紫外-可見吸收光譜法基本原理-1ppt課件

1、第二章第二章 紫外可見吸收光譜法分析法紫外可見吸收光譜法分析法第一節(jié)第一節(jié) 根本原理根本原理一、概述一、概述二、紫外二、紫外可見吸收光譜可見吸收光譜 三、光的吸收定律三、光的吸收定律 光的根本性質(zhì)光的根本性質(zhì) 光是一種電磁波，具有波粒二象性。光是一種電磁波，具有波粒二象性。 單色光：?jiǎn)我徊ㄩL(zhǎng)的光單色光：?jiǎn)我徊ㄩL(zhǎng)的光( (由具有一樣能量的光子由具有一樣能量的光子組成組成) ) 白光：由各種單色光組成的復(fù)合光白光：由各種單色光組成的復(fù)合光一、概述一、概述白光紫綠紅橙藍(lán)青藍(lán)青黃光的互補(bǔ)表示圖光的互補(bǔ)表示圖白光白光表表2-1 2-1 物質(zhì)顏色和吸收光顏色之間的關(guān)物質(zhì)顏色和吸收光顏色之間的關(guān)系系 物質(zhì)顏

2、色物質(zhì)顏色吸吸 收收 光光顏色顏色波長(zhǎng)范圍波長(zhǎng)范圍/nm黃綠黃綠紫紫400-450黃黃藍(lán)藍(lán)450-480橙橙綠藍(lán)綠藍(lán)480-490紅紅藍(lán)綠藍(lán)綠490-500紫紅紫紅綠綠500-560紫紫黃綠黃綠560-580藍(lán)藍(lán)黃黃580-600綠藍(lán)綠藍(lán)橙橙600-650藍(lán)綠藍(lán)綠紅紅650-700 在光譜分析中，根據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的在光譜分析中，根據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法。分析方法稱為吸光光度法。1.1.定義定義 光譜分析法是指在光的作用下，經(jīng)過丈量物質(zhì)產(chǎn)光譜分析法是指在光的作用下，經(jīng)過丈量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來進(jìn)展分生的發(fā)射光、吸收光或

3、散射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來進(jìn)展分析的方法。析的方法。本章主要講授紫外本章主要講授紫外-可見吸光光度法?？梢娢夤舛确?。二、紫外二、紫外可見吸收光譜分析可見吸收光譜分析法法2.2.物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及其吸收曲線物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及其吸收曲線 E = E2 - E1 = h 量子化；選擇性吸收; 分子構(gòu)造的復(fù)雜性使其對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同； 用不同波長(zhǎng)的單色光照射，吸收曲線測(cè)吸光度與吸收波長(zhǎng)之間的關(guān)系。M + h M + h M M * *基態(tài)基態(tài) 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)E1 E1 E E E2 E2吸收曲線的討論：吸收曲線的討論： 1同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的光的吸光度不同。吸光度最

4、大處對(duì)應(yīng)的的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)max2不同濃度的同一種物質(zhì)，其不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線外形類似，吸收曲線外形類似，max不變。而不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線外形對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線外形和和max那么不同。那么不同。 3吸收曲線可以提供物質(zhì)的構(gòu)造信息，并作為物質(zhì)定性分析的根據(jù)之一吸收曲線可以提供物質(zhì)的構(gòu)造信息，并作為物質(zhì)定性分析的根據(jù)之一.4不同濃度的同一種物質(zhì)，在每一波長(zhǎng)下吸光度不同濃度的同一種物質(zhì)，在每一波長(zhǎng)下吸光度 A 有差別，在有差別，在max處吸處吸光度光度A 的差別最大，所以測(cè)定最靈敏，此特性可作為物質(zhì)定量分

5、析的根據(jù)。的差別最大，所以測(cè)定最靈敏，此特性可作為物質(zhì)定量分析的根據(jù)。3.3.紫外紫外- -可見吸收光譜與電子躍遷的關(guān)系可見吸收光譜與電子躍遷的關(guān)系 物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)方式：物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)方式： 1 1電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng) 2 2原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng) 3 3分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng) 分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) 三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。 分子的內(nèi)能：電子能量分子的內(nèi)

6、能：電子能量Ee Ee 、振動(dòng)能量、振動(dòng)能量Ev Ev 、轉(zhuǎn)動(dòng)能量、轉(zhuǎn)動(dòng)能量ErEr 即即 E E Ee + Ev + Er Ee + Ev + Er evr evr 紫外紫外- -可見光譜屬于電可見光譜屬于電子躍遷光譜。子躍遷光譜。 電子能級(jí)間躍遷的同電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能時(shí)總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的假設(shè)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的假設(shè)干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。能級(jí)躍遷能級(jí)躍遷吸收光譜與電子躍遷吸收光譜與電子躍遷1 1紫外紫外可見吸收光譜可見吸收光譜 有機(jī)化合物的紫外有機(jī)

7、化合物的紫外- -可見吸收光譜，是其分子中可見吸收光譜，是其分子中外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果三種：外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果三種：電子、電子、電子電子、n n電子。電子。分子軌道實(shí)際：一個(gè)成鍵軌分子軌道實(shí)際：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上?；蚍擎I軌道上。 外層電子吸收紫外或可見光后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)外層電子吸收紫外或可見光后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)( (反反鍵軌道鍵軌道) )躍遷。主要有四種躍遷所需能量躍遷。主要有四種躍遷所需能量大小順序?yàn)椋捍笮№樞驗(yàn)椋簄 n n n 躍遷躍遷

8、 所需能量最大，電子只需吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才干發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出如今遠(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)。如甲烷的為125nm,乙烷max為nm。 n n 躍遷躍遷 所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150150250nm250nm，大部分，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易察看到。含非鍵電子的在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易察看到。含非鍵電子的飽和烴衍生物飽和烴衍生物( (含含N N、O O、S S和鹵素等雜原子和鹵素等雜原子) )均呈現(xiàn)均呈現(xiàn)n n * *躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n n * *躍躍遷的遷

9、的分別為分別為173nm173nm、183nm183nm和和227nm227nm。n n 200nm200nm。這類躍遷在躍遷選律。這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)普通為上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)普通為1010100Lmol-100Lmol-1cm-11cm-1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和鍵同時(shí)存鍵同時(shí)存在，同時(shí)發(fā)生在，同時(shí)發(fā)生n n 躍遷。丙酮躍遷。丙酮n n 躍遷的躍遷的為為275nm,max275nm,max為為22 Lmol-1 cm -122 Lmol-1 cm -1溶劑環(huán)己烷溶劑環(huán)己烷) )。生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)與助色團(tuán)生

10、色團(tuán)：生色團(tuán)： 最有用的紫外最有用的紫外- -可見光譜是由可見光譜是由和和nn躍遷產(chǎn)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)。這類含有類含有鍵等不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡(jiǎn)單的生色團(tuán)由雙鍵鍵等不飽和基團(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、偶氮基或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基-N-NN-N-、乙炔基、腈基、乙炔基、腈基-C-CN N等。等。助色團(tuán)：助色團(tuán)： 有一些含有有一些含有n n電子的基團(tuán)電子的基團(tuán)( (如如-OH-OH、-OR-OR、-NH-NH、-NHR-NHR、- -X X等

11、等) )，它們本身沒有生色功能，它們本身沒有生色功能( (不能吸收不能吸收200nm200nm的光的光) )，但，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n-n-共軛作用，加強(qiáng)生色共軛作用，加強(qiáng)生色團(tuán)的生色才干團(tuán)的生色才干( (吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向挪動(dòng)，且吸收強(qiáng)度添加吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向挪動(dòng)，且吸收強(qiáng)度添加) )，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。紅移和藍(lán)移紅移和藍(lán)移 有機(jī)化合物的吸收譜帶經(jīng)常因引入取代基或改動(dòng)溶劑使最大吸收波長(zhǎng)max和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化: max向長(zhǎng)波方向挪動(dòng)稱為紅移，向短波方向挪動(dòng)稱為藍(lán)移。 吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)增大或減小的景象分別稱為增色效應(yīng)

12、或減色效應(yīng)，如下圖。4. 定性和定量分析根據(jù)定性和定量分析根據(jù)1 1定性分析根據(jù)：定性分析根據(jù)： 可根據(jù)吸收光譜曲線的外形，即曲線上吸收峰的數(shù)可根據(jù)吸收光譜曲線的外形，即曲線上吸收峰的數(shù)目，峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)及峰的相對(duì)高度來進(jìn)展定性分析。目，峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)及峰的相對(duì)高度來進(jìn)展定性分析。2 2定量分析的根據(jù)：定量分析的根據(jù)： 根據(jù)某一特征峰的高度與物質(zhì)濃度成正比的關(guān)系來根據(jù)某一特征峰的高度與物質(zhì)濃度成正比的關(guān)系來進(jìn)展定量分析。進(jìn)展定量分析。 A Alg(I0/It)= b c lg(I0/It)= b c 三、光的吸收定三、光的吸收定律律 1.朗白-比爾定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambe

13、rt)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度與吸收層厚度的關(guān)系。A b 1852年比爾(Beer)又提出了光的吸收程度與吸收物濃度之間的關(guān)系。A c 二者的結(jié)合稱為朗伯二者的結(jié)合稱為朗伯- -比爾定律比爾定律 A =b c A =b c Alg(I0/It) b c 式中式中A：吸光度；描畫溶液對(duì)光的吸收程度；：吸光度；描畫溶液對(duì)光的吸收程度；A無單位無單位 b：液層厚度：液層厚度(光程長(zhǎng)度光程長(zhǎng)度)，通常以，通常以cm為單位；為單位； c：溶液的摩爾濃度，單位：溶液的摩爾濃度，單位 molL-1； ：摩爾吸光系數(shù)，單位：摩爾吸光系數(shù)，單位Lmol-1cm-1；在數(shù)值上等于濃度為；在數(shù)

14、值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度；時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度； 或或: Alg(I0/It) a b c A無單位無單位 c：溶液的濃度，單位：溶液的濃度，單位 gL-1 a：吸光系數(shù)，單位：吸光系數(shù)，單位 Lg-1cm-1，相當(dāng)于濃度為，相當(dāng)于濃度為1g/L、液層、液層厚度為厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。朗伯朗伯比爾定律數(shù)學(xué)表達(dá)比爾定律數(shù)學(xué)表達(dá)式式摩爾吸收系數(shù)摩爾吸收系數(shù)的討論的討論1 在數(shù)值上等于濃度為在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸

15、光度。某一波長(zhǎng)下的吸光度。2吸收物質(zhì)是在一定溫度、波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)。吸收物質(zhì)是在一定溫度、波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)。3不隨濃度不隨濃度c和光程長(zhǎng)度和光程長(zhǎng)度b的改動(dòng)而改動(dòng)。的改動(dòng)而改動(dòng)。僅與吸收物質(zhì)本身僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測(cè)物濃度無關(guān)；的性質(zhì)有關(guān)，與待測(cè)物濃度無關(guān)；4同一吸收物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的同一吸收物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的值是不同的。在最大吸收波值是不同的。在最大吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)max處的摩爾吸光系數(shù)，常以處的摩爾吸光系數(shù)，常以max表示。表示。max闡明了該吸收闡明了該吸收物質(zhì)最大限制的吸光才干，也反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)能夠到達(dá)物質(zhì)最大限制的吸光才干，也反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)能

16、夠到達(dá)的最大靈敏度。的最大靈敏度。 5 5maxmax越大闡明該物質(zhì)的吸光才干越強(qiáng)，用光度法測(cè)定該越大闡明該物質(zhì)的吸光才干越強(qiáng)，用光度法測(cè)定該物質(zhì)的靈敏度越高。物質(zhì)的靈敏度越高。 通常，在通常，在maxmax處：處： 105 105 超高靈敏的超高靈敏的方法方法 6 61010104 104 高靈敏的方法高靈敏的方法 2 26 6 104 104 中靈敏的方法中靈敏的方法 2 2 104 104 不靈敏的方法不靈敏的方法 6 6可作為定性鑒定的參數(shù)；可作為定性鑒定的參數(shù)；透過度透過度T: T: 描畫入射光透過描畫入射光透過溶液的程度溶液的程度: : T = It /I0 T = It /I0吸

17、光度吸光度A A與透光度與透光度T T的關(guān)系的關(guān)系: : A = -lgT A = -lgT 朗伯朗伯- -比爾定律是吸光光度法的實(shí)際根底和定量測(cè)定的根據(jù)。運(yùn)比爾定律是吸光光度法的實(shí)際根底和定量測(cè)定的根據(jù)。運(yùn)用于各種光度法的吸收丈量。用于各種光度法的吸收丈量。2.2.透光度透光度T T運(yùn)用舉例運(yùn)用舉例 某有色物質(zhì)溶液的濃度為某有色物質(zhì)溶液的濃度為4.54.510-3gL-1,10-3gL-1,在在530nm530nm波長(zhǎng)下用波長(zhǎng)下用2.0cm2.0cm的吸收池所測(cè)得的吸光度為的吸收池所測(cè)得的吸光度為0.3000.300，試計(jì)算試計(jì)算 a a吸收系數(shù)；吸收系數(shù)； b) b) 運(yùn)用運(yùn)用5cm5cm

18、的吸收池時(shí)溶液的百分透光度。的吸收池時(shí)溶液的百分透光度。 解：解：運(yùn)用舉例運(yùn)用舉例 某有色物質(zhì)溶液的濃度為某有色物質(zhì)溶液的濃度為4.54.510-3gL-1,10-3gL-1,在在530nm530nm波長(zhǎng)下用波長(zhǎng)下用2.0cm2.0cm的吸收池所測(cè)得的吸光度為的吸收池所測(cè)得的吸光度為0.3000.300，試計(jì)算試計(jì)算(a)(a)吸收系數(shù)；吸收系數(shù)；(b)(b)運(yùn)用運(yùn)用5cm5cm的吸收池時(shí)溶液的百的吸收池時(shí)溶液的百分透光度。分透光度。解：解：a aa=A/bc=0.300/2.0a=A/bc=0.300/2.04.54.510-3=33.3Lg-1cm-110-3=33.3Lg-1cm-1b

19、bT=10-abT=10-abc=10-Ac=10-A T%=10-ab T%=10-abc c100100=10-A=10-A100100=17.81=17.813. 3. 朗伯朗伯- -比爾定律偏離的緣由比爾定律偏離的緣由 規(guī)范曲線法測(cè)定未知溶液的濃度時(shí)，發(fā)現(xiàn)：規(guī)范曲線常發(fā)生彎曲(尤其當(dāng)溶液濃度較高時(shí))，這種景象稱為對(duì)朗伯-比爾定律的偏離。 引起這種偏離的要素兩大類：1物理性要素，2化學(xué)性要素。1 1物理性要素物理性要素朗白朗白- -比爾定律的前提條件之一是入射光為單色光。比爾定律的前提條件之一是入射光為單色光。難以獲得真正的純單色光。難以獲得真正的純單色光。 分光光度計(jì)只能獲得近似于單色

20、的狹窄光帶。復(fù)合光可導(dǎo)分光光度計(jì)只能獲得近似于單色的狹窄光帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對(duì)朗伯致對(duì)朗伯- -比爾定律的正或負(fù)偏離。比爾定律的正或負(fù)偏離。 非單色光、雜散光、非平行入射光都非單色光、雜散光、非平行入射光都會(huì)引起對(duì)朗白會(huì)引起對(duì)朗白- -比爾定律的偏離，最主要的比爾定律的偏離，最主要的是非單色光作為入射光引起的偏離。是非單色光作為入射光引起的偏離。 非單色光作為入射光引起的偏離非單色光作為入射光引起的偏離 假設(shè)由波長(zhǎng)為1和2的兩單色光組成的入射光經(jīng)過濃度為c的溶液，那么： A 1 lg(o1 /t1 1bc A 2 lg(o2 /t2 2bc故：式中：式中：o1、o2分別為分別為1、2 的入射光強(qiáng)

21、度；的入射光強(qiáng)度； t1、t2分別為分別為1、2 的透射光強(qiáng)度；的透射光強(qiáng)度； 1、2分別為分別為1、2的摩爾吸光系數(shù)；的摩爾吸光系數(shù)；因?qū)嵺`上只能測(cè)總吸光度因?qū)嵺`上只能測(cè)總吸光度A總，并不能分別測(cè)得總，并不能分別測(cè)得A1和和A2，故，故cbcbIIII 212111OtOt10;10 A總總 lg(Io總總/It總總 ) lg(Io1+Io2)/(It1+It2 lg(Io1+Io2)/(Io110 -1bc +Io210-2bc )令：令： 2 1 ； Io1 Io2 A總總 lg(2Io1)/It1(110- bc ) A1 + lg2 - lg(110- bc ) 討論如下討論如下:討論討論: : A A總總 =A1 + lg2 - lg(1 =A1 + lg2 - lg(110-10- bc ) bc ) (1) (1) = 0 = 0； 即：即： 1= 1= 2 = 2 = 那么：那么： A A總總 lglgo/o/t t bc bc(2) (2) 0 0 假設(shè)假設(shè) 0 0 ；即；即 2 20, bc0, lg(1 lg(110 -10 - bc ) bc )值隨值隨c c值增大而增大，那么規(guī)范曲線值增大而增大，那么規(guī)范曲線