紫外-可见吸收光谱法基本原理-1ppt课件

1、第二章第二章 紫外可见吸收光谱法分析法紫外可见吸收光谱法分析法第一节第一节 根本原理根本原理一、概述一、概述二、紫外二、紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 三、光的吸收定律三、光的吸收定律 光的根本性质光的根本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光是一种电磁波，具有波粒二象性。 单色光：单一波长的光单色光：单一波长的光( (由具有一样能量的光子由具有一样能量的光子组成组成) ) 白光：由各种单色光组成的复合光白光：由各种单色光组成的复合光一、概述一、概述白光紫绿红橙蓝青蓝青黄光的互补表示图光的互补表示图白光白光表表2-1 2-1 物质颜色和吸收光颜色之间的关物质颜色和吸收光颜色之间的关系系 物质颜

2、色物质颜色吸吸 收收 光光颜色颜色波长范围波长范围/nm黄绿黄绿紫紫400-450黄黄蓝蓝450-480橙橙绿蓝绿蓝480-490红红蓝绿蓝绿490-500紫红紫红绿绿500-560紫紫黄绿黄绿560-580蓝蓝黄黄580-600绿蓝绿蓝橙橙600-650蓝绿蓝绿红红650-700 在光谱分析中，根据物质对光的选择性吸收而建立起来的在光谱分析中，根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。分析方法称为吸光光度法。1.1.定义定义 光谱分析法是指在光的作用下，经过丈量物质产光谱分析法是指在光的作用下，经过丈量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进展分生的发射光、吸收光或

3、散射光的波长和强度来进展分析的方法。析的方法。本章主要讲授紫外本章主要讲授紫外-可见吸光光度法。可见吸光光度法。二、紫外二、紫外可见吸收光谱分析可见吸收光谱分析法法2.2.物质对光的选择性吸收及其吸收曲线物质对光的选择性吸收及其吸收曲线 E = E2 - E1 = h 量子化；选择性吸收; 分子构造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 + h M M * *基态基态 激发态激发态E1 E1 E E E2 E2吸收曲线的讨论：吸收曲线的讨论： 1同一种物质对不同波长的光同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最

4、大处对应的的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长波长称为最大吸收波长max2不同浓度的同一种物质，其不同浓度的同一种物质，其吸收曲线外形类似，吸收曲线外形类似，max不变。而不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线外形对于不同物质，它们的吸收曲线外形和和max那么不同。那么不同。 3吸收曲线可以提供物质的构造信息，并作为物质定性分析的根据之一吸收曲线可以提供物质的构造信息，并作为物质定性分析的根据之一.4不同浓度的同一种物质，在每一波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在每一波长下吸光度 A 有差别，在有差别，在max处吸处吸光度光度A 的差别最大，所以测定最灵敏，此特性可作为物质定量分

5、析的根据。的差别最大，所以测定最灵敏，此特性可作为物质定量分析的根据。3.3.紫外紫外- -可见吸收光谱与电子跃迁的关系可见吸收光谱与电子跃迁的关系 物质分子内部三种运动方式：物质分子内部三种运动方式： 1 1电子相对于原子核的运动电子相对于原子核的运动 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：电子能级、振动能级和转动能级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。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

6、能：电子能量Ee Ee 、振动能量、振动能量Ev Ev 、转动能量、转动能量ErEr 即即 E E Ee + Ev + Er Ee + Ev + Er evr evr 紫外紫外- -可见光谱属于电可见光谱属于电子跃迁光谱。子跃迁光谱。 电子能级间跃迁的同电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转动能时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的假设动能级间跃迁产生的假设干谱线而呈现宽谱带。干谱线而呈现宽谱带。能级跃迁能级跃迁吸收光谱与电子跃迁吸收光谱与电子跃迁1 1紫外紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 有机化合物的紫外有机

7、化合物的紫外- -可见吸收光谱，是其分子中可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果三种：外层价电子跃迁的结果三种：电子、电子、电子电子、n n电子。电子。分子轨道实际：一个成键轨分子轨道实际：一个成键轨道必定有一个相应的反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道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。或非键轨道上。 外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态( (反反键轨道键轨道) )跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为：大小顺序为：n n n n 跃迁跃迁

8、 所需能量最大，电子只需吸收远紫外光的能量才干发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出如今远紫外区(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125nm,乙烷max为nm。 n n 跃迁跃迁 所需能量较大。吸收波长为所需能量较大。吸收波长为150150250nm250nm，大部分，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易察看到。含非键电子的在远紫外区，近紫外区仍不易察看到。含非键电子的饱和烃衍生物饱和烃衍生物( (含含N N、O O、S S和卤素等杂原子和卤素等杂原子) )均呈现均呈现n n * *跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n n * *跃跃迁的迁

9、的分别为分别为173nm173nm、183nm183nm和和227nm227nm。n n 200nm200nm。这类跃迁在跃迁选律。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数普通为上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数普通为1010100Lmol-100Lmol-1cm-11cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存键同时存在，同时发生在，同时发生n n 跃迁。丙酮跃迁。丙酮n n 跃迁的跃迁的为为275nm,max275nm,max为为22 Lmol-1 cm -122 Lmol-1 cm -1溶剂环己烷溶剂环己烷) )。生色团与助色团生色团与助色团生

10、色团：生色团： 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nn跃迁产跃迁产生的。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。这类含有类含有键等不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键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、偶氮基或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基-N-NN-N-、乙炔基、腈基、乙炔基、腈基-C-CN N等。等。助色团：助色团： 有一些含有有一些含有n n电子的基团电子的基团( (如如-OH-OH、-OR-OR、-NH-NH、-NHR-NHR、- -X X等

11、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200nm200nm的光的光) )，但，但当它们与生色团相连时，就会发生当它们与生色团相连时，就会发生n-n-共轭作用，加强生色共轭作用，加强生色团的生色才干团的生色才干( (吸收波长向长波方向挪动，且吸收强度添加吸收波长向长波方向挪动，且吸收强度添加) )，这样的基团称为助色团。，这样的基团称为助色团。红移和蓝移红移和蓝移 有机化合物的吸收谱带经常因引入取代基或改动溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化: max向长波方向挪动称为红移，向短波方向挪动称为蓝移。 吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的景象分别称为增色效应

12、或减色效应，如下图。4. 定性和定量分析根据定性和定量分析根据1 1定性分析根据：定性分析根据： 可根据吸收光谱曲线的外形，即曲线上吸收峰的数可根据吸收光谱曲线的外形，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展定性分析。目，峰所对应的波长及峰的相对高度来进展定性分析。2 2定量分析的根据：定量分析的根据： 根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来进展定量分析。进展定量分析。 A Alg(I0/It)= b c lg(I0/It)= b c 三、光的吸收定三、光的吸收定律律 1.朗白-比尔定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambe

13、rt)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二者的结合称为朗伯- -比尔定律比尔定律 A =b c A =b c Alg(I0/It) b c 式中式中A：吸光度；描画溶液对光的吸收程度；：吸光度；描画溶液对光的吸收程度；A无单位无单位 b：液层厚度：液层厚度(光程长度光程长度)，通常以，通常以cm为单位；为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位：溶液的摩尔浓度，单位 molL-1； ：摩尔吸光系数，单位：摩尔吸光系数，单位Lmol-1cm-1；在数值上等于浓度为；在数

14、值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；时该溶液在某一波长下的吸光度； 或或: Alg(I0/It) a b c A无单位无单位 c：溶液的浓度，单位：溶液的浓度，单位 gL-1 a：吸光系数，单位：吸光系数，单位 Lg-1cm-1，相当于浓度为，相当于浓度为1g/L、液层、液层厚度为厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。朗伯朗伯比尔定律数学表达比尔定律数学表达式式摩尔吸收系数摩尔吸收系数的讨论的讨论1 在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为、液层厚度为1cm时该溶液在时该溶液在某一波长下的吸

15、光度。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。吸收物质是在一定温度、波长和溶剂条件下的特征常数。3不随浓度不随浓度c和光程长度和光程长度b的改动而改动。的改动而改动。仅与吸收物质本身仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；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同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波值是不同的。在最大吸收波长长max处的摩尔吸光系数，常以处的摩尔吸光系数，常以max表示。表示。max阐明了该吸收阐明了该吸收物质最大限制的吸光才干，也反映了光度法测定该物质能够到达物质最大限制的吸光才干，也反映了光度法测定该物质能

16、够到达的最大灵敏度。的最大灵敏度。 5 5maxmax越大阐明该物质的吸光才干越强，用光度法测定该越大阐明该物质的吸光才干越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。物质的灵敏度越高。 通常，在通常，在maxmax处：处： 105 105 超高灵敏的超高灵敏的方法方法 6 61010104 104 高灵敏的方法高灵敏的方法 2 26 6 104 104 中灵敏的方法中灵敏的方法 2 2 104 104 不灵敏的方法不灵敏的方法 6 6可作为定性鉴定的参数；可作为定性鉴定的参数；透过度透过度T: T: 描画入射光透过描画入射光透过溶液的程度溶液的程度: : T = It /I0 T = It /I0吸

17、光度吸光度A A与透光度与透光度T T的关系的关系: : A = -lgT A = -lgT 朗伯朗伯- -比尔定律是吸光光度法的实际根底和定量测定的根据。运比尔定律是吸光光度法的实际根底和定量测定的根据。运用于各种光度法的吸收丈量。用于各种光度法的吸收丈量。2.2.透光度透光度T T运用举例运用举例 某有色物质溶液的浓度为某有色物质溶液的浓度为4.54.510-3gL-1,10-3gL-1,在在530nm530nm波长下用波长下用2.0cm2.0cm的吸收池所测得的吸光度为的吸收池所测得的吸光度为0.3000.300，试计算试计算 a a吸收系数；吸收系数； b) b) 运用运用5cm5cm

18、的吸收池时溶液的百分透光度。的吸收池时溶液的百分透光度。 解：解：运用举例运用举例 某有色物质溶液的浓度为某有色物质溶液的浓度为4.54.510-3gL-1,10-3gL-1,在在530nm530nm波长下用波长下用2.0cm2.0cm的吸收池所测得的吸光度为的吸收池所测得的吸光度为0.3000.300，试计算试计算(a)(a)吸收系数；吸收系数；(b)(b)运用运用5cm5cm的吸收池时溶液的百的吸收池时溶液的百分透光度。分透光度。解：解：a aa=A/bc=0.300/2.0a=A/bc=0.300/2.04.54.510-3=33.3Lg-1cm-110-3=33.3Lg-1cm-1b

19、bT=10-abT=10-abc=10-Ac=10-A T%=10-ab T%=10-abc c100100=10-A=10-A100100=17.81=17.813. 3. 朗伯朗伯- -比尔定律偏离的缘由比尔定律偏离的缘由 规范曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：规范曲线常发生弯曲(尤其当溶液浓度较高时)，这种景象称为对朗伯-比尔定律的偏离。 引起这种偏离的要素两大类：1物理性要素，2化学性要素。1 1物理性要素物理性要素朗白朗白- -比尔定律的前提条件之一是入射光为单色光。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。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

20、的狭窄光带。复合光可导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致对朗伯- -比尔定律的正或负偏离。比尔定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非平行入射光都非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗白会引起对朗白- -比尔定律的偏离，最主要的比尔定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。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经过浓度为c的溶液，那么： A 1 lg(o1 /t1 1bc A 2 lg(o2 /t2 2bc故：式中：式中：o1、o2分别为分别为1、2 的入射光强

21、度；的入射光强度； t1、t2分别为分别为1、2 的透射光强度；的透射光强度； 1、2分别为分别为1、2的摩尔吸光系数；的摩尔吸光系数；因实践上只能测总吸光度因实践上只能测总吸光度A总，并不能分别测得总，并不能分别测得A1和和A2，故，故cbcbIIII 212111OtOt10;10 A总总 lg(Io总总/It总总 ) lg(Io1+Io2)/(It1+It2 lg(Io1+Io2)/(Io110 -1bc +Io210-2bc )令：令： 2 1 ； Io1 Io2 A总总 lg(2Io1)/It1(110- bc ) A1 + lg2 - lg(110- bc ) 讨论如下讨论如下:讨论讨论: : A A总总 =A1 + lg2 - lg(1 =A1 + lg2 - lg(110-10- bc ) bc ) (1) (1) = 0 = 0； 即：即： 1= 1= 2 = 2 = 那么：那么： A A总总 lglgo/o/t t bc bc(2) (2) 0 0 假设假设 0 0 ；即；即 2 20, bc0, lg(1 lg(110 -10 - bc ) bc )值随值随c c值增大而增大，那么规范曲线值增大而增大，那么规范曲线