光学分析紫外可见光谱DZ课件

3.1 紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 利用物质的分子或离子对某一波长范围的吸收作用，对物质进行定利用物质的分子或离子对某一波长范围的吸收作用，对物质进行定性、定量分析及结构分析，所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特性、定量分析及结构分析，所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。定波长的光而产生的吸收光谱。按吸收光的波长区域不同，分为按吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法紫外分光光度法和和可见分光光度法可见分光光度法。-胡罗卜素胡罗卜素3.1紫外-可见吸收光谱利用物质的分子或离13.1.1 分子吸收光谱的形成分子吸收光谱的形成v（1）为什么分子光谱是带状光谱）为什么分子光谱是带状光谱v（2）为什么紫外）为什么紫外-可见光谱的吸收波长在可见光谱的吸收波长在200-800nmv（3）为什么紫外）为什么紫外-可见光谱可用于定性和定量分析可见光谱可用于定性和定量分析3.1.1分子吸收光谱的形成（1）为什么分子光谱是带状光谱2电子能级间隔比振动能级和转电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大动能级间隔大12个数量级，在个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱状光谱。分子的能量变化分子的能量变化 E为各种形式能量变化的总和：为各种形式能量变化的总和：（1）分子吸收光谱的形成）分子吸收光谱的形成电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大12个数量级，在发生3（2）紫外）紫外-可见光谱的波长范围：可见光谱的波长范围：200-800 nm.v（1）转动能级间的能量差转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，跃迁产生吸，跃迁产生吸收光谱位于远红外区（收光谱位于远红外区（50-100um)。远红外光谱远红外光谱(或分子转动光谱或分子转动光谱)v（2）振动能级的能量差振动能级的能量差v约为：约为：0.05eV，跃迁产生的吸，跃迁产生的吸收光谱位于红外区收光谱位于红外区(800-5000nm)，红外光谱红外光谱(或分子振动光谱或分子振动光谱)v（3）电子能级的能量差电子能级的能量差e较大较大120eV。电子跃迁产生的吸收。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外光谱在紫外(200-400nm)可见光区可见光区(400-800nm)，紫外紫外可见可见光谱光谱(或分子的电子光谱或分子的电子光谱)（2）紫外-可见光谱的波长范围：200-800nm.（1）4紫外紫外-可见吸收光谱的吸收曲线可见吸收光谱的吸收曲线（3）紫外）紫外-可见光谱用于定性和定量分析可见光谱用于定性和定量分析紫外-可见吸收光谱的吸收曲线（3）紫外-可见光谱用于定性和定5紫外紫外-可见吸收光谱的吸收曲线特点可见吸收光谱的吸收曲线特点 同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为为最大吸收波长最大吸收波长max 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和物质，它们的吸收曲线形状和max则不同则不同 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异。有差异。紫外-可见吸收光谱的吸收曲线特点同一种物质对不同波长光的6紫外紫外-可见光谱用于定性分析可见光谱用于定性分析 不不同同物物质质结结构构不不同同或或者者说说其其分分子子能能级级的的能能量量(各各种种能能级级能能量量总总和和)或或能能量量间间隔隔各各异异，因因此此不不同同物物质质将将选选择择性性地地吸吸收收不不同同波波长长或或能能量的外来辐射，这是量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析的基础。紫外-可见光谱用于定性分析不同物质结构不同或7 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在有差异，在max处处吸光度吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。是定量分析中选择入射光波长的重要依据。紫外紫外-可见光谱用于定量分析可见光谱用于定量分析不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有8有机分子能级跃迁有机分子能级跃迁1.可能的跃迁类型可能的跃迁类型 有机分子包括有机分子包括:成键轨道成键轨道 、；反键轨道反键轨道 *、*非键轨道非键轨道 n 例如例如 H2O分子的轨道：分子的轨道：COHn H有机化合物的紫外有机化合物的紫外有机化合物的紫外有机化合物的紫外-可见光谱可见光谱可见光谱可见光谱有机分子能级跃迁COHnpsH有机化合物的紫外-可见光谱9各轨道能级高低顺序：各轨道能级高低顺序：n*（分子轨道理论计算结果）（分子轨道理论计算结果）；可能的跃迁类型：可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*各轨道能级高低顺序：n*（分子轨道理论计10饱和有机化合物饱和有机化合物（1）-*：C-H共价键，如共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如键，如C2H6(135nm)，处于真空紫外区；处于真空紫外区；（2）n-*：含有孤对电子的分子，如含有孤对电子的分子，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。饱和有机化合物11不饱和脂肪族化合物不饱和脂肪族化合物（1）-*跃迁（跃迁（K 吸收带）吸收带）含有含有C=C，CC，CN 键的分子键的分子 孤立时波长在孤立时波长在 200 nm 左右，随共轭体系的延长红移，强度增强左右，随共轭体系的延长红移，强度增强。（2）n-*跃迁跃迁（R 吸收带吸收带）含有含有-OH，-NH2，-X，-S等基团。等基团。跃迁跃迁产生的吸收谱多位于近紫外区。产生的吸收谱多位于近紫外区。只只有有-*和和n-*两两种种跃跃迁迁的的能能量量小小，相相应应波波长长出出现现在在近近紫紫外外区区甚甚至至可可见见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。不饱和脂肪族化合物12芳香族化合物芳香族化合物B 吸收带：吸收带：254 nmE 吸收带：吸收带：180 nm，220 nm 芳香族化合物B吸收带：254nm13无机化合物的紫外无机化合物的紫外无机化合物的紫外无机化合物的紫外-可见光谱可见光谱可见光谱可见光谱 一一些些无无机机物物也也产产生生紫紫外外-可可见见吸吸收收光光谱谱，其其跃跃迁迁类类型型包包括括 p-d 跃跃迁迁或或称电荷转移跃迁以及称电荷转移跃迁以及 d-d,f-f 跃迁或称配场跃迁。跃迁或称配场跃迁。1.电荷转移跃迁电荷转移跃迁(Charge transfer transition)一一些些同同时时具具有有电电子子予予体体(配配位位体体)和和受受体体(金金属属离离子子)的的无无机机分分子子，在在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。max 较大较大(104以上以上)，可用于定量分析。，可用于定量分析。无机化合物的紫外-可见光谱142.配场跃迁配场跃迁(Ligand field transition)过过渡渡元元素素的的 d 或或 f 轨轨道道为为简简并并轨轨道道(Degeneration orbit)，当当与与配配位位体体配配合合时时，轨轨道道简简并并解解除除，d 或或 f 轨轨道道发发生生能能级级分分裂裂。如如果果轨轨道道未未充充满满，则则低低能能量量轨轨道道上上的的电电子子吸吸收收外外来来能能量时，将会跃迁到高能量的量时，将会跃迁到高能量的 d 或或 f 轨道，从而产生吸收光谱。轨道，从而产生吸收光谱。吸吸收收系系数数 max 较较小小(102)，很很少少用用于于定定量量分分析析；多多用用于于研究配合物结构及其键合理论。研究配合物结构及其键合理论。2.配场跃迁(Ligandfieldtransitio15无配场无配场八面体场八面体场四面体场四面体场平面四面形场平面四面形场 d d 轨轨道道电电子子云云分分布布及及在在配配场场下下的的分裂示意图分裂示意图无配场八面体场四面体场平面四面形场d轨道电子云分布16紫外紫外-可见光谱中一些常用术语可见光谱中一些常用术语v吸收光谱吸收光谱：又称吸收曲线，以波长为横坐标，吸光度或透又称吸收曲线，以波长为横坐标，吸光度或透射比为纵坐标所绘制的曲线。射比为纵坐标所绘制的曲线。v吸收峰：吸收峰：吸收曲线上吸收最大的地方。（最大吸收波长）吸收曲线上吸收最大的地方。（最大吸收波长）v谷：谷：峰与峰之间最低的部位。（最小吸收波长）峰与峰之间最低的部位。（最小吸收波长）v肩峰：肩峰：在一个峰旁边产生的曲折。在一个峰旁边产生的曲折。v末端吸收：末端吸收：谱图短波端呈现强吸收但不成峰形的部分。谱图短波端呈现强吸收但不成峰形的部分。紫外-可见光谱中一些常用术语吸收光谱：又称吸收曲线，以波长为17v生色团生色团（Chromogenesis group）：）：v最有用的紫外最有用的紫外可见光谱是由可见光谱是由和和n跃迁产生的。这两种跃跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有含有键的不饱和基团称键的不饱和基团称为生色团为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基、乙炔基、腈基CN等。等。v助色团助色团（Auxochromous group）：有一些含有有一些含有n电子的基团电子的基团(如如OH、OR、NH2、NHR、X等等)，它们本身没有生色功能，它们本身没有生色功能(不能吸收不能吸收200nm的光的光)，但当它们与生，但当它们与生色团相连时，就会发生色团相连时，就会发生n共轭作用，增强生色团的生色能力共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团，这样的基团称为助色团。v常见助色团助色顺序为：常见助色团助色顺序为：v-F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-生色团（Chromogenesisgroup）：18v红移红移或或蓝移蓝移：v有机化合物的吸收谱带常因引入取代基有机化合物的吸收谱带常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长或改变溶剂使最大吸收波长maxmax和吸收和吸收强度发生变化强度发生变化:v maxmax向长波方向移动称为红移，向短向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移波方向移动称为蓝移(或紫移或紫移)。v增色效应或减色效应增色效应或减色效应v吸收强度即摩尔吸光系数吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。的现象分别称为增色效应或减色效应。红移或蓝移：191）温度：降低，峰尖锐，强度增加；升高，峰展宽，精细结构消失。）温度：降低，峰尖锐，强度增加；升高，峰展宽，精细结构消失。2）共轭体系的存在）共轭体系的存在-红移红移 如如 CH2=CH2的的-*跃跃 迁迁，max=165200nm；而而 1,3-丁丁 二二 烯烯，max=217nm3）异构现象：使异构物光谱出现差异。）异构现象：使异构物光谱出现差异。如如 CH3CHO含含 水水 化化 合合 物物 有有 两两 种种 可可 能能 的的 结结 构构：CH3CHO-H2O及及CH3CH(OH)2;已已烷烷中中，max=290nm，表表明明有有醛醛基基存存在在，结结构构为为前前者者；而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。4）空间异构效应）空间异构效应-红移红移 如如CH3I(258nm),CH2I2(289nm),CHI3(349nm)影响紫外可见吸收光谱的因素影响紫外可见吸收光谱的因素1）温度：降低，峰尖锐，强度增加；升高，峰展宽，精细结构消失205）取代基：红移或蓝移。）取代基：红移或蓝移。取取代代基基为为含含孤孤对对电电子子，如如-NH2、-OH、-Cl，可可使使分分子子红红移移；取取代代基基为斥电子基，如为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。，则使分子蓝移。苯环或烯烃上的苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。被各种取代基取代，多产生红移。6）pH 值：红移或蓝移值：红移或蓝移 苯苯酚酚在在酸酸性性或或中中性性水水溶溶液液中中，有有210.5nm及及270nm两两个个吸吸收收带带；而而在在碱性溶液中，则分别红移到碱性溶液中，则分别红移到235nm和和 287nm（p-共轭）共轭）.7）溶剂效应：红移或蓝移）溶剂效应：红移或蓝移 由由n-*跃跃迁迁产产生生的的吸吸收收峰峰，随随溶溶剂剂极极性性增增加加，形形成成 H 键键的的能能力力增增加加，发发生生蓝蓝移移；由由-*跃跃迁迁产产生生的的吸吸收收峰峰，随随溶溶剂剂极极性性增增加加，激激发发态态比比基基态态能量有更多的下降，发生红移。能量有更多的下降，发生红移。随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。5）取代基：红移或蓝移。6）pH值：红移或蓝移21芳香烃及其杂环化合物芳香烃及其杂环化合物引入取代基导致：引入取代基导致：v B带简化带简化v吸收红移吸收红移。vmax（nm）max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300芳香烃及其杂环化合物引入取代基导致：max（nm）22立体结构和互变结构对吸收光谱的影响立体结构和互变结构对吸收光谱的影响顺式：顺式：max=280nm；max=10500反式：反式：max=295.5 nm；max=29000酮式：酮式：maxmax=204 nm =204 nm maxmax=110=110烯醇式：烯醇式：maxmax=243 nm =243 nm maxmax=18000=18000顺反异构顺反异构：反式异构体空间位阻小，共轭程度高，反式异构体空间位阻小，共轭程度高，max和和max大于顺式结构（见书表大于顺式结构（见书表2.10、2.11）互变异构：互变异构：通常共轭体系的通常共轭体系的maxmax和和maxmax大于非共轭体系大于非共轭体系立体结构和互变结构对吸收光谱的影响顺式：max=280nm23空间位阻对吸收光谱的影响空间位阻对吸收光谱的影响空间位阻对吸收光谱的影响24溶剂对吸收光谱的影响溶剂对吸收光谱的影响n*跃迁：兰移；兰移；*跃迁：红移；非极性极性n n n p n pmax(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)*230238237243n*329315309305溶剂对吸收光谱的影响n*跃迁：兰移；253.2 吸收光谱的测量吸收光谱的测量-Lambert-Beer 定律定律 当当强强度度为为I0的的入入射射光光束束(Incident beam)通通过过装装有有均均匀匀待待测测物物的的介介质质时时，该该光光束束将将被被部部分分吸吸收收，未未被被吸吸收收的的光光将将透透过过(Emergent)待待测测物物溶溶液液以以及及通通过过散散射射(Scattering)、反反射射(Reflection),包包括括在在液液面面和和容容器器表表面面的的反射反射)而损失，那么，而损失，那么，I0=Ie+Is+Ir 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！I0=Ia+It3.2吸收光谱的测量-Lambert-Bee26透过光的强度透过光的强度It与入射光的强度与入射光的强度I0之比称为之比称为透射比透射比或透光度，用或透光度，用T表示：表示：T=It/I0 吸光度吸光度A与透光率与透光率T：A=log（I0/I）A=log（1/T）v透射比愈大或吸光度愈小，其介质对光的吸收愈小；否则反之透射比愈大或吸光度愈小，其介质对光的吸收愈小；否则反之光学分析紫外可见光谱DZ课件27Lambert-Beer 定律定律 当当入入射射光光波波长长一一定定时时，待待测测溶溶液液的的吸吸光光度度A与与其其浓浓度度和和液液层层厚厚度度成成正比，即正比，即k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以当浓度以 g/L 表示时，称表示时，称 k 为吸光系数，以为吸光系数，以 a 表示，即表示，即 当浓度以当浓度以mol/L表示时，称表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以为摩尔吸光系数，以 表示，即表示，即 比比 a 更更常常用用。越越大大，表表示示方方法法的的灵灵敏敏度度越越高高。与与波波长长有有关关，因因此此，常以常以 表示。表示。定量分析的基础定量分析的基础Lambert-Beer定律定量分析的基础28偏离偏离Lambert-Beer 定律定律v影响定量的准确度！影响定量的准确度！偏离Lambert-Beer定律影响定量的准确度！291）待待测测物物高高浓浓度度-吸吸收收质质点点间间隔隔变变小小质质点点间间相相互互作作用用对特定辐射的吸收能力发生变化对特定辐射的吸收能力发生变化-变化；变化；1.样品性质影响样品性质影响2）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响；响；1）待测物高浓度-吸收质点间隔变小质点间相互作用对特定303 3）被测溶液不均匀导致的偏离）被测溶液不均匀导致的偏离v朗伯朗伯比尔定律要求吸光物质的溶液是均匀的比尔定律要求吸光物质的溶液是均匀的 使使 I I0 0 =I=Ia a+I+It t v如果被测溶液不均匀，是胶体溶液、乳浊液或悬浮液如果被测溶液不均匀，是胶体溶液、乳浊液或悬浮液时时v I I0 0=I Ia a+I+Ir r+I It t（散射）（散射）v测得的吸光度比实际的吸光度增加，标淮曲线偏离直测得的吸光度比实际的吸光度增加，标淮曲线偏离直线向吸光度轴弯曲。线向吸光度轴弯曲。3）被测溶液不均匀导致的偏离朗伯比尔定律要求吸光物质的溶液314）由于溶液自身的化学反应导致的偏离）由于溶液自身的化学反应导致的偏离v原因：原因：溶液对光的吸收程度决定于吸光物质自身的性溶液对光的吸收程度决定于吸光物质自身的性质和数目，溶液中的吸光物质的化学变化导致偏离朗质和数目，溶液中的吸光物质的化学变化导致偏离朗伯伯比尔定律。比尔定律。v化学作用：化学作用：解离：改变酸度，导致有机酸碱分布系数的改变。解离：改变酸度，导致有机酸碱分布系数的改变。络合：多级络合导致产生不同络合比的络合物，或络合络合：多级络合导致产生不同络合比的络合物，或络合物分解。物分解。缔合：缔合：Cr2O72-+H2O=2HCrO4-=2CrO42-+2H+（橙色）（橙色）（黄色）（黄色）4）由于溶液自身的化学反应导致的偏离原因：溶液对光的吸收程322.仪器因素仪器因素 仪器因素包括仪器因素包括光源稳定性光源稳定性以及以及入射光的单色性入射光的单色性等。等。a）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。假假设设入入射射光光由由测测量量波波长长 x和和干干扰扰 i波波长长组组成成，据据Beer定定律律，溶溶液液对对在在 x和和 i 的光的吸光度分别为：的光的吸光度分别为：2.仪器因素33