紫外-可见吸收光谱法课件

第二章 紫外可见吸收光谱法 1紫外可见吸收光谱的产生及基本原理 2物质对光的选择性吸收单色光：单色光：单一波长的光单一波长的光复复合合光光：两两种种或或多多种种单单色色光光混混合合而而成成的的光光，如如太太阳阳光光或或白炽灯光白炽灯光 各种单色光按一定比例混合各种单色光按一定比例混合白光白光 单色光单色光单色光单色光 （互为补色）（互为补色）溶液的颜色：由透射光波长决定。溶液的颜色：由透射光波长决定。如如CuSOCuSO4 4吸收黄色光，透过蓝色光，故溶液显吸收黄色光，透过蓝色光，故溶液显蓝色。蓝色。3物质颜色和吸收光颜色的关系黄黄橙橙红红紫紫蓝蓝青蓝青蓝青青绿绿白光白光4颜色的显现物质的颜色与光的关系物质的颜色与光的关系光谱示意光谱示意表观现象示意表观现象示意完全吸收完全透过吸收黄色光复合光5吸收的本质：光子能量的转移当当某某种种物物质质受受到到光光的的照照射射时时，物物质质分分子子就就会会与与光光发发生生碰碰撞撞，其其结结果果是是光光子子的的能能量量传传递递到到了了分分子子上上。这这样样，处处于于稳稳定定状状态态的的基态分子就会跃迁到不稳定的高能态，即基态分子就会跃迁到不稳定的高能态，即激发态激发态：这就是物质对光的吸收作用。这就是物质对光的吸收作用。6由由于于物物质质分分子子的的能能量量是是不不连连续续的的，即即能能级级是是量量子子化化的的。只只有有当当入入射射光光的的能能量量与与物物质质分分子子的的激激发发态态和和基基态态的的能能量量差差相相等等时时才能发生吸收，即：才能发生吸收，即：而而不不同同的的物物质质分分子子因因其其结结构构的的不不同同而而具具有有不不同同的的量量子子化化能能级，意即级，意即不同的物质分子其不同，故对光的吸收也不同不同的物质分子其不同，故对光的吸收也不同。7吸收曲线测测量量某某种种物物质质对对不不同同波波长长单单色色光光的的吸吸收收程程度度，以以波波长长为为横横坐坐标标，吸吸光光度度为为纵纵坐坐标标作作图图，可可得得到到一一条条曲曲线线，称称为为吸吸收收光光谱谱曲曲线线或或光光吸吸收收曲曲线线，它它反反映映了了物物质质对不同波长光的吸收情况。对不同波长光的吸收情况。8吸收曲线的特点1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max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。9吸收曲线的特点2吸吸收收曲曲线线可可以以提提供供物物质质的的结结构构信信息息，并并作作为为物物质质定定性性分析的依据之一。分析的依据之一。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max处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。10分光光度法定性定量的依据紫外可见吸收光谱定性的依据：紫外可见吸收光谱定性的依据：同同一一种种吸吸光光物物质质，浓浓度度不不同同时时，吸吸收收曲曲线线的的形形状状相相同同，最大吸收波长不变，只是相应的吸光度大小不同。最大吸收波长不变，只是相应的吸光度大小不同。紫外可见吸收光谱定量的依据：紫外可见吸收光谱定量的依据：吸吸光光度度的的大大小小与与其其浓浓度度相相关关，其其定定量量关关系系符符合合朗朗伯伯比比耳定律。耳定律。11朗伯比尔定律当一束平行的单色光通过含有吸光物质的溶液时，由于溶质吸收光能，透过溶液后光线的强度要减弱。12透光度和吸光度透透过过光光强强度度I I与与入入射射光光强强度度I I0 0之之比比（以以T T表表示示）称称为为透透光光率率或透光度：或透光度：（2 21 1）T T越越大大，表表示示它它对对光光的的吸吸收收越越小小。透透光光率率倒倒数数的的对对数数称称为为吸光度吸光度A A。A A代表了溶液对光的吸收程度，为代表了溶液对光的吸收程度，为无因次量无因次量 。（2 22 2）13朗伯比耳定律a a比例常数，称为吸光系数比例常数，称为吸光系数 b b液层厚度，单位液层厚度，单位cmcmc c浓浓度度。当当浓浓度度c c以以gLgL-1-1为为单单位位，液液层层厚厚度度b b以以cmcm为为单单位位时，吸光系数的单位为：时，吸光系数的单位为：LgLg-1-1cmcm-1-114摩尔吸光系数（）若若溶溶液液浓浓度度为为molLmolL-1-1时时：吸吸光光系系数数称称为为摩摩尔尔吸吸光光系数系数 。单位：。单位：LmolLmol-1-1cmcm-1-115摩尔吸光系数的物理意义 表表示示吸吸光光物物质质的的浓浓度度为为1molL1molL-1-1，液液层层厚厚度度为为1cm1cm时时溶溶液液的吸光度。的吸光度。由由于于不不能能直直接接测测量量1molL1molL-1-1高高浓浓度度吸吸光光物物质质的的吸吸光光度度，因而因而只能通过计算求得只能通过计算求得。它它是是各各种种吸吸光光物物质质对对一一定定波波长长单单色色光光吸吸收收的的特特征征常常数数。越大，表示该物质对此波长光的吸收能力越大。越大，表示该物质对此波长光的吸收能力越大。定量分析中估计分析方法灵敏度。如定量分析中估计分析方法灵敏度。如 ：10 104 41010-6-61010-5-5 molL molL-1-1 10103 3 10 10-4-41010-3-3 molL molL-1-116偏离朗伯-比耳定律根根据据朗朗伯伯-比比耳耳定定律律，当当波波长长和和强强度度一一定定的的入入射射光光通通过过光光程程长长度度固固定定的的吸吸光光物物溶溶液液时时，吸吸光光度度与与吸吸光光物物溶溶液液浓浓度度成成正正比比。通通常常在在紫紫外外可可见见分分光光光光度度分分析析中中需需要要绘绘制制标标准准曲曲线线，但但在在实实际际工工作作中中，特特别别是是在在溶溶液液浓浓度度较较高高时时，常常会会出出现现标标准准曲曲线线不不成成直线的现象，即偏离朗伯直线的现象，即偏离朗伯-比耳定律。比耳定律。1 1 无偏离无偏离2 2正偏离正偏离3 3负偏离负偏离17（1）非单色光引起的偏离严严格格地地讲讲，朗朗伯伯比比耳耳定定律律只只适适用用于于单单色色光光。而而单单色色光光仅仅是是一一种种理理想想情情况况，由由棱棱镜镜或或光光栅栅等等单单色色器器提提供供的的入入射射光光并并非非纯纯的的单单色色光光，而而是是波波长长范范围围较较窄窄的的光光谱谱带带（此此波波长长范范围围即即谱谱带带宽宽度度），实实际际上上仍仍是是复复合合光光。由由于于吸吸光光物物质质对对不不同同波波长长光光的的吸吸收收程程度度不不同同，因因而而入入射射光光是是复复合合光光时时就就会会发发生生对对朗朗伯伯比耳定律的偏离。比耳定律的偏离。18假假设设入入射射光光仅仅由由两两种种波波长长 1 1、2 2的的光光组组成成，两两种种波波长长下下比比耳定律均适用。耳定律均适用。19测定时入射光强度为测定时入射光强度为 透射光强度为透射光强度为因此，所得吸光度为：因此，所得吸光度为：当当 1 1 2 2 时，时，A A与与c c成直线关系。成直线关系。如果如果 1 12 2，A A与与c c则不成直线关系。则不成直线关系。两者差别越大，吸光度与浓度间线性关系的偏离也越大。两者差别越大，吸光度与浓度间线性关系的偏离也越大。20非单色光对朗伯比耳定律的偏离21由于溶液本身的化学和物理因素引起的偏离由于介质不均匀性引起的偏离由于介质不均匀性引起的偏离当当被被测测试试液液是是胶胶体体溶溶液液、乳乳浊浊液液或或悬悬浮浮物物质质时时，入入射射光光通通过过溶溶液液后后，除除了了一一部部分分被被试试液液吸吸收收外外，还还有有一一部部分分因因散散射射现象而损失，导致偏离。现象而损失，导致偏离。由于溶液中的化学反应引起的偏离由于溶液中的化学反应引起的偏离溶溶液液中中由由吸吸光光物物质质等等构构成成的的化化学学体体系系中中，常常因因条条件件的的变变化化形形成成新新的的化化合合物物而而改改变变吸吸光光物物质质的的浓浓度度，如如吸吸光光组组分分的的离离解解、缔缔合合，络络合合物物的的逐逐级级形形成成，以以及及与与溶溶剂剂的的相相互互作作用用等等，都将导致偏离。都将导致偏离。22浓度的影响浓度的影响朗朗伯伯比比耳耳定定律律的的基基本本假假设设，除除要要求求入入射射光光是是单单色色光光外外，还还假假设设吸吸收收粒粒子子是是独独立立的的，彼彼此此之之间间无无相相互互作作用用，通通常常稀稀溶溶液液能能很很好好地地服服从从该该定定律律。在在高高浓浓度度时时由由于于吸吸收收组组分分粒粒子子间间的的平平均均距距离离减减小小，以以致致每每个个粒粒子子都都可可影影响响其其邻邻近近粒粒子子的的电电荷荷分分布布，这这种种相相互互作作用用可可使使其其吸吸光光能能力力发发生生变变化化。由由于于相相互互作作用用的的程程度度与与浓浓度度有有关关，随随浓浓度度增增大大，吸吸光光度度与与浓浓度度间间的的关关系系就就偏离线性关系。所以一般认为比耳定律仅适用于稀溶液。偏离线性关系。所以一般认为比耳定律仅适用于稀溶液。232.3 分子结构与紫外可见吸收光谱24分子的电子光谱物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式：（1 1）电子相对于原子核的运动（价电子运动）；）电子相对于原子核的运动（价电子运动）；（2 2）原子核在其平衡位置附近的相对振动；）原子核在其平衡位置附近的相对振动；（3 3）分子本身绕其重心的转动。）分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：分子具有三种不同能级：电子能级电子能级、振动能级振动能级和和转动能级转动能级三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量分子的内能：电子能量EeEe 、振动能量、振动能量EvEv 、转动能量、转动能量ErEr 即即:E:E EeEe+EvEv+ErEr ee vv rr量量量量子子子子化化化化：能能能能量量量量的的的的传传传传递递递递不不不不是是是是连连连连续续续续的的的的，而而而而是是是是以以以以一一一一个个个个一一一一个个个个的的的的能能能能量量量量单单单单位位位位传传传传递递递递的的的的。这这这这种种种种最小能量单位被称作能量子（简称量子）。最小能量单位被称作能量子（简称量子）。最小能量单位被称作能量子（简称量子）。最小能量单位被称作能量子（简称量子）。25能级跃迁电电子子能能级级间间跃跃迁迁的的同同时时，总总伴伴随随有有振振动动和和转转动动能能级级间间的的跃跃迁迁。即即电电子子光光谱谱中中总总包包含含有有振振动动能能级级和和转转动动能能级级间间跃跃迁迁产产生生的的若若干干谱谱线线而而呈呈现现宽宽谱谱带。带。26分子吸收光谱电子能级跃迁紫外、可见吸收光谱紫外、可见吸收光谱 (:200-750 nm)10200 nm:远紫外；远紫外；200400 nm:近紫外；近紫外；400750 nm:可见光可见光红外红外光谱光谱 (:0.75-1000 m)振动能级与转动能级跃迁27有机化合物的紫外、可见吸收光谱有机物的吸收光谱与电子跃迁有机物的吸收光谱与电子跃迁电子跃迁类型：电子跃迁类型：n28紫外可见吸收光谱的主要类型主要有六种类型：主要有六种类型：1 1*跃迁引起的吸收谱带跃迁引起的吸收谱带2 2 *跃迁引起的吸收谱带跃迁引起的吸收谱带3 3*跃迁引起的吸收谱带跃迁引起的吸收谱带4 4 *跃迁引起的吸收谱带跃迁引起的吸收谱带5 5电荷转移引起的吸收谱带（电荷转移引起的吸收谱带（pdpd跃迁）跃迁）6 6配位体场跃迁引起的吸收谱带（配位体场跃迁引起的吸收谱带（dddd，ffff跃迁）跃迁）29301.1.*跃迁跃迁饱和键饱和键 电子电子的能级跃迁的能级跃迁 吸收光谱在远紫外区吸收光谱在远紫外区(或真空紫外区或真空紫外区),),maxmax 170 nm 170 nm。2.2.n n *跃迁跃迁含含有有O O、N N、S S、ClCl、BrBr、I I 等等杂杂原原子子的的饱饱和和烃烃衍衍生生物物分分子子的的电电子能级跃迁子能级跃迁吸收光谱位于远紫外区，吸收光谱位于远紫外区，maxmax 200 nm12 Fe(OH)3 沉 淀69测量条件的选择1 1、选择合适波长的入射光。、选择合适波长的入射光。(最大最大)2 2、控制吸光度在适宜的范围内、控制吸光度在适宜的范围内 (A=0.2-0.7)(A=0.2-0.7)。3 3、选择适当的参比溶液。、选择适当的参比溶液。4 4、控制试样的量或溶液的稀释程度来控制溶液浓度。、控制试样的量或溶液的稀释程度来控制溶液浓度。5 5、选择不同厚度的比色皿。、选择不同厚度的比色皿。70入射光的波长的选择无无干干扰扰时时：以以最最大大吸吸收收波波长长 maxmax为为测测量量的的入入射射光光波波长长。在在此此波波长处，长处，摩尔吸光系数摩尔吸光系数 最大最大，测定的灵敏度最高。，测定的灵敏度最高。有干扰时：有干扰时：遵循遵循“吸收最大，干扰最小吸收最大，干扰最小”的原则的原则A A 1 2maxA maxbbaa71吸光度读数范围的选择透透光光度度读读数数误误差差TT是是一一个个常常数数，但但在在不不同同的的读读数数范范围围内内所所引引起起的的浓浓度度的的相相对对误误差差却却是是不不同同的的。因因此此，为为了了减减小小浓浓度度的的相相对对误误差差，提提高高测测量量的的准准确确度度，一一般般应应控控制制被被测测液液的的吸吸光光度度A A在在0.20.70.20.7（透透光光度度为为65%20%65%20%）。当当溶溶液液的的吸吸光光度度不不在在此此范范围围时时，可可以以通通过过改改变变称称样样量量、稀稀释释溶溶液液以以及及选选择择不不同同厚厚度度的的比比色色皿来控制吸光度。皿来控制吸光度。72参比溶液的选择(1)(1)纯纯溶溶剂剂作作空空白白：试试液液、试剂、显色剂均无色试剂、显色剂均无色(2)(2)试剂作空白：试剂作空白：试液无试液无色、色、试剂或显色剂有色试剂或显色剂有色(3)(3)试液作空白：试液作空白：试液有试液有色、色、试剂和显色剂均无色试剂和显色剂均无色73定量分析方法：标准曲线法Blank Standard Sample Sample74目视比色法定义：肉眼比较溶液颜色以确定物质含量定义：肉眼比较溶液颜色以确定物质含量方法原理（右图）方法原理（右图）优点：仪器简单，操作简便，灵敏度高优点：仪器简单，操作简便，灵敏度高缺点：准确度不高，标准系列不能久存缺点：准确度不高，标准系列不能久存未知样品未知样品标准系列标准系列75吸光度的加和性当当某某一一波波长长的的单单色色光光通通过过一一种种含含有有多多种种吸吸光光物物质质的的溶溶液液时时，溶溶液液的的总总吸吸光光度度应应等等于于各各吸吸光光物物质质的的吸吸光光度度之之和和。这这一一规规律律称称吸吸光光度度的的加加和和性性。利利用用这这一一性性质质，可可进进行行多多组组分分测测定定及某些化学反应平衡常数测定。及某些化学反应平衡常数测定。76多组分含量测定溶液的总吸光度等于各组分的吸光度之和：A=A1+A2+A3+An吸收峰互不重叠A、B两组分的吸收峰相互不重叠，则可分别在A、B处用单组分含量测定法测定组分A和B。77吸收峰相互重叠A A、B B两两组组分分的的吸吸收收峰峰相相互互重重叠叠，可可分分别别在在和和处处测测出出A A、B B两两组组分分的的总总吸吸光光度度A A1 1和和A A2 2，然然后后根根据据吸吸光光度度的的加加和和性性列列联联立立方方程：程：在处，在处，在处，在处，式式中中 分分别别为为A A和和B B在在波波长长处处的摩尔吸光系数的摩尔吸光系数 分分别别为为A A和和B B在在波波长长 处处的的摩摩尔吸光系数尔吸光系数78双波长分光光度法对对于于吸吸收收曲曲线线有有重重叠叠的的单单组组分分(显显色色剂剂与与有有色色络络合合物物的的吸吸收收光光谱谱重重叠叠)或或多多组组分分(两两种种性性质质相相近近的的组组分分所所形形成成的的有有色色络络合合物物吸吸收收光光谱谱重重叠叠)试试样样、混混浊浊试试样样以以及及背背景景吸吸收收较较大大的的试试样样，由由于于存存在在很很强强的的散散射射和和特特征征吸吸收收，难难以以找找到到一一个个合合适适的的参参比比溶溶液液来来抵抵消消这这种种影影响响。利利用用双双波波长长吸吸光光光光度度法法，使使两两束束不不同同波波长长的的单单色色光光以以一一定定的的时时间间间间隔隔交交替替地地照照射射同同一一吸吸收收池池，测测量量并并记记录录两两者者吸吸光光度度的的差差值值。这这样样就就可可以以从从分分析析波波长长的的信信号号中中扣扣除除来来自自参参比比波波长长的的信信号号，消消除除上上述述各各种种干干扰扰，求求得得待待测测组分的含量。组分的含量。79