紫外-可見吸收光譜法.ppt

紫外-可見吸收光譜法,5.1 概述,根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。 紫外光的波長(zhǎng)10-400nm。分為遠(yuǎn)紫外（10-200nm），近紫外（200-400nm）。 可見光的波長(zhǎng)（400-750nm）。,特點(diǎn)： 1、靈敏度高 2、準(zhǔn)確度高 3、設(shè)備簡(jiǎn)單，費(fèi)用少，分析速度快。 4、應(yīng)用范圍廣。,一、分子吸收光譜的產(chǎn)生及其類型,M+hM* 分子的能量 分子電子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 每種能量是量子化的，分子能量的變化即： 分子電子 振動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng),能量,E0,E1,E2,e0,e3,e1,e2,e0,e4,e1,e3,e2,e4,e”2,e”1,e”0,e”3,e”4,IR,振動(dòng)能級(jí),分子的能級(jí)圖,2.E電子=120eV 紫外可見吸收光譜 E振動(dòng)=0.051eV 振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 E轉(zhuǎn)動(dòng)=0.0050.05eV 轉(zhuǎn)動(dòng)光譜 E電子E振動(dòng)E轉(zhuǎn)動(dòng),二、光譜吸收曲線,各種物質(zhì)都有特征的分子能級(jí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異決定了它們對(duì)光的吸收是具有選擇性的。 光譜吸收曲線將各種波長(zhǎng)的單色光依次通過一定濃度的某種物質(zhì)的溶液，測(cè)吸光度，然后作圖。,吸收曲線,吸收曲線,吸收曲線的討論：,1、同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)max。 不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似max不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和max則不同。,吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。 4、不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度 A 有差異，在max處吸光度A 的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。 5、在max處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。,5.2 朗伯-比爾定律,一、吸光度和透射比 設(shè)入射光的強(qiáng)度為I0，吸收光強(qiáng)度為Ia，透射光強(qiáng)度為It，反射光強(qiáng)度為Ir ，則 I0= Ia+ It+ Ir 在吸收光譜中，待測(cè)試液和參比試液的吸收池材質(zhì)和厚度相同，Ir基本不變，且小，其影響可以互相抵消。 I0= Ia+ It,透射比：T= It/ I0 吸光度的定義：A=lgI0/ It=-lgT,布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。Ab 1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A c,二、Lambert-Beer 定律 當(dāng)入射光波長(zhǎng)一定時(shí)，待測(cè)溶液的吸光度A與其濃度和液層厚度成正比，即 k 為比例系數(shù)，與溶液性質(zhì)、溫度和入射波長(zhǎng)有關(guān)。 當(dāng)濃度以 g/L 表示時(shí)，稱 k 為吸光系數(shù)，以 a 表示，即 當(dāng)濃度以mol/L表示時(shí)，稱 k 為摩爾吸光系數(shù)，以 表示，即 比 a 更常用。 越大，表示方法的靈敏度越高。 與波長(zhǎng)有關(guān)，因此， 常以表示。,摩爾吸光系數(shù)的討論 吸收物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)； 不隨濃度c和光程長(zhǎng)度b的改變而改變。在溫度和波長(zhǎng)等條件一定時(shí)，僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)； 可作為定性鑒定的參數(shù)； 同一吸收物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的值是不同的。在最大吸收波長(zhǎng)max處的摩爾吸光系數(shù)，常以max表示。max表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。,max越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測(cè)定該物質(zhì)的靈敏度越高。 105 ： 超高靈敏； =(6-10）104 ： 高靈敏； 2104 ： 不靈敏。 在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。,三、偏離朗伯比耳定律的原因,標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定未知溶液的濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)：標(biāo)準(zhǔn)曲線常發(fā)生彎曲（尤其當(dāng)溶液濃度較高時(shí)），這種現(xiàn)象稱為對(duì)朗伯比耳定律的偏離。 引起這種偏離的因素（兩大類）：一類是物理性因素，即儀器的非理想引起的；另一類是化學(xué)性因素。,四、有機(jī)化合物紫外-可見吸收光譜,一、電子躍遷類型 有機(jī)分子包括： 成鍵軌道，。 反鍵軌道*，*。 非鍵軌道n,各軌道的的能級(jí)順序 n * 分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。,n* * n* *,(一) *躍遷 所需能量最大，電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)(吸收波長(zhǎng) 200nm，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到)。如甲烷的max為125nm,乙烷max為135nm。,(二) n *躍遷 所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150-250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n*躍遷。,一些化合物的n *躍遷數(shù)據(jù),max:nm max:Lcm-1mol-1,(三) n*躍遷 需能量最低，最大吸收波長(zhǎng)200nm，這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)一般為10-100Lmol1 cm1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n* 躍遷。丙酮n*躍遷的max為275nm max為22 Lmol1 cm 1（溶劑環(huán)己烷)。,(四) *躍遷 所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，最大吸收波長(zhǎng)在200nm左右，摩爾吸光系數(shù)max一般在104Lmol1cm1以上，屬于強(qiáng)吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。,相關(guān)術(shù)語(yǔ),生色團(tuán)：（Chromogenesis group） 最有用的紫外可見光譜是由*和n*躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和基團(tuán)。這類含有鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡(jiǎn)單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基等。,助色團(tuán)： （Auxochromous group） 有一些含有n電子的基團(tuán)(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生*共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。,紅移或藍(lán)移（Redshift or blueshift）： 在分子中引入的一些基團(tuán)或受到其它外界因素影響，吸收峰向長(zhǎng)波方向（紅移）或短波方向移動(dòng)（藍(lán)移）的現(xiàn)象。,無溶劑效應(yīng),極性溶劑效應(yīng),能量,n,*,*,n,溶劑極性對(duì)n*和*躍遷能量的影響,二、有機(jī)化合物的紫外可見光譜 飽和烴及其取代衍生物 飽和烴類分子中只含有鍵，因此只能產(chǎn)生*躍遷，即電子從成鍵軌道（ ）躍遷到反鍵軌道（ *）。飽和烴的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可見分光光度計(jì)的測(cè)量范圍。,飽和烴的取代衍生物如鹵代烴，其鹵素原子上存在n電子，可產(chǎn)生n* 的躍遷。 n* 的能量低于*。 例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 躍遷分別出現(xiàn)在173、204和258nm處。這些數(shù)據(jù)不僅說明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相應(yīng)的吸收波長(zhǎng)發(fā)生了紅移，顯示了助色團(tuán)的助色作用。 直接用烷烴和鹵代烴的紫外吸收光譜分析這些化合物的實(shí)用價(jià)值不大。但是它們是測(cè)定紫外和（或）可見吸收光譜的良好溶劑。,2.不飽和烴及共軛烯烴 在不飽和烴類分子中，除含有鍵外，還含有鍵，它們可以產(chǎn)生*和*兩種躍遷。 *躍遷的能量小于 *躍遷。例如，在乙烯分子中， *躍遷最大吸收波長(zhǎng)為180nm 在不飽和烴類分子中，當(dāng)有兩個(gè)以上的雙鍵共軛時(shí)，隨著共軛系統(tǒng)的延長(zhǎng)， *躍遷的吸收帶 將明顯向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。在共軛體系中， *躍遷產(chǎn)生的吸收帶又稱為K帶。,例：估計(jì)下列化合物哪個(gè)吸收的光波最長(zhǎng)，哪個(gè)最短？為什么？,3.羰基化合物 羰基化合物含有C=O基團(tuán)。 C=O基團(tuán)主要可產(chǎn)生*、 n* 、n*三個(gè)吸收帶， n*吸收帶又稱R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮這類物質(zhì)與羧酸及羧酸的衍生物在結(jié)構(gòu)上的差異，因此它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。,醛、酮的n*吸收帶在270-300nm，強(qiáng)度低（max10-20Lcm-1mol-1)，譜帶略寬。 當(dāng)醛、酮的羰基與雙鍵共軛時(shí)，形成，-不飽和醛酮化合物。由于羰基與乙烯基產(chǎn)生-共軛，使* 、n*吸收帶分別移至220-260和310-330nm，前一吸收帶強(qiáng)（max104Lcm-1mol-1 max104Lcm-1mol-1) ，后一弱（max102Lcm-1mol-1) 。這一特征識(shí)別，-不飽和醛酮化合物。,例：化合物 CH3-C(CH3)=CH-CO-CH3(1) CH2=C(CH3)-CH2-CO-CH3(2)為異構(gòu)體 一個(gè)在235nm有最大吸收（max=14000Lcm-1mol-1)，另一個(gè)在220nm無高強(qiáng)吸收，鑒別各屬于哪種異構(gòu)體？,羧酸及羧酸的衍生物雖然也有n*吸收帶，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接連結(jié)含有未共用電子對(duì)的助色團(tuán)，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n共軛，導(dǎo)致*軌道的能級(jí)有所提高，但這種共軛作用并不能改變n軌道的能級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)n* 躍遷所需的能量變大，使n*吸收帶藍(lán)移至210nm左右。,4.苯及其衍生物 苯有三個(gè)吸收帶，它們都是由*躍遷引起的。E1帶出現(xiàn)在180nm（MAX = 60，000）； E2帶出現(xiàn)在204nm（ MAX = 8，000 ）；B帶出現(xiàn)在255nm （MAX = 200）。在氣態(tài)或非極性溶劑中，苯及其許多同系物的B譜帶有許多的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是由于振動(dòng)躍遷在基態(tài)電子上的躍遷上的疊加而引起的。在極性溶劑中，這些精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)苯環(huán)上有取代基時(shí)，苯的三個(gè)特征譜帶都會(huì)發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶。,5.稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物 稠環(huán)芳烴，如奈、蒽、芘等，均顯示苯的三個(gè)吸收帶，但是與苯本身相比較，這三個(gè)吸收帶均發(fā)生紅移，且強(qiáng)度增加。隨著苯環(huán)數(shù)目的增多，吸收波長(zhǎng)紅移越多，吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加。,定性分析（結(jié)構(gòu)及構(gòu)型） （一）標(biāo)準(zhǔn)譜圖法 （二）經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法（Woodward)規(guī)則 首先從母體特到一個(gè)最大吸收的基數(shù)，然后對(duì)連接在母體電子體系上的不同取代基以及其它結(jié)構(gòu)因素加以修正。,例(1):計(jì)算下列分子的最大吸收波長(zhǎng),母體是同環(huán)二烯(B)環(huán) 253nm 四個(gè)(a,b,c,d)取代烷基 4x5=20nm 兩個(gè)環(huán)外雙鍵 2x5=10nm 計(jì)算值 283nm 實(shí)驗(yàn)值282nm,例(2):計(jì)算下列分子的最大吸收波長(zhǎng),母體是異環(huán)二烯 214nm 三個(gè)(a,b,c)取代烷基 3x5=15nm 一個(gè)環(huán)外雙鍵 5nm 計(jì)算值 234nm 實(shí)測(cè)值 234nm,例(3):計(jì)算下列分子的最大吸收波長(zhǎng),母體是同環(huán)二烯(B)環(huán) 253nm 五個(gè)(a,b,c,d,e)取代烷基 25nm 三個(gè)環(huán)外雙鍵 15nm 增加兩個(gè)共軛雙鍵 2x30=60nm 理論值 353nm 實(shí)驗(yàn)值 355nm,例(4) 計(jì)算不飽和羰基化合物最大吸收波長(zhǎng),+1,+2,+2,母體環(huán)己酮 215nm 增加兩個(gè)共軛雙鍵 2x30=60nm 一個(gè)環(huán)外雙鍵 5nm 同環(huán)二烯 39nm 一個(gè)烷基 12nm 一個(gè)(+1)烷基 18nm 兩個(gè)(+2)烷基 2x18=36nm 計(jì)算值385nm 實(shí)測(cè)值388nm,例(5) 計(jì)算不飽和羰基化合物最大吸收波長(zhǎng) 母體 215nm 215nm 羰基上連OR基 -22nm 烷基 10nm 烷基 30nm 計(jì)算值 233nm 實(shí)測(cè)值 236nm,12-（1-環(huán)己烯基）-2 丙烯在硫酸脫水反應(yīng)的分子式是C9H14的共軛烯烴化合物，測(cè)得其紫外光譜max=242nm(=10100Lmol-1cm-1)。預(yù)計(jì)脫水過程如下： 推斷這個(gè)反應(yīng)機(jī)理是否正確，并討論反應(yīng)過程。 （修正值：無環(huán)二稀母體+217nm，烷基取代基+5nm，環(huán)外雙鍵+5nm）,構(gòu)型: 順式構(gòu)型的最大吸收波長(zhǎng)比反式異購(gòu)體要小。原因就是順式構(gòu)型的空間位阻大，不容易產(chǎn)生共軛。反max =295nm , 順max =280nm,五 紫外-可見分光光度計(jì),一、基本組成 紫外-可見分光光度計(jì)由輻射光源、分光器、吸收池、檢測(cè)器和記錄器組成。,752紫外光柵分光光度計(jì)示意圖,1.光源 光源的要求：能發(fā)射連續(xù)的具有足夠強(qiáng)和穩(wěn)定的輻射，使用壽命長(zhǎng)。 紫外可見的光源有白熾光源和紫外光源兩類。 白熾光源鎢燈、碘鎢燈。（320-2500nm） 紫外光源氫燈、氘燈。（160-365nm）,2 單色器： 將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出任一 波長(zhǎng)單色光的光學(xué)系統(tǒng)。 入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器； 準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束； 色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵；,聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫； 出射狹縫。,3 吸收池： 紫外光區(qū)用：石英 可見用：光學(xué)玻璃 要求：匹配，干燥，無污染。,4 檢測(cè)器 利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管,5. 結(jié)果顯示記錄系統(tǒng) 檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理。,二、紫外-可見分光光度計(jì)的類型 1.單光束：簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。 2.雙光束：自動(dòng)記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測(cè)器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價(jià)格較高。,3.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(1、2) 快速交替通過同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無需參比池。,定量分析 （一）單組分化合物的分析： 標(biāo)準(zhǔn)曲線法；一元線型回歸方程 適用范圍：溶液中一種組分，或者待測(cè)組分的吸收峰和其他共存組分不重疊。,標(biāo)準(zhǔn)曲線法： 1）繪制待測(cè)組分的吸收曲線。找出最大吸收波長(zhǎng)為測(cè)定波長(zhǎng)。 2）配制一系列的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以試劑空白溶液為參比，在選定的波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度。 3）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線（A為縱坐標(biāo)，濃度c為橫坐標(biāo)） 4）在相同條件下測(cè)定待測(cè)組分的吸光度。,A,Ax,c,cx,一元線型回歸方程： AX=KcX+B 配置一系列濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)其對(duì)應(yīng)的吸光度，利用計(jì)算機(jī)化學(xué)軟件求出其回歸方程。,（二）混合物中多組分的測(cè)定 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一試樣中測(cè)定多個(gè)組份。 兩個(gè)以上吸光組分混合后，根據(jù)吸收峰的干擾情況分為三種,具體做法：在X，Y的最大吸收波長(zhǎng)1，2分別測(cè)定其吸光度。然后通過聯(lián)立方程求解。 其中，X,Y 組份在波長(zhǎng) 1 和 2 處的