分析化學(xué)課件：8紫外可見光譜

1、第九章 紫外-可見分光光度法 紫外-可見分光光度法 紫外-可見光度計(jì) UV-Vis分子吸收光譜的應(yīng)用 UV-Vis方法是分子光譜方法，它利用分子對(duì)外來輻射的吸收特性。 UV-Vis涉及分子外層電子的能級(jí)躍遷；光譜區(qū)在160780nm. UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光譜(UV)為四大波譜之一，是鑒定 許多化合物，尤其是有機(jī)化合物的重要定性工具之一。 能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)色。-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮 幾種有機(jī)化合物的分子吸收光譜圖。最大吸收峰峰谷肩峰一、紫外-可見吸收光譜1、分子吸收光譜的形成1）. 過程：運(yùn)動(dòng)的分子外層電子-吸收外

2、來外來輻射-產(chǎn)生電子能級(jí)躍遷-分子吸收譜。2）. 能級(jí)組成：除了電子能級(jí)(Electron energy level)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，即同時(shí)將發(fā)生振動(dòng)(Vibration)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)(Rotation)能級(jí)的躍遷！據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振-轉(zhuǎn)躍遷也是量子化的或者說將產(chǎn)生非連續(xù)譜。因此，分子的能量變化E為各種形式能量變化的總和：其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最小：0.05 eV 可見，電子能級(jí)間隔比振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間隔大12個(gè)數(shù)量級(jí)，在發(fā)生電子能級(jí)躍遷時(shí)，伴有振-轉(zhuǎn)能級(jí)的躍遷，形成所謂的帶狀光譜。 1. 可能的躍遷類型 有機(jī)分子包

3、括:成鍵軌道 、 ；反鍵軌道 *、*非鍵軌道 n CHHOoooo=o=n2、有機(jī)化合物的吸收光譜各軌道能級(jí)高低順序： n*；可能的躍遷類型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*-*：C-H共價(jià)鍵，如CH4（125nm）；C-C鍵，如C2H6(135nm)，處于 真空紫外區(qū)；-* 和-*躍遷：盡管所需能量比上述-*躍遷能量小，但波長(zhǎng)仍處于 真空紫外區(qū)；n-*：含有孤對(duì)電子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl (173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm) CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm

4、)，可見，大多數(shù)波長(zhǎng)仍小于 200nm，處于近紫外區(qū)。 以上四種躍遷都與成鍵和反鍵軌道有關(guān)（-*，-*，-*和n-*），躍遷能量較高，這些躍遷所產(chǎn)生的吸收譜多位于真空紫外區(qū)，因而在此不加討論。 只有-*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長(zhǎng)出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對(duì)光的吸收強(qiáng)烈，是我們研究的重點(diǎn)。 3、無機(jī)物分子能級(jí)躍遷一些無機(jī)物也產(chǎn)生紫外-可見吸收光譜，其躍遷類型包括 p-d 躍遷或稱電荷轉(zhuǎn)移躍遷以及 d-d, f-f 躍遷或稱配場(chǎng)躍遷。1）. 電荷轉(zhuǎn)移躍遷 (Charge transfer transition) 一些同時(shí)具有電子予體(配位體)和受體(金屬離子)的無機(jī)分子，在吸收外來輻射

5、時(shí)，電子從予體躍遷至受體所產(chǎn)生的光譜。max 較大 (104以上)，可用于定量分析。2）. 配場(chǎng)躍遷(Ligand field transition) 過渡元素的 d 或 f 軌道為簡(jiǎn)并軌道(Degeneration orbit)，當(dāng)與配位體配合時(shí)，軌道簡(jiǎn)并解除，d 或 f 軌道發(fā)生能級(jí)分裂，如果軌道未充滿，則低能量軌道上的電子吸收外來能量時(shí)，將會(huì)躍遷到高能量的 d 或 f 軌道，從而產(chǎn)生吸收光譜。 吸收系數(shù) max 較小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物結(jié)構(gòu)及其鍵合理論。4、常用術(shù)語生色團(tuán)： 分子中含有非鍵或鍵的電子體系，能吸收外來輻射時(shí)并引起n-* 和-*躍遷，可產(chǎn)生此類躍遷

6、或吸收的結(jié)構(gòu)單元，稱為生色團(tuán)。助色團(tuán) ： 含有孤對(duì)電子，可使生色團(tuán)吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)并提高吸收強(qiáng)度的一些官能團(tuán)，稱之為助色團(tuán)。紅移或藍(lán)移： 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。那么促使分子發(fā)生紅移或藍(lán)移的因素有哪些呢？K帶：共軛體系的-*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶。B帶：芳香族化合物的-*躍遷所產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶E帶：芳香族化合物的-*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶，芳香族特征吸收。1）共軛體系的存在-紅移 如CH2=CH2的-*躍遷，max=165200nm；而1,3-丁二烯，max=217nm2）溶劑效應(yīng)：紅移或藍(lán)移隨溶劑極性增加，吸收光譜變

7、得平滑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。由n-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，形成 H 鍵的能力增加，發(fā)生藍(lán)移；由-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，激發(fā)態(tài)比基態(tài)能量有更多的下降，發(fā)生紅移。 3）pH值：紅移或藍(lán)移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm兩個(gè)吸收帶；而在堿性溶液中，則分別紅移到235nm和 287nm（p- 共軛）.5、 影響紫外-可見吸收光譜一、光源 對(duì)光源基本要求：足夠光強(qiáng)、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化小。1. 鎢及碘鎢燈：3402500 nm，多用在可見光區(qū)；2. 氫燈和氘燈：160375nm，多用在紫外區(qū)。二、單色器(Mnochromator) 與原子吸收光度儀不

8、同，在UV-Vis光度計(jì)中，單色器通常置于吸收池的前面?。煞乐箯?qiáng)光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解）三、吸收池(Cell，Container)： 用于盛放樣品。可用石英或玻璃兩種材料制作，前者適于紫外區(qū)和可見光區(qū)；后者只適于可見光區(qū)。有些透明有機(jī)玻璃亦可用作吸收池。四、檢測(cè)器：硒光電池、PMT、PDA1、儀器類型：?jiǎn)喂馐?、雙光束、單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng) 1）. 單波長(zhǎng)分光光度計(jì) 單光束 雙光束（空間分隔） 雙光束（時(shí)間分隔）特點(diǎn)： 因光束幾乎同時(shí)通過樣品池和參比池，因此可消除光源不穩(wěn)產(chǎn)生的誤差。 二、 紫外-可見分光光度計(jì) 紫外-可見光度計(jì)儀器由光源、單色器、吸收池和檢測(cè)器四部分組成。切光器吸收池2）

9、. 雙波長(zhǎng)分光度計(jì)通過切光器使兩束不同波長(zhǎng)的光交替通過吸收池，測(cè)得吸光度差A(yù)。這表明，試樣溶液濃度與兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光光差成正比。特點(diǎn)：可測(cè)多組份試樣、混濁試樣、而且可作成導(dǎo)數(shù)光譜、不需參比液(消除了由于參比池的不同和制備空白溶液等產(chǎn)生的誤差)、克服了電源不穩(wěn)而產(chǎn)生的誤差，靈敏度高。 光源檢測(cè)器單色器單色器雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)示意圖3）多通道分光光度計(jì)4）光導(dǎo)纖維探頭式分光光度計(jì)三、 UV-Vis分光光度法的 應(yīng)用1、定性分析1）.比較法：制作試樣的吸收曲線并與標(biāo)準(zhǔn)紫外光譜對(duì)照；2）. 最大吸收波長(zhǎng)計(jì)算法（1）利用伍德沃德經(jīng)驗(yàn)規(guī)則求最大吸收波長(zhǎng)。 即共軛二、三、四烯以及共軛烯酮類化合物-*躍遷最大吸

10、收波長(zhǎng)估算。Woodward-Fieser規(guī)則Woodward-Fieser規(guī)則估算最大吸收波長(zhǎng)的幾個(gè)實(shí)例：四（2） Fieser-Kuhn 經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 四個(gè)以上共軛雙鍵（3） Scott經(jīng)驗(yàn)規(guī)則 芳香族羰基的衍生物2、結(jié)構(gòu)分析（1） 順反異構(gòu)體 一般順式max較?。?） 互變異構(gòu)體 不同溶劑中max不同（3） 結(jié)構(gòu)判別 結(jié)構(gòu)不同， max不同2）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比法： 該法是標(biāo)準(zhǔn)曲線法的簡(jiǎn)化，即只配制一個(gè)濃度為cs的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并測(cè)量其吸光度，求出吸收系數(shù)k，然后由Ax=kcx求出cx 該法只有在測(cè)定濃度范圍內(nèi)遵守L-B定律，且cx與cs大致相當(dāng)時(shí)，才可得到準(zhǔn)確結(jié)果。2）. 多組分定量方法：解聯(lián)立方程組（

11、吸光度具有加合性） 設(shè)試樣中有兩組份 X 和 Y，將其顯色后，分別繪制吸收曲線，會(huì)出現(xiàn)如圖所示的三種情況：圖a)：X,Y 組份最大吸收波長(zhǎng)不重迭，相互不干擾，可以按兩個(gè)單一組份處理。圖b)和c) ：X,Y 相互干擾，此時(shí)可通過解聯(lián)立方程組求得X和Y的濃度：其中，X,Y 組份在波長(zhǎng) 1 和 2 處的摩爾吸光系數(shù) 可由已知濃度的 X, Y 純?nèi)芤簻y(cè)得。解上述方程組可求得 cx 及 cy。 3、定量分析1）. 單組份定量方法：標(biāo)準(zhǔn)曲線法（略）3）、 導(dǎo)數(shù)光譜法1）定義：將吸光度信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)波長(zhǎng)的導(dǎo)數(shù)信號(hào)的方法。導(dǎo)數(shù)光譜是解決干 擾物質(zhì)與被子測(cè)物光譜重疊，消除膠體等散射影響和背景吸收，提 高光譜分辨率的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)。2）原理： 已知 ， 對(duì)波長(zhǎng)求一階導(dǎo)數(shù)，得控制儀器使I0在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)保持恒定，即dI0/d=0，則 可見，一階導(dǎo)數(shù)信號(hào)與濃度成正比。 同樣可得到二階、三階.n 階導(dǎo)數(shù)信號(hào)亦與濃度成正比。 隨導(dǎo)數(shù)階數(shù)的增加，峰形越來越尖銳，因而導(dǎo)數(shù)光譜法分辨率高（右圖）。 吸收峰數(shù)為：導(dǎo)數(shù)階數(shù)+1，即 n+110ppm苯的乙醇液1ppm苯的乙醇液純乙醇1ppm苯的乙醇溶液，一階導(dǎo)數(shù)光譜基本光譜1ppm苯的乙醇溶液，四階導(dǎo)數(shù)光譜選擇性及靈敏度均提高（苯的導(dǎo)數(shù)信號(hào)）3）導(dǎo)數(shù)峰高測(cè)量方法 測(cè)量方法有三，如下圖：正切法（基線法）