紫外－可见吸收光谱法基本原理-1

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,*,第二章 紫外可见吸收光谱法,第一节 根本原理,一,、,概述,二,、紫外,可见吸收光谱,三、分子吸收光谱与电子跃迁,四、 光的吸收定律,基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。,光谱分析法是指在光或其它能量的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。,一,、概述,在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:,紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm近紫外区，可用于结构鉴定和定量分析。,可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400780 nm ，主要用于有色物质的定量分析。,红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围0.761000m ，主要用于有机化合物结构鉴定。,本章主要讲授紫外可见吸光光度法。,返回,二,、,紫外,可见吸收光谱,1光的根本性质,光是一种电磁波，具有波粒二象性。,单色光：单一波长的光(由具有相同能量的光子组成),白光：由各种单色光组成的复合光。,吸收光谱：吸光物质对电磁波辐射吸收时其透过光的光谱。假设吸光物质为分子或离子团，那么将其吸收光谱称为分子吸收光谱；假设吸光物质为原子蒸汽，那么将其吸收光谱称为原子吸收光谱。,白光,紫,绿,红,橙,蓝,青蓝,青,黄,光的互补示意图,白光,白光,表,2-1,物质颜色和吸收光颜色之间的关系,物质颜色,吸 收 光,颜色,波长范围,/nm,黄绿,紫,400-450,黄,蓝,450-480,橙,绿蓝,480-490,红,蓝绿,490-500,紫红,绿,500-560,紫,黄绿,560-580,蓝,黄,580-600,绿蓝,橙,600-650,蓝绿,红,650-700,返回,2.物质对光的选择性吸收及其吸收曲线,E,=,E,2,-,E,1,=,h,量子化；选择性吸收;,分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；,用不同波长的,单色光,照射，,吸收曲线,测吸光度与吸收波长,。,M +,h, M,*,基态 激发态,E1 E E2,。,吸收曲线的讨论：,1同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max,2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那么不同。,3吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一,4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。此特性可作为物质定量分析的依据。,5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。,3.,定性和定量分析依据,1定性分析依据：,可根据吸收光谱曲线的形状，即曲线上吸收峰的数目，峰所对应的波长及峰的相对高度来进行定性分析。,2定量分析的依据：,根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来进行定量分析。,4.,紫外可见吸收光谱,与,电子跃迁,的关系,物质分子内部三种运动形式：,1电子相对于原子核的运动,2原子核在其平衡位置附近的相对振动,3分子本身绕其重心的转动,分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级,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Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er,即 E Ee + Ev + Er,evr,紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。,电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的假设干谱线而呈现宽谱带。,能级跃迁,讨论,1转动能级间的能量差Er：0.0050.050eV，跃迁产生的吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；,2振动能级的能量差Ev约为：0.05 eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；,3电子能级的能量差Ee较大，约为120eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光谱或分子的电子光谱。,4吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。,返回,吸收光谱与电子跃迁,1紫外可见吸收光谱,有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果三种：电子、电子、n电子。,分子轨道理论：,一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量,大小顺序为,：,n, ,n,跃迁,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,200nm，,只能被真空紫外分光光度计检测到,),。如甲烷的,为125,nm,乙烷,max,为135,nm。,n 跃迁,所需能量较大。吸收波长为150250nm，大局部在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n *跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n *跃迁的分别为173nm、183nm和227nm。,n, ,n,200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100Lmol-1cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生n 跃迁。丙酮n 跃迁的为275nm,max为22 Lmol-1 cm -1溶剂环己烷)。,生色团与助色团,生色团,：,最有用的紫外可见光谱是由,和,n,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,。,这类含有,键等不饱和基团称为,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、亚硝基、偶氮基,-NN-、,乙炔基、腈基,-C,N,等,。,助色团,：,有一些含有,n,电子的基团,(如,-OH、-OR、-NH,、-NHR、-X,等)，,它们本身没有生色功能(不能吸收,200nm,的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生,n,-,共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收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,。,红移,和,蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化:,max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如下图。,四,、,光的吸收定律,1.朗白-比尔定律,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年说明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。,Ab,1852年比尔(,Beer),又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。,A,c,二者的结合称为,朗伯,-,比尔定律,。,AlgI0/It)= b c,式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；,b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；,c：溶液的摩尔浓度，单位molL-1；,：摩尔吸光系数，单位Lmol-1cm-1；在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；,或: AlgI0/It)= a b c,c：溶液的浓度，单位gL-1,a：吸光系数，单位Lg-1cm-1，相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,朗伯,比尔定律数学表达式,摩尔吸收系数,的讨论,1 在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,2吸收物质是在一定温度、波长和溶剂条件下的特征常数。,3不随浓度c和光程长度b的改变而改变。仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；,4同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max说明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能到达的最大灵敏度。,5max越大说明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。,通常，在max处：, 105 超高灵敏的方法,610104 高灵敏的方法,26 104 中灵敏的方法, 2 104 不灵敏的方法,6可作为定性鉴定的参数；,透过度,T,: 描述入射光透过溶液的程度:,T = I,t,/I,0,吸光度,A,与透光度,T,的关系:,A,=,-lgT,朗伯比尔定律是吸光光度法的理论根底和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；,2.透光度透光率T,应用举例,某有色物质溶液的浓度为4.510-3gL-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算a吸收系数；b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。,解：,应用举例,某有色物质溶液的浓度为4.510-3gL-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算a吸收系数；b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。,解：,aa=A/bc=0.300/2.04.510-3=33.3Lg-1cm-1,bT=10-abc=10-A,T%=10-abc100=10-A100=17.81,3.偏离朗伯比尔定律的原因,标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲尤其当溶液浓度较高时，这种现象称为对朗伯-比尔定律的偏离。,引起这种偏离的因素两大类：,1物理性因素，即仪器的非理想引起的；,2化学性因素。,1物理性因素,朗白比尔定律的前提条件之一是入射光为,单色光,。,难以获得真正的纯单色光,。,分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比尔定律的正或负偏离。,非单色光,、,杂散光,、,非平行入射光,都会引起对,朗白比尔定律,的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,非单色光作为入射光引起的偏离,假设由波长为1和2的两单色光,组成的入射光通过浓度为c的溶液，那么：,A 1lgo1 /t1 1bc,A 2lg(o2 /t2 2bc,故：,式中：,o,1,、,o,2,分别为,1,、,2,的入射光强度；,t1,、,t2,分别为,1,、,2,的透射光强度；,1,、,2,分别为,1,、,2,的摩尔吸光系数；,因实际上只能测总吸光度,A,总,，并不能分别测得,A,1,和,A,2,，,故,A总 lg(Io总/It总 ),lg(Io1+Io2)/(It1+It2, lg(Io1+Io2)/(Io110-1bc +Io210-2bc ),令： 1-2 ；,Io1 Io2,A总 lg(2Io1)/It1(110 - bc ), A1 + lg2 - lg(110 - bc ),讨论如下:,讨论:,A总 =A1 + lg2 - lg(110bc ),(1) = 0； 即： 1= 2 = ,那么： A总 lgo/t bc,(2) 0 假设 0,lg(110 - bc )值随c值增大而增大，那么标准曲线偏离直线向c 轴弯曲，即负偏离；反之，那么向A轴弯曲，即正偏离。,讨论:,A,总,=,A,1,+ lg2 - lg(110,bc,),(3)很小时，即12：,可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。假设浓度较高，即使很小， A总1 ，且随着c值增大， A总 与A 1的差异愈大，在图上那么表现为Ac曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯比尔定律只适用于稀溶液。,(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。,(2) 化学性因素,朗白比尔定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c 10-2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。,故：朗伯比尔定律只适用于稀溶液。,溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。,例：铬酸盐和重铬酸盐溶液中存在以下平衡：,CrO42- 2H = Cr2O72- H2O,溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。,