控制工作条件，减小测量误差,吸光度控制条件： 透光度T、吸光度A与浓度之间关系 -lgT =A= b c 测量误差与吸光度读数有关： A=0.434，读数相对误差最小。 一般控制在0.20.8之间（T=1565%） 参比溶液选择： 要求在测量波长范围内无吸收或吸收很小，可以忽略。,2.1 单组分物质的定量分析 （1）比较法： 在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液， 在max下测 A 标准溶液 As=bCs 被测溶液 Ax=bCx Cx=CsAx/As （2）标准曲线法,2.2、多组分分析 原理：A= bc 在n个不同波长下测量n个吸光度值，列出n个方程，解这些联立方程即可求出各组分的浓度。 1 A1= 11bc1+ 12bc2+ 2 A2= 21bc1+ 22bc2+ 3 A3= 31bc1+ 32bc2+ n An= n1bc1+ n2bc2+,2.3、差示分光光度法 原因：普通的分光光度法采用不含被测组分的参比溶液吸光度在0.20.8之间误差小。 当高/低浓度溶液，采用差示法。 差示法：选用一已知浓度的溶液作参比的实验方法。 差示分光光度法又可分： 高吸光度差示法， 低吸光度差示法， 精密差示分光光度法等。,高差示分光光度法,应用于高浓度样品的测量。采用浓度比试样溶液稍低的标准溶液用作参比溶液来调节 A=0,低差示法分光光度法 采用浓度比试样溶液稍高的标准溶液用作参比溶液来调节 A=1,精密差示分光光度法 配制两个不同浓度的标准溶液，用低浓c1度标准溶液调节A1=0, 较高浓度的标准溶液c2来调节仪器令A2=1,2.4、导数分光光度法,对吸收光谱曲线进行一阶或高阶求导，可得到各种导数光谱曲线 优点是分辨率大大提高 （1）能够分辨两个或两个以上完全覆盖或以很小波长差相重叠的吸收峰 （2）能够分辨吸光度急剧上升时所掩盖的弱吸收峰 （3）能够确认吸收带的最大吸收峰,实际应用中，常用二阶导数光谱,一 阶,二 阶,2.5、其它应用 平衡常数的测定 测定化学平衡解离常数。 光度滴定法： 以紫外可见光度计作为终点检测器的分析方法 络合物结合比的测定 通过紫外-可见吸收光谱，可以求得主客体络合物的结合比（摩尔比法、连续变换法或job法、斜率比法）。 氢键强度的计算,对络合反应： mM + nY = MmYn 摩尔比法： 固定一个组分(如M)的浓度不变，改变另一组分(如Y)的浓度，求得一系列Y/M比，在络合物MmYn的最大吸收波长处测定吸光度的变化。作图交点为配合数,氢键强度的计算 含有N、O、S等杂原子的化合物其n-*在极性溶剂中最大吸收波长比非极性溶剂中要短，是因为分子间形成了氢键。 例：丙酮 在水溶剂中： max=264.5nm，E=452.96KJ 在己烷中： max=279nm，E=429.4KJ 能量差：E=23.56KJ为氢键强度,已知KMnO4的=2.2103 ，计算此波长下质量分数为0.002的KMnO4溶液在3.0cm吸收池中的透射比。若溶液稀释1倍后，其透射率是多少？,解：,将溶液稀释一倍后,作业: 1、论述分子中可能存在的电子类型，在紫外可见光照射下发生的跃迁种类。 2、影响紫外可见吸收因素有那些？ 3、若在一个实验中初测时A=1.99，要提高准确度，采用的方法有那些？说明其原理 4、某钢样中含Ni约0.12%，用丁二酮肟光度法测定； 试样溶解转移入100ml容量瓶，显色定容稀释至刻度，取部分试液在470nm，1cm比色皿进行测定，如要求测量误差最小，应称取试样多少克（=1.3104Lmol-1cm-1）,二组分样品分析 分别绘制A、B两纯物质的吸收光谱,（a）表明两组分互不干扰， （b）表明A组分对B组分的测定有干扰，而B组分对A组分的测定无干扰， （c）表明两组分彼此互相干扰,补充：二组分混合物的计算,（a）两组分互不干扰 用测定单组分的方法分别在1、2测定A、B两组分； （b）表明A组分对B组分的测定有干扰，而B组分对A组分的测定无干扰 在1处单独测量A组分，求得A组分的浓度CA。 在2处测量溶液的吸光度及A、B纯物质在2的吸收系数，根据吸光度的加和性，即可以求出CB；,（c）两组分彼此互相干扰， 在1、2处分别测定溶液的吸光度及吸收系数，列出联立方程，解得CA、CB。 在1处,在2处,特点： 繁琐；误差大,双波长分光光度法 当试样中两组分的吸收光谱重叠较为严重时，用双波长分光光度法测定。它可以进行但组分或两组分的含量。 方法：等吸收波长法和系数倍率法两种。 等吸收波长法（测B）,A：吸收曲线 B：吸收曲线 A+B：混合液吸收曲线,测B： 选择待测组分B的最大吸收波长2为测量波长，然后用作图法选择参比波长1,在2处作一垂线，交于组分A吸收曲线的一点a， 从a点作一条平行于波长的直线，交于组分A吸收曲线的另一点b， 该点的波长为参比波长1。组分A在2和1处是等吸收点,由吸光度的加和性有：,双波长分光光度计的输出信号为A，,A与干扰组分A无关，它只正比于待测组分B的浓度，即消除了A的干扰。,系数倍率法,选择两个波长1、2，分别测量A、B混合液的吸光度、利用双波长分光光度计中差分函数放大器，把信号分别放大k1、k2倍，获得2、1两波长处测得的差示信号S,当干扰组分A的吸收光谱曲线不呈峰状，仅是陡坡状时，不存在两个波长处的等吸收点时选择该方法。,调节放大器，选取2和1，使之满足,例： 甲基红的酸式（Hin）和碱式（In-）的最大吸收波长分别为528nm和400nm，今实验条件及数据如下（b=1cm），求甲基红浓度 浓度（mol/L） 酸度 A528 A400 1.2210-5 0.1M-HCl 1.783 0.077 1.0910-5 0.1M-NaHCO3 0.00 0.753 CX pH=4.18 1.401 0.166,解：由题义有： 代入数据解得 CHIn=9.610-6 CIn-=1.5310-6 故C=（9.6+1.5）10-6=1.1110-5（mol/L）,微分,误差小，对T求导，获极小值,有：lgT=-0.434，T=36.8%，A=0.434,A控制的推导,当吸光度A=0.434 时，测量误差最小。 在吸光分析中，一般选择A的测量范围为0.20.8(T为6515)，此时如果仪器的透射率读数误差(T)为1时，由此引起的测定结果相对误差(c/c)约为3。,