紫外-可见分光光度法课件

'第3章紫外-可见分光光度法(Ultraviolet-visibleSpectrophotometry,UV-Vis)1 电磁辐射与光谱分析法物质与光的作用可看成是光子对能量的授受，即hν=E1-E0,该原理广泛应用于光谱解析。电磁辐射与物质的作用本质是物质吸收光能后发生跃迁。跃迁是指物质吸收光能后自身能量的改变。因这种改变是量子化的，故称为跃迁。不同波长的光,能量不同，跃迁形式也不同，因此有不同的光谱分析法。2 紫外-可见吸收光谱法是基于分子内价电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法紫外-可见光区一般用波长（nm）表示。研究对象：在200-380nm的近紫外光区380-780nm的可见光区紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。如医院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。3 紫外可见光谱区域4 第1节Lambert-Beer定律第2节基本原理第3节显色反应及其显色条件的选择第4节紫外可见分光光度计第5节分析方法第6节应用与实例5 物质对光的选择性吸收M(基态)+hν→ M*(激发态)单色光：单一波长的光。复色光：由不同波长组成的光。互补光：按适当的强度比例可混合成白光的两种单色光。红光和青光互补、黄光和蓝光互补。高锰酸钾水溶液吸收了白光中的绿色光而透过紫色光一、物质的吸收光谱第1节Lambert-Beer定律6 当一束入射光的光强照射到吸光物质上后，光强度由I0减弱为I，则若用一连续的电磁辐射照射样品分子，将照射前后的光强度变化转变为电信号并记录下来，就可得到光强度变化对波长的关系曲线，即为吸收光谱。1、吸光度A：溶液对不同波长的单色光的吸收程度。7 λ-A曲线2、吸收光谱（吸收曲线）:以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标作图，得到的吸收曲线。8 （1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax（2）不同物质的吸收曲线形状和λmax不同。（3）吸收曲线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，可作为物质定量分析的依据。（5）在λmax是定量分析中选择入射光波长的重要依据。吸收曲线的讨论9 10 不同浓度时三(邻二氮菲)合铁(II)配离子的吸收光谱示意图11 I0＝Ia+ItT＝It/I0I0ItbIaIrLambert定律，A=k1bBeer定律，A=k2c朗伯－比尔定律：A＝kbcA=εbcε：摩尔吸光系数，单位为L·mol-1·cm-1。二、Lambert-Beer定律当一束平行单色光通过均匀溶液时，溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比图4.1412 Lamber-Beer定律的适用条件入射光为单色平行光。均一的稀溶液、气体等，无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射该定律适用于固体、液体和气体样品在同一波长下，各组分吸光度具有加和性应用：多组分测定13 比尔定律在有化学因素影响时不成立。　解离、缔合、生成络合物或溶剂化等会对比尔定律产生偏离。　比尔定律在有仪器因素影响时也不成立。　非单色光对比尔定律产生偏离。　杂散光(非吸收光)也会对比尔定律产生影响。　其他影响因素包括溶剂、光效应等也应考虑。14 三、吸光系数1、吸光系数的物理意义：单位浓度、单位厚度的吸光度15 （1）物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）ε与吸收物质本身的性质有关，与浓度无关；（3）可作为定性鉴定的参数；（4）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。（5）ε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。ε>105：超高灵敏；ε=(6～10）×104：高灵敏；ε<2×104：不灵敏。（6）ε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。摩尔吸光系数ε的讨论16 2、吸光系数两种表示法：1）摩尔吸光系数ε：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度2）百分吸光系数在一定λ下，C=1g/100ml，L=1cm时的吸光度3）两者关系17 如：分光光度法测定铜时用二乙胺二硫化甲酸钠(铜试剂)，波长为436nm，ε为12800而用双硫腙测定铜时，波长为495nm，ε为158000灵敏度后者较前者高得多。18 【例】某溶液中含Fe2+浓度为1.8×10-5mol·L-1，用邻二氮菲与其显色后，用分光光度法测定之，吸收池厚度为2.0cm，在波长508nm处测得A＝0.38，式计算摩尔吸光系数。19 四、偏离Beer定律的因素依据Beer定律，A与C关系应为经过原点的直线偏离Beer定律的主要因素表现为以下两个方面化学因素光学因素20 （一）化学因素Beer定律适用的另一个前提：稀溶液浓度过高会使C与A关系偏离定律21 1、非单色光的影响：Beer定律应用的重要前提—入射光为单色光照射物质的光经单色器分光后并非真正单色光，而是具有一定的谱带宽度因此通常用λmax为检测波长（二）光学因素22 2．杂散光的影响：杂散光来源：仪器本身缺陷；光学元件污染造成杂散光可使吸收光谱变形，吸光度变值3．反射光和散色光的影响：反射光和散色光均是入射光谱带宽度内的光直接对T产生影响散射和反射使T↓，A↑，吸收光谱变形注：一般可用空白对比校正消除4．非平行光的影响：使光程↑，A↑，吸收光谱变形23 （一）透光率的测量误差——ΔT影响测定结果的相对误差两个因素：T和ΔTΔT影响因素：仪器T的读数精度五、测量误差及测量条件的选择24 25 （二）测量条件的选择1）测量波长的选择：选A=0.2～0.72）吸光度读数范围的选择：26 注：采用空白对比消除因溶剂和容器的吸收、光的散射和界面反射等因素对透光率的干扰3）参比溶液(空白溶液)的选择：27 一、分子吸收光谱的产生能级：电子能级、振动能级、转动能级跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程第2节基本原理28 分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量大小顺序分子的吸收光谱是由成千上万条彼此靠得很紧的谱线组成，看起来是一条连续的吸收带。29 30 紫外-可见吸收光谱的产生由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生吸收能量=两个跃迁能级之差31 二、电子跃迁类型1.分子轨道分子中的（电子）能级即分子轨道分子轨道的形成：以双原子分子AB为例，原子A、B相互作用，形成分子AB中的两个轨道:成键轨道和反键轨道。32 图示33 34 2.分子轨道的种类：成键轨道、；反键轨道*、*非键轨道n35 从Li2到N2，σ1s<σ1s*<σ2s<σ2s*<π2py=π2pz<σ2px<π2py*=π2pz*<σ2px*36 试用MO法说明N2分子的结构。解：N原子的电子排布为ls22s22p3，因此N2分子的分子轨道排布式为N2[(σ1s)2(σ1s*)2(σ2s)2(σ2s*)2(π2py)2=(π2pz)2(σ2px)2]其中(σ2px)2构成一个σ键，(π2py)2和(π2pz)2各构成一个π键，形成共价叁键。键级为：(10-4)/2=3。37 成键轨道与反键轨道的能级：σ<π104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。46 ⑥配位场跃迁过渡金属与配位体配合时，在可见光区产生d-d和f-f跃迁。吸收系数max较小(<102)。47 dz2dx2-y2dxydxzdyzDo0.4Do0.6Do(dg)(de)EE=0Eh(dg)=0.6DoEl(de)=-0.4Dod～d跃迁：吸收了光后，d电子可从能量低的d轨道向能量高的d轨道跃迁，其能量差一般在120～360kJ·mo1-1它包括全部可见光范围。48 分裂能不同，产生d～d跃迁所需的能量就不同，被吸收的光的波长也不同，所以不同的配合物呈现出不同的颜色。如[Co(NH3)6]3+吸收蓝色光，呈现黄色；[Co(NH3)5C1]2+，吸收绿色光，显示紫红色。光的波长愈短，能量愈大。ⅠBⅡB族离子具有d10构型，是无色的。配合物的颜色49 图示50 1．生色团（发色团）：能吸收紫外-可见光的基团有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团具n电子和π电子的基团产生n→π*跃迁和π→π*跃迁跃迁E较低例：C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团各自产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强三、常用术语51 2．助色团：本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收峰加强，同时使吸收峰长移的基团连有杂原子的饱和基团例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X52 3．红移和蓝移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后，吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）；吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）53 4．增色（浓色）效应和减色（淡色）效应增色效应：吸收强度增强的效应减色效应：吸收强度减小的效应54 四、吸收带类型1．R带①由含杂原子的不饱和基团的n→π*跃迁产生②产生R带的化合物：C＝O；C＝N；—N＝N—；—NO2等③E小，吸收峰波长较长，λmax250-400nm④吸收强度小（εmax<100）⑤溶剂极性↑，λmax↓→R带蓝移（短移）55 2．K带（取自德文：konjuierte共轭谱带）①由共轭体系的π→π*跃迁产生②产生K带的化合物：共轭结构(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—等③波长范围：λmax>200nm，（210～250nm）④吸收强度强：εmax>104⑤共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑⑥溶剂极性↑，→红移56 3．B带：苯的多重吸收带①芳香族化合物的主要特征吸收带②由苯环骨架振动与环内π→π*跃迁重叠引起③波长范围在230～270nm之间；εmax=220，为弱带④吸收光谱有精细结构，在极性溶剂中消失（振转跃迁消除），因此常用来测量仪器的波长精度⑤可识别芳香族化合物57 58 4．E带：自德文：ethylenicband，乙烯型谱带）①由苯环环形共轭系统的π→π*跃迁产生②也是芳香族化合物的特征吸收带③E1180nmεmax>104（强带，但常观察不到）E2200nmεmax=7000中强吸收④苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并一起红移（长移）⑤苯环上有助色团（—Cl,-OH等）取代时，E2带产生红移（λmax>210nm）59 苯的紫外吸收光谱（异辛烷）60 snpn跃迁类型吸收带特征λnmεmaxσ→σ*远紫外区远紫外区测定<150n→σ*端吸收紫外区短波长端至远紫外区的强吸收200π→π*E1芳香环的双键吸收180>200K(E2)共轭多烯、-C=C-C=O-等的吸收>200>10,000B（杂）芳香族化合物的吸收。有精细结构230-270>100n→π*R含CO，NO2等n电子基团吸收250-500<10061 62 图示63 5.电荷转移吸收带电子从体系的某一部分迁移到另一部分形成的吸收带6.配位体场吸收带过渡金属水合离子或过渡金属离子与显色剂形成的配合物，吸收适当波长的可见光或紫外光，从而获得相应的吸收带表12-1一些化合物的电子结构、跃迁和吸收带64 （一）空间位阻的影响五、影响紫外光谱的因素共轭体系中，生色团共平面，才能有效的共轭。若发色团之间或发色团与助色团之间太拥挤，会相互排斥于同一平面之外，共轭程度降低。65 λmax(nm)247237231227（肩峰）εmax17000102505600随着邻位取代基的增多，空间位阻造成连接两个苯环的单键扭转，使两个苯环不在同一平面，不能有效地共轭，吸收峰蓝移。λmax蓝移，εmax减小66 α-及α"-位有取代基的二苯乙烯化合物的紫外光谱RR"λmaxεmaxHH29427600HCH327221000CH3CH3243.512300CH3C2H524012000C2H5C2H5237.51100067 与硝基苯相比，2,4,6-三丁基硝基苯在255nm附近的吸收峰已经消失；偶氮苯反式异构体的摩尔吸光系数则远远大于顺式，且吸收峰位红移。68 （二）跨环效应非共轭基团之间的相互作用，分子中两个非共轭发色团处于一定的空间位置，尤其是环状体系中，有利于生色团电子轨道间的相互作用。λmax(nm):205214220230λmax(nm):197εmax:2100214870200εmax：760069 （三）溶剂效应：对λmax影响：n-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓蓝移π-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↑红移对吸收光谱精细结构影响溶剂极性↑，苯环精细结构消失溶剂的选择—极性or非极性溶剂；纯度高；截止波长<λmax70 71 （1）n→π*跃迁所产生的吸收峰随溶剂极性的增加而向短波长方向移动。因为具有孤对电子对的分子能与极性溶剂发生氢键缔合，其作用强度以极性较强的基态大于极性较弱的激发态，致使基态能级的能量下降较大，而激发态能级的能量下降较小（如图a），故两个能级间的能量差值增加。实现n→π*跃迁需要的能量也相应增加，故使吸收峰向短波长方向位移。72 73 （2）π→π*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加而向长波长方向移动。因为在多数π→π*跃迁中，激发态的极性要强于基态，极性大的π*轨道与溶剂作用强，能量下降较大，而π轨道极性小，与极性溶剂作用较弱，故能量降低较小，致使π及π*间能量差值变小（如图b）。因此，π→π*跃迁在极性溶剂中的跃迁能△Ep小于在非极性溶剂中的跃迁能△En。所以在极性溶剂中，π→π*跃迁产生的吸收峰向长波长方向移动。74 图示75 苯酚的B吸收带图谱1在己烷中测定2在乙醇中测定76 （四）pH值的影响：测定酸碱或两性物质时，溶剂的pH值对光谱的影响较大。B带λmax270287280254max145026001479160E2带λmax211236230203max620094008600750077 （a）苯酚的UV光谱图（b）苯胺的UV光谱图78'