第11章紫外可见分光光度法-分析化学讲义课件.ppt
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- 11 紫外 可见 分光光度法 分析化学 讲义 课件
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1、第第11章章 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法Ultraviolet and Visible Spectrophotometry可见光的色散与互补可见光的色散与互补/nm颜色颜色互补光互补光400-450紫黄绿450-480蓝蓝黄黄480-490绿蓝绿蓝橙橙490-500蓝绿蓝绿红红500-560绿绿红紫红紫560-580黄绿黄绿紫紫580-610黄黄蓝蓝610-650橙橙绿蓝绿蓝650-760红红蓝绿蓝绿白光由一系列不同颜色(波长)白光由一系列不同颜色(波长)的光组成。的光组成。两种适当颜色(波长)的光按两种适当颜色(波长)的光按一定强度比例混合可获得白光。一定强度比例混合可获得白光。
2、物体的颜色是如何产生的?物体的颜色是如何产生的?物体所呈现出的是不同结构的物质对白光物体所呈现出的是不同结构的物质对白光选择性吸收选择性吸收后后透透过过(透明物体)或(透明物体)或反射反射(不透明物体)的(不透明物体)的互补光的颜色互补光的颜色。物质结构决定可吸收波长及能力物质结构决定可吸收波长及能力定性及结构分析基础定性及结构分析基础 物质含量决定颜色的深浅物质含量决定颜色的深浅定量基础定量基础基于物质对光的选择性吸收现象即可建立起相应的分析测基于物质对光的选择性吸收现象即可建立起相应的分析测定的方法:如定的方法:如UV-Vis光谱法、光谱法、IR等。等。紫外紫外-可见分光光度法(可见分光光
3、度法(UV-Vis)分子光谱分子光谱方法,利用的是分子对外来辐射的方法,利用的是分子对外来辐射的吸收吸收特性;特性;涉及涉及分子外层电子分子外层电子的能级跃迁;光谱区在的能级跃迁;光谱区在200800 nm;UV-Vis主要用于分子的主要用于分子的定量分析定量分析,亦可作为化合物(尤其,亦可作为化合物(尤其是有机化合物)定性鉴定的辅助手段(有机四大波谱之是有机化合物)定性鉴定的辅助手段(有机四大波谱之一);还可用来研究物质间相互作用(结合比、结合常数一);还可用来研究物质间相互作用(结合比、结合常数的测定等);是高效液相色谱法(的测定等);是高效液相色谱法(HPLC)的常规检测器)的常规检测器
4、(80%的有机化合物具有的有机化合物具有UV吸收)。吸收)。11-1 紫外紫外-可见吸收光谱概述(可见吸收光谱概述(1)UV-Vis光谱的形成光谱的形成(本章以透射光谱为主)(本章以透射光谱为主)运动分子的外层电子运动分子的外层电子吸收某波长的外来辐射吸收某波长的外来辐射产生电子产生电子能级跃迁能级跃迁外来辐射的强度减小外来辐射的强度减小分子吸收光谱。分子吸收光谱。t0IIlgA 记录记录吸光度吸光度A随波长变化的曲线随波长变化的曲线即得到相应紫外可见吸收光谱。即得到相应紫外可见吸收光谱。激发态分子不稳定,当其返回基态时能量如何释放?激发态分子不稳定,当其返回基态时能量如何释放?光源光源单色器
5、单色器样品分子样品分子检测器检测器读出装置读出装置0I tI 激发态分子激发态分子典型的典型的UV-Vis光谱图光谱图末端吸收末端吸收最强峰最强峰肩肩峰峰峰谷峰谷次强峰次强峰A max min nm 20011-1 紫外紫外-可见吸收光谱概述(可见吸收光谱概述(2)定量分析基础定量分析基础420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640A1.00.50 标准曲线标准曲线标准加入标准加入样样品品池池1c2c3c4cclckA 任意波长下,吸光度任意波长下,吸光度A与待测试样浓度与待测试样浓度c均存在均存在正比关系,应该如何选择正比关系,应该如何选择测
6、定波长?测定波长?1c2c3c4c11-1 紫外紫外-可见吸收光谱概述(可见吸收光谱概述(3)定性定性/结构分析基础结构分析基础Uv-Vis的吸收峰数目、位置及强度、谱带形状与物质分子内部结构密切相关,可的吸收峰数目、位置及强度、谱带形状与物质分子内部结构密切相关,可用物质的定性及结构分析。但用物质的定性及结构分析。但Uv-Vis谱图简单,特征性不强,多为辅助手段谱图简单,特征性不强,多为辅助手段UV-Vis光谱与官能团之间的关系光谱与官能团之间的关系(a)胆甾醇胆甾醇(b)异丫丙基丙酮异丫丙基丙酮UV-Vis所反映的是官能团的信息所反映的是官能团的信息11-2 基本原理基本原理11-2-1
7、带状光谱的成因带状光谱的成因(自学)(自学)11-2-2 有机化合物的紫外可见光谱有机化合物的紫外可见光谱11-2-3 无机化合物的紫外可见光谱无机化合物的紫外可见光谱(自学)(自学)11-2-4 常用术语常用术语11-2-5 影响紫外可见光谱的因素影响紫外可见光谱的因素11-2-1 带状光谱的成因(带状光谱的成因(1)UV-Vis分子光谱呈现出较宽的谱线轮廓?分子光谱呈现出较宽的谱线轮廓?E/hcv/c 分子内部存在三种量子化能级:电子能级分子内部存在三种量子化能级:电子能级Ee,振动能级,振动能级Ev,转动能级转动能级Er,其能量可表示为:,其能量可表示为:r,v,eEe,v,r分别为电子
8、能级、振动能级和转动能级的量子数,其数值分别为电子能级、振动能级和转动能级的量子数,其数值取取0(基态),(基态),1(第一激发态),(第一激发态),n(正整数)(正整数)11-2-1 带状光谱的成因(带状光谱的成因(2)分子内部各量子化间隔如下:分子内部各量子化间隔如下:Ee最大:最大:1-20 eV Ev次之:次之:0.05-1 eV Er最小:最小:0.05 eV外层电子处于基态的分子,其振动、转动能外层电子处于基态的分子,其振动、转动能级可能处于各种状态:级可能处于各种状态:外层电子处于第一激发态的分子,其振动、外层电子处于第一激发态的分子,其振动、转动能级亦可能处于各种状态:转动能级
9、亦可能处于各种状态:r,v,0E r,v,1E只要入射光的能量等于:只要入射光的能量等于:即可被分子吸收,并发生电子能级的跃迁。即可被分子吸收,并发生电子能级的跃迁。r,v,1E r,v,0E 11-2-1 带状光谱的成因(带状光谱的成因(3)rvEEEe 固定值固定值可变值可变值可见:可见:能够被分子吸收并引起外层电子跃迁的并不是单一波长的辐射,能够被分子吸收并引起外层电子跃迁的并不是单一波长的辐射,而是一系列能量差为而是一系列能量差为 Er的辐射,对应得将产生间隔很近(对应的辐射,对应得将产生间隔很近(对应UV区约区约0.2 nm)的一系列吸收谱线,其中心波长)的一系列吸收谱线,其中心波长
10、 max所对应的能量由所对应的能量由 Ee决定。决定。此外:此外:溶液中相邻分子间的碰撞导致分子各种溶液中相邻分子间的碰撞导致分子各种能级的细微变化,也会引起谱带的进一步加宽能级的细微变化,也会引起谱带的进一步加宽和汇合,从而使得分子光谱通常呈现为一定宽和汇合,从而使得分子光谱通常呈现为一定宽度的带状光谱。度的带状光谱。r,v,1E r,v,0E 11-2-2 有机化和物的有机化和物的UV-Vis光谱(光谱(2)有机化合物的有机化合物的UV-Vis光谱取决于分子结构及其价电子光谱取决于分子结构及其价电子的性质,其特征性可用的性质,其特征性可用 max和和 max表示。表示。价电子类型价电子类型
11、(以(以HCHO为例)为例)n成键轨道:成键轨道:、反键轨道:反键轨道:*、*非键轨道非键轨道:n11-2-2 有机化和物的有机化和物的UV-Vis光谱(光谱(2)各轨道能级高低顺序:各轨道能级高低顺序:n *n *n *非键轨道非键轨道成键轨道成键轨道反键轨道反键轨道 (nm)*n*禁阻跃迁且能量间隔较高(远紫外区),通常不考虑禁阻跃迁且能量间隔较高(远紫外区),通常不考虑 不含共轭体系的分子(不含共轭体系的分子(1)饱和碳氢化合物饱和碳氢化合物仅能发生能级差很大的仅能发生能级差很大的跃迁,吸收波长属远紫外区,如跃迁,吸收波长属远紫外区,如CH4和和CH3-CH3的的 max分别为分别为12
12、5和和135 nm。含饱和杂原子的化合物含饱和杂原子的化合物还能发生还能发生n跃迁,但能级差也较大,除溴化物、碘化物、跃迁,但能级差也较大,除溴化物、碘化物、胺、硫醚、硫醇、二硫化物(胺、硫醚、硫醇、二硫化物(R-S-S-R)在近紫外区有弱吸收)在近紫外区有弱吸收外,大部分该类化合物在近紫外区无明显吸收。外,大部分该类化合物在近紫外区无明显吸收。远紫外区属于真空紫外区,常规远紫外区属于真空紫外区,常规UV-Vis光度计无法测定(即使光度计无法测定(即使能测定无法提供可用信息),因此饱和有机化合物不能用能测定无法提供可用信息),因此饱和有机化合物不能用UV光光谱法进行分析,但常作为溶剂使用。谱法
13、进行分析,但常作为溶剂使用。不含共轭体系的分子(不含共轭体系的分子(2)含非共轭烯、炔基团的化合物含非共轭烯、炔基团的化合物含含 电子,可发生电子,可发生 *跃迁,能级差较跃迁,能级差较跃迁小,但也处跃迁小,但也处在远紫外区,如乙烯和乙炔的在远紫外区,如乙烯和乙炔的 max分别为分别为165和和173 nm,如无助,如无助色团作用,在近紫外区仍无吸收。色团作用,在近紫外区仍无吸收。含不饱和杂原子的化合物(含不饱和杂原子的化合物(C=O、C=N、N=N等等)这类化合物这类化合物4种跃迁均可发生,但仅种跃迁均可发生,但仅n*跃迁的吸收波长处在跃迁的吸收波长处在近紫外区。虽然强度较低(禁阻跃迁),但
14、在紫外鉴定中仍不近紫外区。虽然强度较低(禁阻跃迁),但在紫外鉴定中仍不容忽视。容忽视。n*跃迁通常被称为跃迁通常被称为R带。带。不含共轭体系的分子(不含共轭体系的分子(3)化合物化合物 max/nm 化合物化合物 max/nm CH3OH183150CH3COOH20441CH3Cl173200CH3CONH221460CH3Br204200CH3NNCH33395CH2=CH217514000CH3NO228022CH CH1736000CH3COCH328016 含共轭体系的分子含共轭体系的分子化合物化合物共轭双键数共轭双键数 max/nm()颜色颜色乙烯乙烯1185/10000无色无色丁
15、二烯丁二烯2217/21000无色无色1,3,5-己三烯己三烯3258/35000无色无色癸五烯癸五烯5335/118000淡黄淡黄二氢二氢-胡萝卜素胡萝卜素8415/21000橙黄橙黄番茄红素番茄红素11470/185000红红随着共轭体系的延长,随着共轭体系的延长,*跃迁的吸收带将明显向长波长移跃迁的吸收带将明显向长波长移动(通常称为动(通常称为K带),吸收强度也随之增强(带),吸收强度也随之增强(10000)共轭的醛、酮、酸、酯、腈、酰胺等化合物同上共轭的醛、酮、酸、酯、腈、酰胺等化合物同上芳香族化合物芳香族化合物E1带带E2带带B带带苯在异辛烷中苯在异辛烷中UV-Vis光谱光谱E1带带
16、E2带带B带带180 nm204 nm255 nm6.0 x1048.0 x1032.0 x102气态或非极性溶剂中,苯及气态或非极性溶剂中,苯及其同系物的其同系物的B带有许多精细结带有许多精细结构,这是由于振动跃迁在基态构,这是由于振动跃迁在基态电子跃迁上的叠加。可用于鉴电子跃迁上的叠加。可用于鉴别芳香族化合物。别芳香族化合物。芳杂环(呋喃、吡咯、噻吩、吡啶)等的芳杂环(呋喃、吡咯、噻吩、吡啶)等的UV-Vis与苯环有一定类似与苯环有一定类似11-2-3 无机化和物的无机化和物的UV-Vis光谱(光谱(1)电荷转移吸收光谱:电荷转移吸收光谱:分子同时具有电子给体部分和电子受分子同时具有电子给
17、体部分和电子受体,能强烈吸收外来的体,能强烈吸收外来的UV或或Vis光,使光,使电子从给体向受体电子从给体向受体相应轨道上跃迁。相应轨道上跃迁。OHFeOHFeSCNFeSCNFeLMLM2h32h3)1b()1n(hbn e(分子内氧化还原)(分子内氧化还原)hvDADA-D:e给予体给予体A:e接受体接受体e许多无机配合物能许多无机配合物能产生这种光谱。产生这种光谱。有机化合物或配合有机化合物或配合物亦可能产生该光谱物亦可能产生该光谱电荷转移吸收光谱的强度大(电荷转移吸收光谱的强度大(104)且谱带宽,适于定量分析。)且谱带宽,适于定量分析。11-2-3 无机化和物的无机化和物的UV-Vi
18、s光谱(光谱(2)配位体场跃迁(配位体场跃迁(dd*,ff*)无配位场无配位场配位场配位场八面体八面体配位场配位场四面体四面体面配位场面配位场正方形平正方形平能级差小(可见区);吸收弱:能级差小(可见区);吸收弱:100较少用于定量分析,但可用于配合物结构较少用于定量分析,但可用于配合物结构及键合理论方面的研究。及键合理论方面的研究。11-2-4 UV-Vis中常用术语(中常用术语(1)生色团生色团含含非键或非键或 键键电子,能吸收外来辐射引发电子,能吸收外来辐射引发n-*和和-*跃迁跃迁的结构单元的结构单元称为生色团(如:称为生色团(如:-C=C-、-C=N、-C=O等)等)助色团助色团含有
19、非键电子对含有非键电子对,可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度,可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团,称之为助色团。的一些官能团,称之为助色团。FCH3ClBrOHOCH3NH2NHCH3 N(CH3)2 NHC6H5O-CHOCHCHX XNR2SRORBrClmax9585503020助色原因:助色原因:n-共轭或超共轭(烷基,弱)共轭或超共轭(烷基,弱)11-2-4 UV-Vis中常用术语(中常用术语(2)增色增色减色减色红移红移紫移紫移蓝蓝/11-2-5 影响影响UV-Vis光谱的因素光谱的因素共轭效应(核心因素)共轭效应(核心因素)空间效应空间效应pH的影
20、响的影响溶剂的影响溶剂的影响共轭效应(共轭效应(1)1 2 1 2共轭效应(共轭效应(2)化合物化合物乙烯乙烯丁二烯丁二烯己三烯己三烯辛四烯辛四烯结构式结构式CH2=CH2 max185217258296 1.01042.11043.51045.2104 E E E E 4*5*6*3 2 1 3 2 1 4 5*6*7*8*3*4*2 1 1 2*共轭效应(共轭效应(3)En*n *290 nm *210 nmn*4 1n *321 nm *217 nm 2*3脂肪醛的脂肪醛的 *n *2-丁烯醛的丁烯醛的 2 *3 n *3COHR 3CHCHHCOCH 空间效应空间效应A-H;B-CH3
21、;C-CH2CH3;D-CH2CH2CH3;E-CH2CH2CH2CH3;F-2,4,6-三丁基三丁基NO2RpH的影响(的影响(1)苯胺苯胺 pKb=9.3介质介质KB水水230280酸酸203254苯酚苯酚 pKa=9.95介质介质KB水水210.5270碱碱235287 A200250300230280中性中性酸性酸性苯胺苯胺UV吸收光谱图吸收光谱图pH的影响(的影响(2)COHOHHOCOOCOOCOOOHH3sp2sp酸碱条件改变导致物质结构发生变化酸碱条件改变导致物质结构发生变化溶剂的影响(溶剂的影响(1)1.蒸气状态蒸气状态2.环己烷中环己烷中3.水中水中溶剂极性增大,溶质分子吸
22、收峰的振动精细结构逐渐消失溶剂极性增大,溶质分子吸收峰的振动精细结构逐渐消失nm/波长波长吸光度吸光度溶剂的影响(溶剂的影响(2)溶剂极性对溶剂极性对n*和和*跃迁能量的影响跃迁能量的影响无溶剂效应无溶剂效应极性溶剂效应极性溶剂效应 n能能 量量 n溶剂极性对异丙叉丙酮跃迁谱带的影响溶剂极性对异丙叉丙酮跃迁谱带的影响跃迁类型跃迁类型正己烷正己烷氯仿氯仿甲醇甲醇水水n*329 nm315 nm309 nm305 nm蓝移蓝移*230 nm238 nm237 nm243 nm红移红移CHCCCH3CH3H3CO如何估算氢键的强度?如何估算氢键的强度?UV-Vis光谱法中溶剂的选择光谱法中溶剂的选择
23、基本要求基本要求对溶剂有很好的溶解性;对溶剂有很好的溶解性;自身稳定,对溶自身稳定,对溶 质惰性;质惰性;在样品的吸收光谱区无明显吸收;在样品的吸收光谱区无明显吸收;低极性(定性分析低极性(定性分析)溶剂溶剂 截止截止/nm溶剂溶剂 截止截止/nm溶剂溶剂 截止截止/nmCHCl3245乙醚乙醚210苯苯280环己烷环己烷210己烷己烷210CCl4265正丁醇正丁醇210庚烷庚烷210DMF270二氯甲烷二氯甲烷235甲醇甲醇215丙酮丙酮330二氧六环二氧六环235异辛烷异辛烷210吡啶吡啶303乙醇乙醇215水水210硝基甲烷硝基甲烷380常用溶剂的光学透明区常用溶剂的光学透明区11-3
24、 Lambert-Beer定律(定律(1)透射比和吸光度透射比和吸光度 透射比透射比T(透光度、透过率)(透光度、透过率)吸光度吸光度A(光密度(光密度D or O.D.,消光度,消光度E)A与与T的关系的关系0tI/IT (0 T%100)t0I/IlgA (0 A)TlgA A10T 11-3 Lambert-Beer定律(定律(2)前提:入射光为单色光前提:入射光为单色光 Lambert定律(定律(1760):吸光物质浓度不变):吸光物质浓度不变 Beer定律(定律(1852年):光程不变年):光程不变L-B定律定律lk Ack Aclk Ak、k、k:比例系数,与溶液性质、入射光波长比
25、例系数,与溶液性质、入射光波长及温度有关及温度有关l:光程光程c:吸光物质浓度吸光物质浓度11-3 Lambert-Beer定律(定律(3)比例系数比例系数k的几种表达方式的几种表达方式 摩尔吸光系数摩尔吸光系数 吸光系数吸光系数a 比吸光系数比吸光系数 A:无量纲;:无量纲;l:cmc:molL-1;:Lmol-1cm-1 clA claA c:gL-1;a:Lg-1cm-1%1cm1E c:%;:100 cm-1 clEA%1cm1%1cm1E摩尔吸光系数摩尔吸光系数 数值上等于吸光物质浓度为数值上等于吸光物质浓度为1 mol L-1,光程为,光程为1 cm时的吸光度时的吸光度(测定该值需
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