第4章 紫外可见分光光度法.ppt

1、第四章 紫外-可见分光光度法,UV-Visible Spectrometry,分析化学（仪器分析部分）,目 录,4-1 基本原理 4-2 紫外-可见分光光度计 4-3 显色反应与光度测量条件的选择 4-4 定性分析与结构解析 4-5 定量分析,参考文献：周名成 俞汝勤 著，紫外与可见光分光光度法，化学工业出版社，北京，1986,目 录,4-1 基本原理 4-1-1 紫外-可见吸收光谱的产生 4-1-2 光的吸收定律 4-1-3 有机化合物的电子光谱 4-1-4 无机化合物的电子光谱 4-2 紫外-可见分光光度计 4-3 显色反应与光度测量条件的选择 4-4 定性分析与结构解析 4-5 定量分析

2、,1. 紫外-可见吸收光谱与电子跃迁,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 EEe+Ev+Er,4-1-1 紫外-可见吸收光谱的产生,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。（带状光谱）,evr,紫外-可见吸收光谱的产生,当紫外-可见光（100800nm） 投射到分子

3、上时，如果某些波长的光 的能量恰好等于分子的外层价电子能 级跃迁所需能量时，分子就会对这种 波长的光产生吸收。以吸光度对波长 作图，就得到分子的紫外-可见吸收 光谱。,（1）转动能级间的能量差Er：0.0050.05eV，跃迁需吸收波长为25025m的远红外光，故其吸收光谱称为远红外光谱或分子转动光谱； （2）振动能级的能量差Ev约为：0.05eV，跃迁需吸收波长为251.25m的红外光，故其吸收光谱称为红外光谱或分子振转光谱； （3）电子能级的能量差Ee较大120eV。电子跃迁需吸收波长为1.250.06m的光，主要位于真空紫外到可见光区，故其吸收光谱称为电子光谱或紫外、可见光谱；,2.紫外

4、-可见吸收光谱概述 紫外-可见吸收光谱：电子光谱，分子的价电子在分子轨道间跃迁产生的。 波长范围：100-800 nm. (1) 远紫外光区: 100-200 nm (2) 近紫外光区: 200-400 nm (3) 可见光区: 400-800 nm,可用于结构鉴定和定量分析。 电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。,3.物质对光的选择性吸收及吸收曲线,E = E2 - E1 = 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，测吸光度 吸收曲线与最大吸收波长 max；,光的互补：蓝 黄,物质的颜色吸收光的互补色,4-1-2

5、光的吸收定律,1.朗伯-比耳定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Ab,1852年比耳(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。Ac,二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为：,Alg（I0/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； ：摩尔吸光系数，单位Lmolcm； 或: Alg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位gL a：吸光系数，单位Lgcm,2.摩尔吸光系数的讨论,（1

6、）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）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和入射光波长有关，与待测物浓度无关； （3）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。,（4）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。105：超高灵敏； =(610）104 ：高灵敏； 2104 ：不灵敏。,透光度(透光率)T,透过度T : 描述入射光透过溶液的程度: T = I t

7、/ I0 吸光度A与透光度T的关系: A lg T,3.偏离朗伯-比耳定律的原因,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-比耳定律的偏离。 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,1.1 难以获得真正的纯单色光。 朗伯-比耳定律的前提条件之一是入射光为绝对单色光。,分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带，不能获得绝对单色光。复合光可导致对朗伯-比耳定律的正或负偏离。,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：

8、A 1lg（o1 /t1 ）1bc A 2lg(o2 /t2 ）2bc 故：,式中：o1、o2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A1和A2，故,A总 lg（o总/t总 ) lg(Io1+o2)/(t1+t2） lg(Io1+o2)/(o110-1bc +o210-2bc ） 令： 1-2 ； 设： o1 o2 A总 lg(2Io1)/t1(110 - bc ） A 1 + lg2 - lg(110 - bc ),讨论:,A总 =A1 + lg2 - lg(110bc ) (1) =

9、 0； 即： 1= 2 = 纯单色光 则： A总 lg（o/t） bc (2) 0 若 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 =A1 + lg2 - lg(110bc ),(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。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Ac曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯比耳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

10、质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。,非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯-比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,1.2 非平行光或入射光被散射引起的偏离。,(2) 化学性因素,朗伯-比耳定律的假定：被测物质都是以对特定频率辐射吸收有效的形态存在。所有的吸光质点之间不发生相互作用； 事实上，吸光质点间可能发生解离、缔合、溶剂反应等相互作用，直接影响了对光的吸收。 故：朗伯-比耳定律只适用于稀溶液。 例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： 2CrO42- 2H = Cr2O72- H2O 黄色 橙色 （ 375nm) （ 350nm，450nm) 溶液中CrO42

11、-、 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。,某酸碱指示剂溶液的浓度为1.0 x10-3mol/L，在475nm波长下，用1.00cm比色皿测得吸光度为0.864。已知在475nm时，酸式的摩尔吸收系数475HIn=120L/mol cm，碱式的摩尔吸收系数475In=1052L/mol cm。计算指示剂的碱式In-的浓度。,4-1-3 有机化合物的电子光谱,当外层电子吸收紫外或可见光辐射后，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 ,真空紫外区150nm,远紫外和近紫外区,1电子能级跃迁类型,2.常用术语,含有n电

12、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),能吸收紫外可见光而产生电子能级跃迁的基团 （分子带有颜色）通常由 跃迁产生,生色团：,助色团：,本身不能生色、但与生色团相连时可改变 生色团吸收特性的基团。,红移与蓝移,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，如图所示

13、。,3. 有机化合物的紫外-可见光谱,吸收波长150 nm； 例：甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。,(1) 饱和烷烃及其取代衍生物,饱和烃,饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区， 不能被紫外可见分光光度计检测到。 作为紫外可见吸收光谱测定的溶剂使用。,饱和烃取代衍生物,吸收波长为150250nm，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。, n,甲烷的max为125nm,(2) 不饱和烃及共轭烯烃, 和,跃迁所需能量较小，吸收波长处于近紫外区，max104，属于强吸收谱带。,1 不饱和烃*跃迁（非共轭

14、体系） 乙烯*跃迁的max为180nm，max为: 1104 Lmol-1cm1。,在不饱和烃中，当有两个或更多个双键共轭时， max红移， max增大,K带共轭非封闭体系的p p* 跃迁产生的吸收带,（3）羰基化合物,Y=H,R n * * n * R带, 不饱和醛酮,R带特点:1.吸收强度低, max 10-20 2. max 270-300nm 谱带略宽,甲基乙烯基甲酮 羰基与双键共轭 共轭,1 醛、酮(羰基与非助色团相连）, 醛、酮 n * R带 max 270300nm,max 10-20,K带红移：220260nm max 104 R 带红移：310330nm max 102,Y=

15、 -NH2, -OH, -OR, X等助色基团,助色团上的n电子与羰基双键的 电子产生n 共轭,K 带红移，R 带兰移； R带max =210nm ；10-100,2 羧酸及其衍生物,（4）苯及其衍生物,苯：封闭的 *共轭体系,苯环上三个共轭双键的 *跃迁产生的特征吸收带； E1带180nm；max=60000 E2带204 nm; max=8000 B带255 nm; max=200,含取代基时， E2、B带 红移, 吸收强度增大.,苯环上助色基团对吸收带的影响,2) 跃迁的吸收带, ,1。下列化合物哪些不会产生紫外可见吸收？,A CH3-NO2 B CH3COCH3 C C6H18=CH2

16、 D CH3NH2,2。在紫外可见光度法中, 为什么常用水、醇、醚作溶剂？,3。下列化合物中，吸收带强度的大小次序为？,A 1,2- 丙二烯 B 1,3,5-己三烯 C 1,3-丁二烯,4。某化合物在乙醇中有max=240nm， =13000，该吸收带的跃迁类型是什么?,4. 立体结构和互变结构的影响,5. 溶剂的影响,(1) 对光谱精细结构的影响,极性溶剂使精细结构消失；,溶剂极性增大,n *跃迁：兰移； max max, *跃迁：红移； max max,(2) 对谱带位置和强度的影响,无溶剂效应,极性溶剂效应,n,n,*,*,(3) 溶剂选择原则,1. 尽量选用非极性或低极性溶剂,2. 溶

17、解被测物,3. 溶剂在样品的吸收光区内无明显吸收,金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子(水合离子)和配位体本身的颜色。金属配合物的生色机理主要有三种类型： 配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和一电子跃迁 摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。 金属离子微扰的配位体内电子跃迁 金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合，则变化非常明显。 电荷转移吸收光谱 在分光光度法中具有重要意义。,4-1-4 无机化合物的电子光谱,电荷转移吸收光谱,当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配

18、位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。 电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。 电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大(10 4左右)，适宜于微量金属的检出和测定。 电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。 例：Fe3与SCN形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应： Fe3 SCN h= Fe SCN 2,目 录,4-1 基本原理 4-2 紫外-

19、可见分光光度计 4-2-1 基本组成 4-2-2 分光光度计的类型 4-2-3 作为HPLC检测器 4-3 显色反应与光度测量条件的选择 4-4 定性分析与结构解析 4-5 定量分析,可见分光光度计,紫外-可见分光光度计,4-2-1 基本组成,光源,单色器,样品室,检测器,显示,1. 光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。,可见光区：白炽光源钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,2.单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。 入射

20、狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；,聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； 出射狭缝。,3. 样品室,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。 4. 检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，如：光电池、光电管、光电二极管或光电倍增管(目前常用)。,5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,4-2-2 分光光度计的类型,1.单光束 简单，价廉，适于在

21、给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长,将不同波长的两束单色光(1、2) 快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,1,2,4-2-3 作为HPLC检测器,参见HPLC有关章节,目 录,4-1 基本原理 4-2 紫外-可见分光光度计 4-3 显色反应与光度测量条件的选择 4-3-1 显色反应的选择 4-3-2 显色反应条件的选择 4-3-

22、3 共存离子干扰的消除 4-3-4 测定条件的选择 4-3-5 提高光度测定灵敏度和选择性的途径 4-4 定性分析与结构解析 4-5 定量分析,4-3-1 显色反应的选择,（1）配位显色反应 当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外可见吸收光谱。,1.显色反应和显色剂,2.显色反应类型,Fe3 SCN h= Fe SCN 2,（2）氧化还原显色反应,某些元素的氧化态，如Mn（）、Cr（）在紫外或可见光区能强烈吸收，可利用氧化还原反应对待测离子进行显色后测定。 例如：钢中微量锰的测定，Mn2不能直接进行光度测定 2 Mn2 5 S2O82-8 H2O =2 Mn

23、O4 - + 10 SO42- 16H+ 将Mn2 氧化成紫红色的MnO4 -后，在525 nm处进行测定。,3.选择显色反应时，应考虑的因素 灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定 波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差： “对比度”，要求 60nm。,4.显色剂,无机显色剂：硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。 有机显色剂：种类繁多 偶氮类显色剂：本身是有色物质，生成配合物后，颜色发生明显变化；具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大等优点，应用最广泛。偶氮胂、PAR等。 三苯甲烷类：铬天青S、二甲酚橙等,4-3-2 显色反应条件的选择,1.显色剂用量 吸光度A与显色剂

24、用量CR的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。,2.反应体系的酸度 在相同实验条件下，分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。 3.显色时间与温度 实验确定 4.溶剂 一般尽量采用水相测定，,4-3-3 共存离子干扰的消除,1.加入掩蔽剂 选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分的测定。 例：测定Ti4，可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色)成为Fe(PO)23-(无色)，消除Fe3+的干扰；又如用铬天菁S光度法测定Al3+时，加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为Fe2

25、+，消除Fe3+的干扰。 2.选择适当的显色反应条件(pH,双波长） 3.分离干扰离子(萃取，沉淀，离子交换）,4-3-4 光度测量条件的选择,1.选择适当的入射光波长 一般应该选择max为入射光波长。 如果max处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。,Fe3与SCN形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：Fe3 SCN h= Fe SCN 2,2.选择合适的参比溶液,为什么需要使用参比溶液？ 参比溶液用来调节仪器工作零点。通过选择适当的参比溶液，可消除某些干扰因素。 目的：测得的的吸光度真正反映待测物的浓度。 参比溶液的选择一般遵循以

26、下原则： 当试液、显色剂和条件试剂（如pH缓冲溶液、掩蔽剂等）均无色时，用纯溶剂（水)作参比溶液；,（2）若显色剂、条件试剂无色，而试液中其它共存离子有色，则用不加显色剂和条件试剂的试液作参比溶液，可消除共存离子的颜色干扰。 （3） 若显色剂、条件试剂均有色，可取一份试液加入掩蔽剂，将被测组分掩蔽起来，再加入显色剂、条件试剂，以此混合液作参比溶液，可消除条件试剂、过量显色剂的颜色干扰。,3.控制适宜的吸光度（读数范围）,对于一个给定的分光光度计，透光率读数误差T 为常数，约0.010.002。但是，测定结果的精度用c/c 表示。 lgT=bc 浓度测量值的相对误差（c/c）不仅与仪器的透光度误

27、差T 有关，而且与其透光度读数T 的值也有关。 是否存在一个T的最佳读数范围，使得c/c最小？,最佳读数范围与最佳值,设：T =1%，则可绘出溶液浓度相对误差c/c与其透光度T 的关系曲线。如图所示： 当：T 在20%65%之间时，浓度相对误差最小，最佳读数范围。,可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为： Tmin36.8%, Amin0.4343,用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T %=2065% ， 吸光度 A =0.700.20，测量的相对误差1%。,怎样控制吸光度读数在0.20.7范围内？,1. 计算并控制试样的称取量。,2. 改变吸收池的厚度。,3. 选择合适的参比溶液。,目

28、录,4-1 基本原理 4-2 紫外-可见分光光度计 4-3 显色反应与光度测量条件的选择 4-4 定性分析与结构解析 4-4-1 定性方法 4-4-2 有机化合物结构解析 4-5 定量分析,max max：化合物特性参数，可作为定性依据； max ， max都相同，可能是同一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra ,Ultraviolet,吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目、,4-4-1 定性方法,结构鉴定的辅助工具,4-4-2 有机化合物结构辅助解析,可获得的结构信息 （1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物

29、，单烯。 （2） 270-350 nm有吸收峰（=10-100）醛酮 n* 跃迁产生的R 带。 （3） 250-300 nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细结构的B带）。 （4） 200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm ，R带310-330 nm 260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。,目 录,4-1 基本原理 4-2 紫外-可见分光光度计 4-3 显色与测量条件的选择 4-4 定性分析 4-5 定量分析4-5-1 普通分光

30、光度法 4-5-2 示差分光光度法 4-5-3 双波长分光光度法,4-5-1 普通分光光度法,1.单组分的测定 通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。 2.多组分的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。 若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。 A1= a1bca b1bcb A2= a2bca b2bcb,依据：A =b c,4-5-2 示差分光光度法（示差法）,普通分光光度法一般只适于测定微量组分，当待测组分含量较高时，将产生较大的误差。需采用示差法。即提高入射光强度，并采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。 设：待测溶液浓度为cx，标准溶液浓度为cs(cs cx)。则： Ax= b cx As = b cs x s =b(cx cs ）=bc 测得的吸光度相当于普通法中待测溶液与