紫外可见分光光度法

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,上一张幻灯片,下一张幻灯片,返回第一张,第十章 紫外-可见分光光度法,紫外-可见分光光度法,（,Ultraviolet and visible spectrophotometry,UV-VIS,），,又称紫外-可见吸收光谱法，研究物质分子对紫外-可见光的吸收情况进行定性、定量及结构分析的方法。,紫外-可见光区分为,远紫外,(10200,nm)、,近紫外,(200360,nm),和,可见部分,(360760,nm)；,由于远紫外的吸收测量必须在真空条件下进行，故使用受到限制；通常研究的是物质在近紫外-可见光范围的光谱行为。,2024/9/29,10,-2,nm 10 nm 10,2,nm 10,4,nm 0.1 cm 10cm 10,3,cm 10,5,cm,射线,x,射线,红外光,微波,无线电波,紫 外-可见 光在电磁波谱中的位置,远紫外,蓝,黄,紫红,绿,紫,黄绿,绿蓝,橙,红,蓝绿,光的互补性,2024/9/29,2024/9/29,101 分子光谱概述,102 化合物电子光谱的产生,讲授内容：,1分子光谱的产生（如何表述？）,2分子光谱分类（如何分类？）,3分子光谱的特征及表示方法（如何表示？）,4光吸收定律（基本形式是什么？）,1电子的跃迁类型、能量及其所在的波长区,2常用述语：生色团、助色团和吸收带,3各类有机化合物的紫外吸收光谱,4无机化合物的紫外可见吸收光谱,5影响紫外可见光谱的因素,2024/9/29,103 紫外可见分光光度计,104 紫外可见分光光度法的应用,1紫外可见分光光度计的基本组成部件（有哪些部件？）,2紫外可见分光光度计的类型（有哪些？）,1定性分析（,Woodward,规则）（根据什么定性？）,2有机化合物的构形、构象测定,3有机化合物的纯度检查,4定量分析（单组份、多组份、其它分光光度方法）,（定量分析的基本定律是什么？）,5紫外可见分光光度法在溶液平衡研究中的应用,2024/9/29,101 分子光谱概述,1分子光谱的产生,M,h M*,E,h,E,为正值产生吸收光谱，负值产生发射光谱,E,分,E,电子,E,振动,E,转动,由于转动和振动能级的存在，分子光谱为带光谱。,若涉及分子电子能级的变化，则产生紫外-可见光谱；,E,电子,包含有,E,振动,和,E,转动,的变化。若涉及分子振动能级的变化，则产生红外光谱；,E,振动,包含有,E,转动,的变化。若只涉及,E,转动,的变化，则产生远红外光谱。,2024/9/29,图中:,S,0、,S,1、,S,2,能级(基态、单重激发态)；,T,1、,T,2,三重激发态；,R,振动弛豫(10,-12,10,-13,s)；,A,吸收；,E,共振发射(荧光) (10,-7, 10,-9,s)；,F,荧光(10,-7,10,-9,s)；,P,磷光(10,-3,10,s)；,H,非辐射传热(外部转换)；,C,内部转换(10,-12,10,-13,s)；,X,体系跨越(10,-6, 10,s)。,2024/9/29,2024/9/29,2分子光谱的分类,(结合第一章讨论),分子吸收光谱,eV，,波长25025,m,振动光谱（红外光谱），0.051,eV，m,电子光谱（紫外-可见光谱），201,eV，m,分子发射光谱,电子光谱（分子荧光、磷光），201,eV，m,2024/9/29,3吸收光谱的特征及表示方法,吸收光谱又称吸收曲线。其横坐标用波长或频率表示，一定波长对应于一定的能量；,物质的吸收峰相应于分子结构，是定性的依据。,其纵坐标用光强的参数表示，如：,透光率、吸光度、吸光系数等，是定量分析的依据。,2024/9/29,4光吸收定律：,朗伯比尔,(,LambertBeer,),定律,式中，,A,为吸光度，,T,为透光率，,I,0,、I,分别为入射光和透过光的强度；,K,为,吸光系数,，当,c,用物质的量浓度表示，,b,用厘米表示时，用,代替,K,，,称为,摩尔吸光系数,，单位为（,Lmol,-1,cm,-1,）；,当,c,用百分浓度（,g/100mL），,b,用厘米表示时，用,E,1cm,1%,表示,K,，,称为,比吸光系数,。它们的关系如下：,2024/9/29,A,是波长的函数，,当,bc,=1,时，,A,K,，,可见吸光系数也是波长的函数,。,物质在某一波长下的吸光系数，是物质对某一特定波长光吸收能力的衡量；吸光系数越大，吸光能力越强，测定时灵敏度越高。,A(),增大,2024/9/29,(1)用原子轨道线性组合法产生出各个分子轨道；,(2)把电子加到每个分子轨道中去，在每个分子轨道中最多加进两个电子，由此产生分子的电子组态 ；,(3)把电子对加到最低能量轨道中去，从而产生最低能量的电子组态（基态电子组态）,例：甲醛的分子轨道,最高占有分子轨道,最低空轨道,电子基态,102 化合物电子光谱的产生,2024/9/29,电子的多重态,h, +,单重态,（自旋配对）,电子跃迁,激发单重态,（自旋 配对）,电子跃迁 和自旋翻转,h, +,单重态,（自旋配对）,三重态,（自旋 平行）,2024/9/29,2电子跃迁类型、能量及所在的波长区,根据分子轨道和配位体场理论，,化合物分子主要有六种类型的跃迁,：,跃迁,；,有机化合 ,n,跃迁,；,物的跃迁 ,跃迁,；,n,跃迁,；,无机化合 电荷转移跃迁（,p,-,d,跃迁）；,物的跃迁 配位体场跃迁（,d-d,，,f-f,跃迁）。,前四种跃迁的,能量次序如下图：,n,n,2024/9/29,2024/9/29,电荷转移跃迁：,2024/9/29,2024/9/29,3常用述语：发色团、助色团和吸收带,发色团,：,能导致化合物在紫外-可见光区产生吸收作用的基团，主要是含有不饱和键和未成对电子的基团,。如-,C=C-、-C,=,C-、C=O、-N=O、-N=N-、-C,=,N、-C=C-C=C-,等，相应于,；n,；n,跃迁。 说明：相同生色团，,max,相同，但随生色团的数目及助色团的不同有变，一般是随生色团数增加而波长增长；不同生色团，有不同的,max，,同一化合物中有几个不同的生色团时，吸收光谱上有几个吸收峰（但不一定能分开）。,助色团,：,本身无吸收，但能使生色团吸收强度和波长发生改变的基团，通常是含有孤对电子的基团,。如：-,OH、-NH,2,、NH、-CH,3,、-X、-OR,等。,n,电子与生色团上的,电子作用（,n-,共轭）使,的状态稳定，能量降低。,2024/9/29,红移、蓝（紫）移、增色效应和减色效应,由于在化合物中引入取代基、或改变溶剂、或引入增敏试剂等，使,最大吸收波长移向长波方向为,红移,；,移向短波方向为,紫移,。伴随,强度增大或减小为,增色效应或减色效应,。,吸收带,：,吸收带是指吸收峰在光谱中的波带位置,，根据电子及分子轨道理论，,紫外-可见光区的吸收带有四种类型,：,R,吸收带,由化合物中的,n,跃迁,产生的吸收带。其强度小，,270,nm。,K,吸收带,由,共轭体系中,跃迁,产生的吸收带。其强度大，,10,4,；,max,比,R,带的短，一般200,nm。,2024/9/29,B,吸收带,由,苯环本身振动及闭合环状共轭双键,跃迁,产生的吸收带。在230-270,nm,呈现一宽吸收带,且有精细结构；,max,255nm,有,约为200的弱吸收。,E,吸收带,由,芳香族化合物的特征吸收,，,是苯环内三个乙烯基共轭的,跃迁产生的,。分为,E,1,、,E,2,两个吸收带，,E,1,大约在180,nm，,强度大于10,4,，一般看不见；,E,2,约在200,nm，,强度约为7000。当苯环上有共轭取代时，,E,2,带常与,K,带合并，吸收峰移向长波方向。（苯乙酮的吸收光谱。）,2024/9/29,2024/9/29,芳香烃吸收带,2024/9/29,2024/9/29,4各类有机化合物的紫外吸收光谱,饱和化合物：,跃迁，,max,一般在150,nm；,当含有,n,电子的原子取代时产生,n,跃迁，可使,max,增大，达到近紫外区(200270,nm,)。,烯烃：有双键，产生,跃迁，,max,约在180,nm,；共轭体系中的,跃迁，,对应,K,带吸收，,大；,跃迁的,max,随共轭增长，移向长波方向，当有五个双键时，,max,达到可见光区。,醛酮：有,CO,基因，产生,n,； n,； ,三种跃迁。,n,跃迁吸收带对应,R,带，其,小，,max,位于较长波方向(300,nm,左右)。,芳香族：芳环共轭跃迁，由,跃迁产生，有三个吸收带，,E,1,、E,2,和,B,带特征。随共轭增长吸收带红移。,2024/9/29,5无机化合物的紫外可见（电子）光谱,两种类型的跃迁产生无机化合物电子光谱：电荷迁移跃迁和配位体场跃迁,（1）电荷转移吸收光谱,当分子同时具有电子给予体部分和电子接受体部分，它们在外来辐射的作用下，强烈地吸收紫外-可见光，电子从给予体外层轨道向接受体跃迁，这样产生的光谱称为电荷转移光谱。,一般说来，在配合物中，金属离子是电子接受体，配位体是电子给予体，例如,Fe,3+,-SCN-,h,Fe,2+,SCN,电子给予体,电子接受体,2024/9/29,一些具有,d,10,电子结构的过渡金属卤化物和硫化物的颜色就是这种跃迁产生的，如,AgI，AgBr，PbI,2,，HgS,等。,一些有机化合物也产生这类光谱，如,其中，苯环为电子给予体、氧为电子接受体。,电荷转移吸收光谱的最大特点是摩尔吸光系数大，,lg,4。,2024/9/29,（2）配位体场吸收光谱,过渡金属离子与配位体形成配合物时，金属离子原来在先的,d,或,f,轨道发生分裂，成为几组能量不等的,d,或,f,轨道；在外来辐射的作用下，吸收紫外及可见光，处于低能态的,d,或,f,电子跃迁到高能态的,d,或,f,轨道上，这种跃迁称为配位场跃迁，由此产生的吸收光谱称为配位体场吸收光谱。例如配位体场对,d-d,跃迁的影响如下:,2024/9/29,2024/9/29,d-d,跃迁产,生的光谱,2024/9/29,f-f,跃迁产,生的光谱,2024/9/29,6影响紫外可见光谱的因素,简单地说，,凡能影响分子能级变化的因素,都会影响光谱，如改变轨道能级、共轭、加重、,pH,的影响等。,（1）溶剂效应,成键和反键轨道及,n,电子受极性溶剂的影响,，,使各状态的能量发生改变,。,n,电子的能量降低最大，其次是反键轨道。如下图：,2024/9/29,溶剂对分子轨道能量的影响,使得,E,-*,E,-*,，,跃迁的吸收红移；,E,-*,E,n-*,， n,跃迁的吸收紫移；,E,n-*,E,n-*,，,n,跃迁的吸收紫移。,可以,利用这一现象判断是哪类跃迁,。,2024/9/29,影响吸收强度和精细结构,极性溶剂使精细结构消失，典型的例子是对称四嗪在不同溶剂中的吸收光谱（下图）。,2024/9/29,溶剂的选择原则,：(,a),溶解样品；(,b),在样品吸收的范围内无吸收；(,c),尽量选用非极性溶剂。,（2）空间效应,如果一个共轭有机化合物的分子处于同一平面时，则各个生色团之间的相互作用可以达到最大，分子的激发能降低，吸收较长波长的光，且强度增大。,2024/9/29,（3）超共轭效应,使,吸收峰移向长波方向,共轭体系中烷基取代的-,C-H,键的,轨道可与分子中的,轨道发生重叠，引起能量降低，吸收红移。,（4）,pH,值的影响,当物质含有,酸性基团,时，在,碱介质中吸收红移,；,当物质含有,碱性基团,时，在,酸介质中吸收蓝移,。,（5）吸收与结构的关系,共轭链越长,（链、环），吸收红移越多，,越大,；非共轭的双键不产生红移；,含有极性共轭基团,（醛、酮，例如：丁烯醛220,nm，,丁二烯217,nm）,的吸收偏于长波方向；,2024/9/29,助色团,越多，红移越大；,反式异构体,max,和,都,大于顺式（二苯乙烯：反式,295,nm,27000;,顺式280,nm,13500）；,烯醇式,(272,nm),比二酮式(243,nm),偏向长波方向；,饱和化合物,的吸收小于200,nm，,可作为溶剂；,芳香烃的二取代,时，对位的吸收波长长；一个是推电子基团，另一个是拉电子基团时，颜色加深，红移大。,2024/9/29,103 紫外可见分光光度计,紫外-可见分光光度计组件,光源,单色器,样品池,检测器,信号输出,基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定,作用：将复合光色散成单色光,棱镜,光栅,玻璃 350 2500,nm,石英185 4500,nm,平面透射光栅， 反射光栅,玻璃，光学玻璃，石英,作用：将光信号转换为电信号，并放大,光电管，光电倍增管，光电二极管，光导摄像管（多道分析器）,表头、记录仪、屏幕、数字显示,2024/9/29,光路示意图,2024/9/29,1基本组成部件,紫外可见分光光度计，一般由,五个部件组成,：辐射源（光源）、单色器（波长选择器）、试样室（吸收池）、信号接收器（光电转换装置）、显示器（读数装置）。,（1）辐射源（光源）,紫外,：氢、氘灯 发射160375,nm,的连续光。,可见,：钨灯或碘钨灯 发射3202500,nm,的连续光。,此外，,氙灯适合于紫外和可见部分,，发射250750,nm,的连续光。,（2）单色器,棱镜和光栅单色器都有用。,2024/9/29,（3）吸收池,紫外：用石英比色皿,可见：用光学玻璃比色皿,注意：不能擦洗，只能用溶剂泡洗；不能用手拿光学面；放入试样室时必须用滤纸（或镜头纸）吸干外面的溶液；盛溶液时只装2/3。,（4）信号接收器,光电池、光电管、光电倍增管。,（5）读出装置,数字显示、检流计、表头等。,2分光光度计的类型,（见书,p116）,单光束分光光度计：,一般分光光度计,双光束分光光度计：,在单色器后，用转动的扇形镜（斩光器）将光束分为两个光束；可以消除光源强度变化带来的误差。一般自动记录式分光光度计，是双光束的。,2024/9/29,双波长分光光度计：,使用了两个单色器，得到波长不同的两束光，分别照射试样溶液，得到不同波长下的吸光度的差值。,可以测定高浓度试样、浑浊试样以及多组分的测定，,导数分光光度法 等。,多道分光光度计：,在单光束分光光度计的基础上，采用多道光子检测器。可以快速扫描，跟踪化学反应过程，以研究化学反应机理；可以作为其它仪器分析方法的检测器（电泳、液相色谱）。,2024/9/29,单波长单光束分光光度计,0.575,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,比值,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,光束分裂器,单波长双光束分光光度计,2024/9/29,2024/9/29,104 紫外可见分光光度法的应用,定性、定量、结构分析及物理常数的测定,1定性分析,如前所说，溶剂作用：在极性溶剂中，物质吸收如果红移，则物质具有,电子，由,跃迁产生；如果吸收紫移，则物质含有,n,电子，由,n,跃迁产生。,如果物质在碱中吸收红移，则含有酸性基团；如果物质在酸中吸收紫移，则含有碱性基团。,定性分析的步骤：提纯；测定吸收、绘制光谱图；对比、验证。,2024/9/29,利用纯化合物的吸收光谱,光谱形状、吸收峰的数目、最大吸收波长,max,及其摩尔吸光系数,max,，,进行功能团的定性；进一步利用标准化合物或标准图谱如,Sadtler,紫外标准图谱进行比较(46000种)；利用经验规律（,Woodward,规则等）及不类同化合物的吸收特征进行复核；还应比较它们的摩尔吸光系数或比吸收系数；最后，应用其它物理或物理化学分析方法进行对照和验证才能确定。有相同吸收峰，并不一定是同一化合物。,Woodward,和,Fieser,规则,是计算有机化合物最大吸收波长的,经验规律,。,二烯及共轭二烯,max,的计算规则,不饱和羰基化合物,max,的计算规则,2024/9/29,(1),(3),2024/9/29,2024/9/29,、,不饱和羰基化合物,(2),(4),2024/9/29,2有机化合物构型、构象的测定,顺反异构体的判别：（如前空间效应中的二苯乙烯）,互变异构现象：共轭的烯醇式吸收波长长并强度大，如乙酰乙酸乙酯，酮式吸收,max,=204nm，,烯醇式,max243nm,max,=18000。,但应注意的是，不同异构体所占比例依赖于溶剂的性质，在极性溶剂中，酮式占优势，在非极性溶剂中，烯醇式占优势。构象的判别。,3化合物中纯度的检查,根据最大吸收波长下的吸光度，利用比尔定律直接测定物质含量；还可以根据摩尔吸光系数的特性对物质纯度进行检查。,2024/9/29,4定量分析,（1）单组分分析：,标准曲线法或标准比较法,（2）多组分的分析：,当各组分的吸收光谱不重叠时， 如单组分测定。,若两组分的吸收光谱互相重叠时，可以根据吸光度的加和性，在多个波长下测定吸光度并利用解联立方程方法求解。即,解两方程即可求出组份,A,和,B,的浓度。,也可以利用双波长分光光度法或导数分光光度法等新方法测定。,2024/9/29,2024/9/29,（3）其它分光光度分析法,双波长分光光度法,a,双波长等吸收法,：当光谱重叠、但两组份的两吸收峰在测定波长范围内重叠时，在其光谱中选择两波长，在选定的波长处，干扰组分有相同的吸收；被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比。,2024/9/29,因为,所以,可见，在双波长分光光度法中吸光度的差值与干扰组份无关。,2024/9/29,b,比例系数双波长法,：,当光谱重叠、但干扰组份的吸收峰不在测定波长范围内的两组份共存时，在其光谱中选择两波长，在选定的波长处，干扰组分的吸收与测定波长处的吸收存在一定比例，,即 ，且 ；被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比。,2024/9/29,2024/9/29,导数分光光度法,导数分光光度法是利用自动电路对光谱进行求导，其,导数信号与浓度成正比,，即,同样,高阶导数光谱信号也与浓度成正比,。,导数光谱可以消除干扰物质的光谱重叠、胶体和浑浊溶液对光散射及背景吸收的影响。,2024/9/29,奇数阶导数光谱中的零，偶数阶导数光谱中的极值（极大或极小），对应于常规吸收曲线上的最大值。,2024/9/29,随着导数阶数增加，吸收峰的尖锐程度增大，带宽减小,，,因此有利于重叠峰的分离、有利于肩峰的测定、并能准确地确定宽吸收带上的最大吸收波长。,此外应该明确的是：导数光谱的分辨率随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的增加而减小。,导数峰的测量有：,峰谷法,基线法,峰零法,2024/9/29,（4）光度滴定法,以某波长下，,滴定过程中吸光度的变化来确定滴定终点的滴定分析方法,。这种,方法的条件,是：,被滴物或滴定剂与产物的吸光度有显著差别,。,x,、,p,、,t,分别为被滴物、产物、滴定剂的摩尔吸光系数。,光度滴定法的特点：准确度和精密度较一般光度法好；可适合浓溶液也适合于稀溶液；应用广泛。,2024/9/29,光度滴定曲线：,x,、,p,、,t,分别为被滴物、产物、滴定剂的摩尔吸光系数,2024/9/29,5分光光度法在溶液平衡研究中的应用,（1）络合物组成的确定和稳定常数的测定,a,摩尔比法,设络合物,MR,n,的生成反应为,M、R,不应干扰,MR,n,的吸光度的测定。,配制一系列固定,M,组分的浓度，改变,R,组分的浓度的溶液，,而后在,MR,n,的最大吸收波长处测定各混合溶液的吸光度。以吸光度,A,对加入溶液中,R,和,M,的浓度之比作图，,转拆点的,c,R,/ c,M,对应于络合物的组成比,n,（,如下图）。,MnR MR,n,2024/9/29,摩尔比法测定络合物的组成,2024/9/29,利用此法的结果，,可以计算其生成常数,n,。,根据络合物的形成平衡，当,M,全部生成,MR,n,时，浓度为,c,M,，,对应于,A,max,；,当加入的,R,刚好与生成,MR,n,的化学计量相等时，由于离解使,MR,n,的浓度小于最大浓度；设络合物的离解度为,，,则,MR,n,=(1-),c,M,，,且对应于吸光度,A,。M= ,c,M,，R= n,c,M,，,所以,根据浓度与吸光度的关系：,所以,2024/9/29,b,等摩尔连续变化法,对上述络合物生成反应，,配制一系列,c,M,+,c,R,=,c,（,c,值均相同）、但改变,c,M,和,c,R,比例的溶液，,而后在,MR,n,的最大吸收波长处测定各混合溶液的吸光度。以吸光度,A,对,c,M,/,c,之比作图，,转拆点的,c,M,/,c,对应于络合物的组成比,n,（,如右图）。同样可测定常数。,等摩尔连续变化法,2024/9/29,（2）酸碱离解常数的测定,弱酸,HB,在溶液中存在如下平衡,HB H,B,配制,HB,总浓度,c,相同，但酸度不同的三份溶液，即酸性、碱性和一定,pH,值的缓冲溶液；在酸型体（或碱型体）的最大吸收波长下测得吸光度分别为,A,a,、A,b,和,A,。,当其离解常数为,K,a,时有：,2024/9/29,在酸性溶液中,HB,以酸式型体存在，且浓度为,c,；,在碱性溶液中,HB,以碱式型体,B,存在，且浓度为,c,；,在一定,pH,缓冲溶液中，,HB,的酸型体和碱型体同时存在，且,c,=HB+B,。,则,酸、碱型体的吸光系数分别为：,在一定,pH,值溶液中的总吸光度为：,分别用吸光系数和离解常数代入并整理得到：,即：,式中,pH,用电位法测定,2024/9/29,1有机化合物的吸收光谱有哪些？各由什么（能级）跃迁产生？,2有机化合物紫外可见吸收光谱是由哪些跃迁产生的？它们的能量次序如何？,3为什么化合物的紫外可见光谱有峰和峰谷？在它们的分光光度法测定中，应选择在何处进行测量，为什么？,4试分析邻氨基苯酚的紫外可见光谱应该有哪些吸收带？它们分别是由什么跃迁产生的？,5影响有机化合物紫外可见光谱的因素有哪些？试举例说明其影响情况。,6光吸收定律的基本形式是什么？在定量分析中使用定律的基本形式是什么？,7定性分析有哪些基本步骤？如何估计有机化合物的最大吸收波长？,8双波长分光光度法的什么信号与被测成份的浓度成正比？,9导数分光光度法中导数吸收与常规吸收有何关系？,10分光光度法在溶液平衡研究中有何应用？,2024/9/29,