紫外可见吸收光谱法基本原理

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分析法,一、概述,二、紫外,可见吸收光谱,三、光的吸收定律,光的基本性质,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,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,。,1.,定义,光谱分析法,是指在光的作用下，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。,本章主要讲授,紫外,-,可见吸光光度法,。,二,、,紫外,可见吸收光谱分析法,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之间的关系,。,M +,h,M,*,基态 激发态,E,1,（,E,）,E,2,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,则不同。,（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，在每一波长下吸光度,A,有差异，在,max,处吸光度,A,的差异最大,，所以测定最灵敏，,此特性可作为物质定量分析的依据。,3.,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,E,e,、,振动能量,E,v,、转动能量,E,r,即,E,E,e,+,E,v,+,E,r,e,v,r,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若干谱线而呈现宽谱带。,能级跃迁,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150250,nm，,大部分在远紫外区，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173,nm、183nm,和227,nm。,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10100,L,mol,-1,cm,-1,，,吸收谱带强度较弱。,分子中孤对电子和,键,同时存在，同时发生,n,跃迁。丙酮,n,跃迁的,为275,nm,max,为22,L,mol,-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,。,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，如图所示。,4.,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。,A,lg(,I,0,/,I,t,)=,b c,三、,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年阐明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。,A,b,1852年比尔(,Beer),又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之间的关系。,A,c,二者的结合称为,朗伯,-,比尔定律,A,=,b c,A,lg(,I,0,/,I,t,),b c,式中,A,：,吸光度；描述溶液对光的吸收程度；（,A,无单位,）,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,-1,cm,-1,；,在数值上等于浓度为1,mol/L、,液层厚度为1,cm,时该溶液在某一波长下的吸光度；,或:,A,lg(,I,0,/,I,t,),a b c,（,A,无单位,）,c,：,溶液的浓度，单位,gL,-1,a,：,吸光系数，单位,Lg,-1,cm,-1,，相当于浓度为1,g/L、,液层厚度为1,cm,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1,mol/L、,液层厚度为1,cm,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,表明了该,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达到的最大灵敏度。,（5）,max,越大表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：,10,5,超高灵敏的方法,（6,10）10,4,高灵敏的方法,（2,6）10,4,中灵敏的方法,2 10,4,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,的理论基础和,定量测定,的依据。应用于各种光度法的吸收测量。,2.,透光度,T,应用举例,某有色物质溶液的浓度为,4.510,-3,g,L,-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,-3,g,L,-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：,（,a,）,a=A/bc=0.300/2.04.510,-3,=33.3L,g,-1,cm,-1,（,b,）,T=10,-ab,c,=10,-A,T%=10,-ab,c,100,=10,-A,100,=17.81,3.朗伯,-,比尔定律,偏离,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，,（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似于单色的狭窄光带。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，则：,A,1,lg(,o,1,/,t,1,）,1,bc,A,2,lg(,o,2,/,t,2,）,2,bc,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(I,o,总,/,I,t,总,),lg(Io,1,+Io,2,)/(I,t1,+I,t2,）,lg(Io,1,+Io,2,)/(Io,1,10,-,1bc,+Io,2,10,-2bc,),令：,2,1,；,Io,1,Io,2,A,总,lg(2Io,1,)/,I,t,1,(,110,-,bc,),A,1,+lg2-lg(110,-,bc,),讨论如下:,讨论:,A,总,=,A,1,+lg2-lg(110,-,bc,),(1),=0；,即：,1,=,2,=,则：,A,总,lg（,o/,t）,bc,(2),0,若,0,；,即,2,0,lg(110,-,bc,),值随,c,值增大而增大，则标准曲线偏离直线向,c,轴弯曲，即,负偏离,；反之，则向,A,轴弯曲，即,正偏离。,讨论:,A,总,=,A,1,+lg2-lg(110,-,bc,),(3),很小时，即,1,2,：,可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使,很小，,A,总,1,，且随着,c,值增大，,A,总,与,A,1,的差异愈大，在图上则表现为,A-c,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。此外还应将入射光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,；此假定只有在稀溶液(,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下列平衡：,CrO,4,2-,2,H,=,Cr,2,O,7,2-,H,2,O,溶液中,CrO,4,2-,、Cr,2,O,7,2-,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。,