紫外-可见分光光度法的基本原理课件.ppt
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1、紫外紫外- -可见分光光度法可见分光光度法UV-vis紫外紫外-可见光区(可见光区(200-800nm)分子吸收光谱的分析方法。)分子吸收光谱的分析方法。一、紫外一、紫外- -可见分光光度法的基本原理可见分光光度法的基本原理二、紫外二、紫外- -可见分光光度计可见分光光度计三、紫外三、紫外- -可见分光光度分析方法可见分光光度分析方法提要:提要:紫外紫外- -可见分光光度法的基本原理可见分光光度法的基本原理光学分析法光谱分析法非光谱分析法原子光谱分子光谱原子吸收光谱原子发射光谱原子荧光光谱X射线荧光光谱紫外可见光谱法红外光谱法分子荧光光谱法分子磷光光谱法核磁共振波谱法折射法圆二色性法X射线衍射
2、法干涉法旋光法紫外紫外- -可见分光光度法的基本原理可见分光光度法的基本原理紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法 根据溶液中物质的分子或离子对紫外根据溶液中物质的分子或离子对紫外光谱区或可见光谱区辐射能的吸收以研光谱区或可见光谱区辐射能的吸收以研究物质组成和结构的方法。究物质组成和结构的方法。2 2、可见吸收光谱法分类:、可见吸收光谱法分类: 比色法比色法、分光光度法分光光度法 3 3、物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收(1)(1)当一束光照射到某物质或其溶液时,组成该物质的分当一束光照射到某物质或其溶液时,组成该物质的分子、原子或离子与光子发生子、原子或离子与光子发生“碰撞碰撞”,光子
3、的能量就,光子的能量就转移到分子、原子上,使这些粒子由最低能态(基态)转移到分子、原子上,使这些粒子由最低能态(基态)跃迁到较高能态(激发态):跃迁到较高能态(激发态): M + h MM + h M* * 这个作用叫物质对光的吸收。这个作用叫物质对光的吸收。 (2)(2)分子、原子或离子具有不连续的分子、原子或离子具有不连续的量子化能级,仅当照射光光子的能量子化能级,仅当照射光光子的能量(量(hh)与被照射物质粒子的基)与被照射物质粒子的基态和激发态能量之差相当或为其整态和激发态能量之差相当或为其整数倍时才能发生吸收。不同的物质数倍时才能发生吸收。不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量微粒
4、由于结构不同而具有不同的量子化能级,其能量差也不相同。所子化能级,其能量差也不相同。所以物质对光的吸收具有选择性。以物质对光的吸收具有选择性。基态能级激发态能级E0E2E1(3)吸收曲线(吸收光谱)吸收曲线(吸收光谱) 吸光度吸光度(A)-波长波长()曲线称曲线称-。 光吸收程度最大处的波长叫光吸收程度最大处的波长叫 最大吸收波长,用最大吸收波长,用max表示。表示。 高锰酸钾的高锰酸钾的max=525nm。 浓度不同时,光吸收曲线形状不同,最大吸收波长不变,浓度不同时,光吸收曲线形状不同,最大吸收波长不变,只是相应的吸光度大小不同。只是相应的吸光度大小不同。可见吸收光谱法的特点可见吸收光谱法
5、的特点 (1 1)灵敏度高:常用于测定试样中)灵敏度高:常用于测定试样中1%-101%-10-3-3 % %的微量组分,的微量组分,甚至可测定低至甚至可测定低至1010-4 -4 %-10%-10-5 -5 % %的痕量组分。的痕量组分。 (2 2)准确度较高:相对误差为)准确度较高:相对误差为2%-10%2%-10%。如采用精密分光光。如采用精密分光光度计测量,相对误差可减少至度计测量,相对误差可减少至1%-2%1%-2%。 (3 3)应用广泛:几乎所有的无机离子和许多有机化合物都)应用广泛:几乎所有的无机离子和许多有机化合物都可直接或间接地用此法测定。可直接或间接地用此法测定。 (4 4)
6、操作简便快速,仪器设备也不复杂)操作简便快速,仪器设备也不复杂 吸收光谱法的特点吸收光谱法的特点(1)紫外光谱可以用于有机化合物的定性分析,通过测定物质的最大吸收波长和吸光系数,或者将未知化合物的紫外吸收光谱与标准谱图对照,可以确定化合物的存在 (2)可以用来推断有机化合物的结构,例如确定1,2-二苯乙烯的顺反异构体 (3)进行化合物纯度的检查,例如可利用甲醇溶液吸收光谱中在256nm处是否存在苯的B吸收带来确定是否含有微量杂质苯 (4)进行有机化合物、配合物或部分无机化合物的定量测定,这是紫外吸收光谱的最重要的用途之一。 紫外紫外- -可见分光光度法的基本原理可见分光光度法的基本原理6、有机
7、化合物的吸收光谱、有机化合物的吸收光谱 UV-Vis光谱是光谱是分子中的分子中的价电子价电子在分子轨道之间的在分子轨道之间的跃迁而产生(包括振动和转动能级的跃迁)。有机化跃迁而产生(包括振动和转动能级的跃迁)。有机化合物中有几种性质不同的价电子,合物中有几种性质不同的价电子,有机化合物的有机化合物的UV-Vis光谱吸收光谱是三种电子跃迁的结果:光谱吸收光谱是三种电子跃迁的结果: 电子、电子、 电子、电子、n电子跃迁电子跃迁根据分子轨道理论,分子中的电子轨道有根据分子轨道理论,分子中的电子轨道有 n n、 和和 三种三种COHH n 当分子外层电子吸收紫外可见辐射后,处当分子外层电子吸收紫外可见
8、辐射后,处于低能级的价电子就会跃迁到较高能级。于低能级的价电子就会跃迁到较高能级。主要有四种跃迁,所需能量主要有四种跃迁,所需能量 E大小顺序为大小顺序为: n n 104Lmol-1cm-1,n具有共轭双键的化合物具有共轭双键的化合物 跃迁所需能量降低跃迁所需能量降低C=C C=C ; N=N ; C=O例例:乙烯乙烯*跃迁的跃迁的 max =165nm, =1x104 Lmol-1cm-1丁二烯的丁二烯的*跃迁的跃迁的 max =217nm, =2.1x104 Lmol-1cm-1n 有机化合物的紫外有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以可见吸收光谱分析多以 * 和和 n *这两类跃迁为基
9、础这两类跃迁为基础n * 比比 n * 跃迁几率大跃迁几率大100-1000 倍倍n *跃迁跃迁吸收强,吸收强, 104n n * 跃迁跃迁吸收弱,吸收弱, 5007、无机化合物的吸收光谱、无机化合物的吸收光谱无机化合物的无机化合物的UV-Vis光谱吸收光谱主要有:光谱吸收光谱主要有: 电荷迁移跃迁及电荷迁移跃迁及配位场配位场跃迁跃迁配位场跃迁(配位场跃迁( d一一d、 f 一一f 跃迁跃迁) 在配体存在下过渡金属元素在配体存在下过渡金属元素5个能量相等的个能量相等的d 轨道和镧系、轨道和镧系、锕系锕系7个能量相等的的个能量相等的的 f 轨道裂分,吸收辐射后,低能态的轨道裂分,吸收辐射后,低能
10、态的d电子或电子或f电子可以跃迁到高能态的电子可以跃迁到高能态的d或或f轨道上去。轨道上去。n绝大多数过渡金属离子都具有未充满的绝大多数过渡金属离子都具有未充满的 d 轨道,按照晶体场轨道,按照晶体场理论,当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时,受配理论,当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时,受配体配位场的影响,原来能量相同的体配位场的影响,原来能量相同的 d轨道发生能级分裂,产轨道发生能级分裂,产生生 d-d 电子跃迁。电子跃迁。 必须在配体的配位场作用下才可能产生,必须在配体的配位场作用下才可能产生,所以称为配位场跃迁;所以称为配位场跃迁; n配体配位场越强,配体配位场越强,d 轨道
11、分裂能越大,吸收波长越短。轨道分裂能越大,吸收波长越短。n吸收系数吸收系数 max 较小较小 (102),很少用于定量分析;多用于研究很少用于定量分析;多用于研究配合物结构及其键合理论。配合物结构及其键合理论。无配场无配场八面体场八面体场四面体场四面体场平面四面形场平面四面形场d d 轨道电子云分轨道电子云分布及在配场下的布及在配场下的分裂示意图分裂示意图n例如:例如:H2O 配位场配位场 NH3 配位场配位场nCu 2+ 水合离子水合离子 794 nmnCu 2+ 氨合离子氨合离子 663 nm电荷迁移跃迁电荷迁移跃迁 辐射下,分子中原定域在金属辐射下,分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到
12、轨道上的电荷转移到配位体配位体L的轨道,或按相反方向转移,所产生的吸收光谱称的轨道,或按相反方向转移,所产生的吸收光谱称为为电荷迁移光谱电荷迁移光谱。Mn+Lb-M(n-1) +L(b+1) -hFe3+CNS-2+hFe2+CNS2+电子给予体电子给予体电子接受体电子接受体n 分子内氧化还原反应分子内氧化还原反应;不少过渡金属离子与含生色团反不少过渡金属离子与含生色团反应的试剂所生成的配合物可产生电荷迁移跃迁,应的试剂所生成的配合物可产生电荷迁移跃迁, Fe2+与邻与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。n max 较大较大 (104以上以上),可用于定量分析
13、。,可用于定量分析。朗白比耳定律朗白比耳定律: : A = A = lglg(I(I0 0/I/It t) = K b c ) = K b c 该公式的物理意义为:当一束该公式的物理意义为:当一束平行平行单色光单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质的通过单一均匀的、非散射的吸光物质的理想理想溶液溶液时,溶液的吸光度与溶液的浓度和液层时,溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。该定律适用于溶液,也厚度的乘积成正比。该定律适用于溶液,也适用于其他均匀非散射的吸光物质(气体、适用于其他均匀非散射的吸光物质(气体、固体),是固体),是各类各类 吸光光度法定量分析的依据。吸光光度法定量分析的依据
14、。 (1)溶液对光的形为及有关术语)溶液对光的形为及有关术语n当光束照射到物质上时当光束照射到物质上时,物质可以产生物质可以产生反射、散射、吸收、透射。如果被照反射、散射、吸收、透射。如果被照射的是均匀的溶液,那么光的散射可射的是均匀的溶液,那么光的散射可以忽略,所以对于溶液来说,对光的以忽略,所以对于溶液来说,对光的就是产生一部分被溶液吸收,一部分就是产生一部分被溶液吸收,一部分被界面反射,其余光则透过溶液。被界面反射,其余光则透过溶液。nI0=It+Ia+IrnIa-吸收光的强度吸收光的强度nIt-透射光的强度透射光的强度nIr-反射光的强度反射光的强度nIo-入射光的强度入射光的强度I0
15、IrIaIt 光通过溶液的情况(2)溶液对光的形为及有关术语)溶液对光的形为及有关术语当一束平行单色光照射溶液时,一部分光被溶液吸收,其余的光当一束平行单色光照射溶液时,一部分光被溶液吸收,其余的光透过溶液,我们把透射光强度与入射光强度的比值称为透光度或透光透过溶液,我们把透射光强度与入射光强度的比值称为透光度或透光率。用率。用“T”表示。则:表示。则: T= It /I0 透光度透光度T还常用百分透光率表示:还常用百分透光率表示: T%=T100% 溶液的透光度越大,表示它对光的吸收越小;反之,透光度越小,表溶液的透光度越大,表示它对光的吸收越小;反之,透光度越小,表示它对光的吸收越大。常用
16、吸光度来表示物质对光的吸收程度,其定示它对光的吸收越大。常用吸光度来表示物质对光的吸收程度,其定义为:义为: A= -gT=lg1/T=lg(I0/It) (3)Lambert定律 该定律是由该定律是由Lambert于于1760年提出的,他在研究物年提出的,他在研究物质对光的吸收时发现,如果溶液的浓度一定,质对光的吸收时发现,如果溶液的浓度一定, 则光的吸则光的吸收程度与液层的厚度成正比,这个关系称为收程度与液层的厚度成正比,这个关系称为Lambert定定律。律。 A=k1b k1(4)Beer定律定律 该定律是由该定律是由Beer于于1852年研究发现的,年研究发现的, Beer研究研究了各
17、种无机盐水溶液对红光的吸收,从而得出这样一个结了各种无机盐水溶液对红光的吸收,从而得出这样一个结论:当单色光通过液层厚度一定时,溶液的吸光度与溶液论:当单色光通过液层厚度一定时,溶液的吸光度与溶液的浓度成正比。表示为:的浓度成正比。表示为: A=k2c k2-比例常数;比例常数; c -溶液浓度。溶液浓度。 (5) Lamber-Beer Lamber-Beer定律定律 同时考虑溶液的浓度和液层厚度这两个因素,如果同时变化,那么都影同时考虑溶液的浓度和液层厚度这两个因素,如果同时变化,那么都影响物质对光的吸收,所以两个定律合并在一起,称为响物质对光的吸收,所以两个定律合并在一起,称为Lambe
18、r-Beer定律,定律,即表示为:即表示为:nA=abc a 是一个新的比例常数,称为吸光系数。液层厚度用是一个新的比例常数,称为吸光系数。液层厚度用“cm”表示,浓表示,浓度以度以“g/L”为单位。因为为单位。因为A是无因次量,则是无因次量,则的单位是的单位是“L/gcm”。通常。通常浓度以浓度以mol/l为单位,此时吸光系数称为摩尔吸光系数,用为单位,此时吸光系数称为摩尔吸光系数,用“”表示,单表示,单位为位为“L/molcm”,所以所以Lamber-Beer定律也可以表示为:定律也可以表示为: A=bc 物理意义:当束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶物理意义:当束平行单色光通
19、过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时,溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。这个定律是液时,溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。这个定律是各类吸光光度法定量分析的基础。各类吸光光度法定量分析的基础。(6 6)最重要的引起偏离比耳定律的因素)最重要的引起偏离比耳定律的因素: : ( (一)一) 由于非单色光引起的偏离由于非单色光引起的偏离 (二)(二) 由于溶液本身的化学和物理因素引起的偏离由于溶液本身的化学和物理因素引起的偏离 (三)比尔定律只适用于稀溶液,是一个有限定(三)比尔定律只适用于稀溶液,是一个有限定条件的定律。在浓度高于条件的定律。在浓度高于0.01mol/L0.
20、01mol/L时,吸收组分时,吸收组分间平均距离减小,电荷分布改变,间平均距离减小,电荷分布改变, 发生改变,吸发生改变,吸收给定波长的能力改变。收给定波长的能力改变。一、一、 主主 要要 部部 件件光源光源单色器单色器样品室样品室检测器检测器显示器显示器1. 光源光源在整个紫外光区和在整个紫外光区和/ /或可见光谱区可以发射连续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、较长光谱,具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命的使用寿命 可见光区:钨灯作可见光区:钨灯作为光源,其辐射波长范为光源,其辐射波长范围在围在3202500nm 紫外光区:氢、氘紫外光区:氢、氘灯
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