儀器分析紫外分光光儀詳解演示文稿

儀器分析紫外分光光度儀詳解演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)優(yōu)選儀器分析紫外分光光度儀當(dāng)前第2頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)3.操作簡(jiǎn)便、迅速、儀器設(shè)備不太復(fù)雜

若采用靈敏度高、選擇性好的有機(jī)顯色劑，并加入適當(dāng)?shù)难诒蝿话悴唤?jīng)過(guò)分離即可直接進(jìn)行分光光度法測(cè)定、其方法的相對(duì)誤差通常為5～10％，其準(zhǔn)確度雖不及重量分析法和容量法，但對(duì)于微量組分的測(cè)定，結(jié)果還是滿意的。當(dāng)前第3頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.2.1顏色的產(chǎn)生4.2吸光光度法的基本原理當(dāng)前第4頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)

光的波長(zhǎng)λ(cm)、頻率γ(Hz)，它們與光速c的關(guān)系是：4.2.2光的基本性質(zhì)在真空介質(zhì)中，光速為2.9979×1010cm/s。單個(gè)光子的能量E與上述三要素的關(guān)系是：E－－光子的能量，J；h－－普朗克常數(shù)（6.625×10－34J·s）當(dāng)前第5頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.2.3溶液顏色與光吸收的關(guān)系

光波是一種電磁波。電磁波包括無(wú)線電波、微波、紅外光、可見光、紫外光、x射線等。如果按照其頻率或波長(zhǎng)的大小排列，可見光只是電磁波中一個(gè)很小的波段。見表12－1當(dāng)前第6頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)當(dāng)前第7頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)

有色物質(zhì)的不同顏色是由于吸收了不同波長(zhǎng)的光所致。溶液能選擇性地吸收某些波長(zhǎng)的光，而讓其他波長(zhǎng)的光透過(guò)，這時(shí)溶液呈現(xiàn)出透過(guò)光的顏色。透過(guò)光的顏色是溶液吸收光的互補(bǔ)色。有色溶液對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收情況，常用光吸收曲線來(lái)描述。將不同波長(zhǎng)的單色光依次通過(guò)一定的有色溶液，分別測(cè)出對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收程度（用字母A表示）。以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光程度為縱坐標(biāo)作圖，所得的曲線稱為吸收曲線或吸收光譜曲線。當(dāng)前第8頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)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。當(dāng)前第9頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.3光吸收基本定律

當(dāng)一束平行的單色光照射均勻的有色溶液時(shí)，光的一部分被吸收，一部分透過(guò)溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的強(qiáng)度為I0，吸收光的強(qiáng)度為Ia，透過(guò)光的強(qiáng)度為It，反射光的強(qiáng)度為Ir，則:

I0＝Ia＋I(xiàn)t＋I(xiàn)r

在吸光光度法中，由于采用同樣質(zhì)料的比色皿進(jìn)行測(cè)量，反射光的強(qiáng)度基本上相同，其影響可以相互抵消，上式可簡(jiǎn)化為:

I0＝Ia＋I(xiàn)t

當(dāng)前第10頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)透過(guò)光的強(qiáng)度It與入射光的強(qiáng)度Io之比稱為透光度或透光率，用T表示。

T＝It/Io一束單色光通過(guò)溶液后，由于溶液吸收了一部分光能，光的強(qiáng)度就要減弱。若溶液的濃度不變，液層越厚，透過(guò)光的強(qiáng)度越小，光線減弱的程度越大。如果將液層分成許多無(wú)限小的相等的薄層，其厚度為db。則dI應(yīng)與db及I成正比，即－dI∝Idb，從而，－dI/I=k1db，積分此式，得：1.朗伯定律當(dāng)前第11頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)將上式變成常用對(duì)數(shù)，得上式稱為朗伯定律。如用A=lg(I0/It)或lg(1/T),則A稱為吸光度。當(dāng)前第12頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)例1.有一單色光通過(guò)厚度為1cm的有色溶液,其強(qiáng)度減弱20%。若通過(guò)5cm厚度的相同溶液,其強(qiáng)度減弱百分之幾?解：lgT1

c1

─────=───,lgT25c1

lgT2=5lgT1=5×lg0.80=-0.485

T2=32.7%,即減弱67.3%當(dāng)前第13頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)

當(dāng)一束單色光通過(guò)液層厚度一定的溶液時(shí)，溶液的濃度愈大，光線強(qiáng)度減弱愈顯著。若有色溶液的濃度增加dc，入射光通過(guò)溶液后，強(qiáng)度的減弱-dI與人射光強(qiáng)度I及dc成正比，即

-dI=k3Idc，或-dI/I=k3dc，積分，可得到:通常稱比耳定律。2.比耳定律當(dāng)前第14頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)例2.一符合比爾定律的有色溶液，當(dāng)濃度為c時(shí)，透射比為T，若其它條件不變，濃度為c/3時(shí)，T為_________，濃度為2c時(shí)，T為__________。解:

T1/3

T2

這說(shuō)明濃度與透射比T

的是指數(shù)關(guān)系。當(dāng)前第15頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)3．朗伯一比耳定律如果溶液濃度和液層厚度都是可變的，就要同時(shí)考慮溶液濃度c和液層厚度b對(duì)吸光度的影響。為此，將朗伯和比耳公式和合并，得到即通常所稱的朗伯一比耳定律。當(dāng)前第16頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4．吸光系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)

在朗伯-比耳公式，k值決定于c，b所用的單位，它與入射光的波長(zhǎng)及溶液的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)濃度c以g·L-1、液層厚度b以cm表示時(shí)，常數(shù)k是以a表示，此時(shí)稱為吸光系數(shù)，單位為L(zhǎng)·g-1·cm-1。朗伯－比耳公式可表示為:

A＝abc

若b以cm為單位，c以mol·L-1為單位時(shí)，則將k稱為摩爾吸光系數(shù)，以符號(hào)ε表示，其單位為L(zhǎng)·mol-1cm-1。ε的物理意義表達(dá)了當(dāng)吸光物質(zhì)的濃度為1mol·L-1，液層厚度為1cm時(shí)溶液的吸光度。在這種條件下上式可改寫為:A=εbc當(dāng)前第17頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)

摩爾吸光系數(shù)是有色化合物的重要特性。ε愈大，表示該物質(zhì)對(duì)某波長(zhǎng)的光吸收能力愈強(qiáng)，因而光度測(cè)定的靈敏度就越高。ε的值，不能直接取1mol/L這樣高濃度的有色溶液來(lái)測(cè)量，而只能通過(guò)計(jì)算求得。由于溶液中吸光物質(zhì)的濃度常因離解、聚合等因素而改變。因此，計(jì)算ε時(shí)，必須知道溶液中吸光物質(zhì)的真正濃度。但通常在實(shí)際工作中，多以被測(cè)物質(zhì)的總濃度計(jì)算，這樣計(jì)算出的ε值稱為表觀摩爾吸光系數(shù)。文獻(xiàn)中所報(bào)道的ε值就是表觀摩爾吸光系數(shù)值。當(dāng)前第18頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.4光度分析的方法和儀器4.4.1光度分析的方法1.目視比色法 用眼睛觀察、比較溶液顏色深度以確定物質(zhì)含量的方法稱為目視比色法。將一系列不同量的標(biāo)準(zhǔn)溶液依次加入各比色管中，再分別加入等量的顯色劑和其他試劑，并控制其他實(shí)驗(yàn)條件相同，最后稀釋至同樣體積，配成一套顏色逐漸加深的標(biāo)準(zhǔn)色階。將一定量的被測(cè)溶液置于另一比色管中，在同樣條件下進(jìn)行顯色，并稀釋至同樣體積，從管口垂直向下（有時(shí)由側(cè)面）觀察顏色。如果被測(cè)溶液與標(biāo)準(zhǔn)系列中某溶液的顏色相同，則被測(cè)溶液的濃度就等于該標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度。如果被測(cè)試液濃度介于相鄰兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液之間，則試液的濃度就介于這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度之間。當(dāng)前第19頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)2．標(biāo)準(zhǔn)曲線法

根據(jù)朗伯－比耳定律，保持液層厚度，入射光波長(zhǎng)和其它測(cè)量條件不變，則在一定濃度范圍內(nèi)，所測(cè)得吸光度與溶液中待測(cè)物質(zhì)的濃度成正比。因此，配制一系列已知的具有不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別在選定波長(zhǎng)處測(cè)其吸光度A，然后以標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度c為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度A為縱坐標(biāo)，繪制出A－c關(guān)系曲線。如果符合光的吸收定律，則可獲得一條直線，稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線或稱工作曲線。在相同條件下測(cè)量樣品溶液的吸光度，就可以從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查出樣品的濃度。Ac標(biāo)準(zhǔn)工作曲線當(dāng)前第20頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)3.加入標(biāo)準(zhǔn)法所謂的加入標(biāo)準(zhǔn)法，即在一定濃度的試樣溶液測(cè)定吸光度A0后，加入合適濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，再測(cè)吸光度A1，或再加幾次標(biāo)準(zhǔn)溶液，得A2,A3…吸光度，計(jì)算或作圖外推求試樣濃度的方法。即：A0=kC樣；A1=k(C樣＋C標(biāo)）混合設(shè)試樣體積為V0;加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液體積為V標(biāo)，則：A1=k(C樣V0+C標(biāo)V標(biāo))/(V0+V標(biāo)），聯(lián)解方程可求出C樣?；蛴肁對(duì)C標(biāo)作圖，外推求出C樣。當(dāng)前第21頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.二元混合組分的測(cè)定

混合溶液里兩組分的測(cè)定有如圖12－5的三種情況：

（a）若1和2兩組分的最大吸收峰互不重合，而且在1組分的最大吸收波長(zhǎng)λ1處，2組分沒(méi)有吸收；或在2組分的最大吸收波長(zhǎng)λ2處，1組分無(wú)吸收。這樣比較簡(jiǎn)單，按單組分測(cè)定方法測(cè)1和2兩組分即可。（b）若1和2組分在混合溶液中的吸光光譜曲線如圖12－5(b)所示，則當(dāng)1和2混合在一起時(shí)，在1組分的最大吸收波長(zhǎng)處，2組分無(wú)吸收，所以只需在λ1處測(cè)定1組分。但在λ2處所測(cè)定吸光度是1和2的總吸收，因此必須事先測(cè)得1組分在λ2的ε，先從λ1測(cè)出1組分，再?gòu)寞B加處得的和量中減去組分1。

當(dāng)前第22頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)

(c)這種情況比較復(fù)雜，要解一個(gè)一元二次方程。當(dāng)前第23頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)當(dāng)前第24頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.4.2分光光度計(jì)當(dāng)前第25頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)A原理當(dāng)前第26頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)當(dāng)前第27頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)光柵和棱鏡分光原理當(dāng)前第28頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)儀器光通路圖當(dāng)前第29頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)B.分光光度計(jì)的類型當(dāng)前第30頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)雙光束光度計(jì)動(dòng)畫示意當(dāng)前第31頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)雙波長(zhǎng)光度計(jì)光路示意圖當(dāng)前第32頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)有國(guó)產(chǎn)751型、XG-125型、英國(guó)SP500型和伯克曼DU-8型等。

單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)有國(guó)產(chǎn)710型、730型、740型、日立UV-340型等就屬于這種類型。

雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：是可以在有背景干憂或共存組分吸收干憂的情況下對(duì)某組分進(jìn)行定量測(cè)定。國(guó)產(chǎn)WFZ800-5型、島津UV-260型、UV-265型等。

當(dāng)前第33頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.5分光光度法的應(yīng)用2.5.1定性鑒定2.5.2定量測(cè)定微量成份

分光光度法被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，環(huán)境、醫(yī)藥、石油等測(cè)定無(wú)機(jī)、有機(jī)微量成份。由于操作簡(jiǎn)單，儀器廉價(jià)，一般說(shuō)是常用的首選方法。當(dāng)前第34頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.6紫外吸收光譜分析法4.6.1分子吸收光譜與電子躍遷

分子和原子一樣，也有它的特征分子能級(jí)。分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)可分為價(jià)電子運(yùn)動(dòng)，分子內(nèi)原子在平衡位置附近的振動(dòng)和分子繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此分子具有電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。分子的能量E等于下列三項(xiàng)之和：

E=Ee+Ev+Er

分子從外界吸收能量后，就能引起分子能級(jí)的躍遷，即從基態(tài)能級(jí)躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)。分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于兩個(gè)能級(jí)之差的能量：

ΔE=E2-E1=hυ=hc/λ

電子能級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)振動(dòng)能級(jí)當(dāng)前第35頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.6紫外吸收光譜分析法

波長(zhǎng)10～400nm為紫外光，10～200nm為遠(yuǎn)紫外光，200～400nm為近紫外光。4.6.1分子吸收光譜與電子躍遷

有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果（三種）σ電子、π電子、n電子。外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)閚→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

當(dāng)前第36頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)A.σ→σ*

躍遷主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。B.π→π*

躍遷吸收的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，孤立的躍遷一般在200nm左右

C.n→π*

躍遷一般在近紫外區(qū)（200－400nm），吸光強(qiáng)度較小。D.n→σ*

躍遷吸收波長(zhǎng)仍然在（150－250nm）范圍，因此在紫外區(qū)不易觀察到這類躍遷。當(dāng)前第37頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.6.2有機(jī)化合物紫外—可見光譜當(dāng)前第38頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)1.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(shuō)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)定紫外和可見吸收光譜的良好溶劑。當(dāng)前第39頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)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。當(dāng)前第40頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)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。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。當(dāng)前第41頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)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。當(dāng)前第42頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)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。當(dāng)芳環(huán)上的-CH基團(tuán)被氮原子取代后，則相應(yīng)的氮雜環(huán)化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光譜，與相應(yīng)的碳化合物極為相似，即吡啶與苯相似，喹啉與奈相似。此外，由于引入含有n電子的N原子的，這類雜環(huán)化合物還可能產(chǎn)生n*吸收帶。當(dāng)前第43頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)與紫外信息的關(guān)系（1）200-400nm無(wú)吸收峰。飽和化合物，單烯。（2）

270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮

n→π*躍遷產(chǎn)生的R帶。（3）

250-300nm有中等強(qiáng)度的吸收峰（ε=200-2000），芳環(huán)的特征吸收（具有精細(xì)解構(gòu)的B帶）。（4）

200-250nm有強(qiáng)吸收峰（ε104），表明含有一個(gè)共軛體系（K）帶。共軛二烯：K帶（230nm）；不飽和醛酮：K帶230nm，R帶310-330nm260nm,300nm,330nm有強(qiáng)吸收峰，3,4,5個(gè)雙鍵的共軛體系。當(dāng)前第44頁(yè)\共有49頁(yè)\編于星期四\18點(diǎn)4.6.3紫外吸收光譜中常用的術(shù)語(yǔ)生色團(tuán)：

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊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π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—N＝N—、乙炔基、腈