紫外可見光光譜分析法課件

1、四、紫外-可見光光譜分析紫外光：指波長為10400nm的光；10180nm的紫外光不能透過光學(xué)部件，因此不能用于光譜分析測(cè)試（真空紫外）。180400nm的紫外光盡管不能透過一般的玻璃，但能透過石英等光學(xué)部件，能夠用于光譜分析；由于它只能透過石英等光學(xué)部件，故稱石英紫外區(qū)可見光：波長為400750nm的光，人眼能感受； 利用有機(jī)物在石英紫外區(qū)和可見光區(qū)的特征吸收，檢測(cè)有機(jī)物分子的有關(guān)性質(zhì)及其含量的儀器分析方法，稱為紫外-可見光光譜分析法； 有機(jī)物在紫外-可見光區(qū)的吸收是有機(jī)物分子價(jià)電子躍遷產(chǎn)生的，所以，有機(jī)物分子的紫外-可見光光譜是分子光譜；-可以利用分子的吸收光譜的特征進(jìn)行定性分析；-可以利

2、用分子吸收光譜的強(qiáng)度進(jìn)行定量分析；(一) 分子吸收光譜分子能級(jí) 有機(jī)物分子在紫外-可見光范圍的吸收是由分子的能級(jí)躍遷產(chǎn)生的；分子的能級(jí)組成有：電子能級(jí)躍遷：20 1eV 紫外-可見光區(qū)振動(dòng)能級(jí)躍遷：0.051eV 中紅外區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷：0.0050.05 遠(yuǎn)紅外、微波 當(dāng)分子受到輻射的作用時(shí)，則發(fā)生相應(yīng)能量的能級(jí)躍遷 電子能級(jí)是分子能中最大的能級(jí)，分子在產(chǎn)生電子能級(jí)躍遷的過程中，同時(shí)也產(chǎn)生振動(dòng)能級(jí)的躍遷；振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)也產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷； 因此，分子光譜常常是三種能級(jí)變化的疊加，即：電子-振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜； 理論上說，分子光譜也應(yīng)該是線光譜，但能級(jí)種類多，數(shù)量多，加上分子間的相互作用，多普勒效

3、應(yīng)，壓力效應(yīng)等，光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)變寬，模糊甚至消失，只能在一定的范圍內(nèi)觀察到隨波長改變而變化的吸收曲線-帶狀光譜（譜帶）（二）化合物的紫外-可見光吸收光譜 1、電子躍遷 紫外-可見光的光子能量相當(dāng)于分子的電子能級(jí)差；所以，紫外-可見光譜是分子的外層電子或價(jià)電子躍遷后得到的光譜； 分子的外層電子或價(jià)電子的類型有：成鍵電子（ 、 ）非鍵電子（n）反鍵電子（*、 *）分子的外層電子軌道能量大小為： * * n 在紫外-可見光區(qū)，有機(jī)物分子發(fā)生躍遷的類型有： * 、* 、n* 、n* * ： 能量最大；對(duì)應(yīng)真空紫外區(qū)，一般發(fā)生在飽和烴中，基本無實(shí)用價(jià)值； 乙烷max=135nm； 甲烷max=125nm

4、 n*： 能量最??；對(duì)應(yīng)紫外-可見光區(qū)，但摩爾吸收系數(shù)小，譜帶弱，屬于禁阻躍遷。 羰基、硝基等簡單生色基團(tuán)n* 能量較高；對(duì)應(yīng)遠(yuǎn)紫外和近紫外區(qū)；不易觀察,且摩爾吸收小。 甲醇（max=183nm） 甲胺（max=nm213 ） 含孤對(duì)電子雜原子的飽和烴及衍生物。*： 能量較低，對(duì)應(yīng)近紫外區(qū)，其最大特點(diǎn)是摩爾吸收大（104L*mol-1*cm-1），能吸收形成強(qiáng)烈吸收帶 。 乙烯 max=162nm 苯max=204nm 在含有不飽和官能團(tuán)的分子中容易發(fā)生; * 躍遷是分析過程中最有用的躍遷，這類躍遷要求有機(jī)物分子中含有不飽和官能團(tuán)。2、生色團(tuán)與助色團(tuán) 有機(jī)物中含有鍵的基團(tuán)，對(duì)200nm以上的輻

5、射具有吸收性；而且隨著鍵數(shù)目的增加，溶劑的極性增強(qiáng)時(shí)發(fā)生紅移進(jìn)入可見光區(qū)，使物質(zhì)具有顏色，因而，稱含鍵的基團(tuán)為生色基團(tuán)(發(fā)色基團(tuán))，通常表現(xiàn)為n *和*躍遷。 如C=CC=O（羰），-N=N-（偶氮）， =C=S(硫羰)，生色團(tuán)化合物舉例溶劑max/nmmaxH2C=CH21931000HCCH1736000(CH3)2C=NOH1905000CH3COCH3正己烷30016615276CH3COOH水20440CH3CSCH3水400H2C=CH-CH=CH2正己烷21721000 常見生色基團(tuán)的紫外可見吸收峰 分子中本身不吸收輻射，而能使分子中生色基團(tuán)的吸收峰向長波長移動(dòng)并增強(qiáng)其強(qiáng)度的基團(tuán)

6、，如羥基、胺基和鹵素等。當(dāng)吸電子基(如-NO2)或給電子基(如-OH,-NH2等)連接到分子中的共軛體系時(shí)，都能導(dǎo)致共軛體系電子云的流動(dòng)性增大，分子中*躍遷的能級(jí)差減小，最大吸收波長移向長波（紅移），顏色加深（吸收系數(shù)增加）。這些基團(tuán)被稱為助色團(tuán)。 含n電子的、與乙烯max=162nm分子連接能增加發(fā)色基團(tuán)發(fā)色能力(紅移)： -OR（+30nm）， -NR2（+40nm）， -SR（+45nm）， -CI（+5nm）， -CH3（+5nm）3、有機(jī)化合物的特征吸收*飽和烴及其取代衍生物 飽和烴分子中只含有鍵，且無孤對(duì)電子，只能產(chǎn)生* 躍遷：max E * ， 所以*躍遷比較容易激發(fā)，最大吸收峰

7、波長比*躍遷受激發(fā)的吸收峰的波長大； max* max * 乙烷：max=135nm 乙烯：max=165nm、193nm；另外，分子中雙鏈數(shù)目增加（不共軛時(shí)，max不變， 增加），共軛系統(tǒng)延長，* 躍遷吸收峰明顯紅移，同時(shí)增加； 有伍德沃德-菲希規(guī)則估算；伍德沃德提出了計(jì)算共軛二烯、多烯烴、共軛烯酮類化合物 *躍遷最大吸收波長的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則：五個(gè)以上雙鏈共軛， max 進(jìn)入可見光區(qū)， 十二烷基六烯max =364nm（綠色）*羰基化合物 羰基可以產(chǎn)生：n * 、n * 、*三種形式的躍遷形成三個(gè)吸收帶：n* 吸收帶(B)：能量較高，紫外區(qū)不易觀察,小；n* 吸收帶(R，基團(tuán)吸收帶)：能量最小，很

8、小，譜帶很弱；*吸收帶(K，共軛帶)：能量較小，特點(diǎn)是 10000以上； 當(dāng)羰基與雙鏈共軛時(shí)，吸收峰發(fā)生紅移；*苯及其衍生物 苯：有三個(gè)吸收帶(芳香化合物的特征)，都是由*躍遷引起的： max=180nm附近（E1帶） max=60000 max=204nm附近（E2帶） max=8000 max=255nm附近（B 帶） max=200 在氣態(tài)或非極性溶劑中，苯及其同系物的吸收光譜曲線有許多精細(xì)結(jié)構(gòu)，但在極性溶劑中，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失；取代苯：當(dāng)苯環(huán)上有取代基的時(shí)候產(chǎn)生n*譜帶，苯的三個(gè)特征譜帶發(fā)生變化，特別是B帶（紅移） 另外，斯科特規(guī)則用來計(jì)算多元取代苯在乙醇中的max；*稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物

9、 萘、蒽、菲、芘等均顯示苯的三個(gè)吸收帶，但與苯比較， 增加，并有紅移；隨著苯環(huán)數(shù)目增加，紅移與最大吸收更明顯；當(dāng)芳環(huán)的 CH被N原子取代后（如吡啶、喹啉、吖啶等）的吸收光譜與相應(yīng)的碳環(huán)化合物相似，由于引入了N（含孤對(duì)電子），還會(huì)發(fā)生n* 躍遷譜帶；如吖啶在非極性溶液中的max=270nm*紫外吸收譜帶的分類-R吸收帶（基團(tuán)帶）：由n*產(chǎn)生的（雜原子與雙鍵共軛）收帶，能量較小，在長波長范圍，但譜帶較弱。-K吸收帶（共軛帶）：由*產(chǎn)生，是生色基團(tuán)共軛的特征吸收帶，特點(diǎn)是吸收強(qiáng)度大，并隨著共軛體系的增加，有紅移，以此判斷化合物的共軛結(jié)構(gòu)。-E吸收帶：由苯環(huán)*躍遷產(chǎn)生，是芳香族化合物的特征吸收帶，吸收

10、強(qiáng)度較大。當(dāng)生色基團(tuán)取代且與苯環(huán)共軛時(shí)，與E2帶合并，并紅移。-B吸收帶（苯帶）：有*躍遷和苯環(huán)振動(dòng)的重疊引起。4、溶劑紫外吸收光譜的影響 溶劑的極性對(duì)組分的最大吸收波長、吸收系數(shù)、吸收峰形狀產(chǎn)生影響，溶劑極性非極性改為極性溶劑，吸收光譜圖中，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。 溶劑極性增加，使*躍遷產(chǎn)生的吸收峰紅移；使n*產(chǎn)生的吸收峰紫移。（三）紫外-可見光分光光度計(jì) 1、主要組成：光源、分光系統(tǒng)、吸收池、檢測(cè)系統(tǒng)等。*光源：要求發(fā)射足夠強(qiáng)度、穩(wěn)定的的輻射；強(qiáng)度隨波長的變化??；使用壽命長等。 鎢燈-可見光范圍使用。350nm1000nm。 氘燈-紫外光區(qū)使用。150nm400nm。*分光系統(tǒng)：把光源發(fā)射的復(fù)合光

11、分離出分析用的特點(diǎn)波長的單色光。其核心部件為色散元件。 棱鏡-利用不同波長的光在某一介質(zhì)中的折射率不同而設(shè)計(jì)的色散元件。 光柵-利用光的衍射及干涉原理而設(shè)計(jì)的分光元件，分光效果好。*吸收池：吸收池的作用是用于盛裝被測(cè)樣品； 普通玻璃質(zhì)樣品池：價(jià)格低，但只能在可見光區(qū)使用； 石英質(zhì)樣品池：對(duì)180nm以上波長的紫外線、可見光和部分近紅外線具有良好的通透效果；可以在紫外-可見光區(qū)任意使用，但價(jià)格昂貴；樣品池的要求： （1）厚度高度精密； （2）材質(zhì)在使用的光譜范圍內(nèi)對(duì)光沒有吸收作用； （3）光學(xué)面與入射光軸垂直； （4）配套或配對(duì)使用；樣品池在使用中的注意事項(xiàng)： （1）樣品池在使用過程中，嚴(yán)禁手指

12、觸摸光學(xué)面； （2）樣品池使用后及時(shí)清洗，不能用硬質(zhì)材料洗刷和強(qiáng)腐蝕性清洗劑洗滌； （3）不能把不同批次的樣品池混用，高精度測(cè)定中要求樣品池配對(duì)使用；樣品池的配對(duì)： 用測(cè)試試劑和參比試劑測(cè)試，再交換樣品池測(cè)試使用，吸光度差小于0.005即可；單光束分光光度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)簡單，光源能量損失小，振動(dòng)小，信噪比高；缺點(diǎn)：如果測(cè)定樣品和參比樣品時(shí)，光源強(qiáng)度發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)誤差；雙光束分光光度計(jì) 優(yōu)點(diǎn)：可同時(shí)進(jìn)行樣品和參比樣品的測(cè)定，光源強(qiáng)度的變化對(duì)測(cè)定的影響可以消除； 缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，試樣與參比樣品的差異不能完全消除；雙波長分光光度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：儀器產(chǎn)生的雙波長光交替照射樣品，利用試樣中被測(cè)組分與其他共存

13、組分對(duì)不同波長的光的吸光度不同而進(jìn)行，不需要參比；消除背景吸收，簡化混合物組分同時(shí)測(cè)定過程；缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；參比溶液的選擇溶劑參比：共存組分少且對(duì)分析光幾乎沒有吸收時(shí)，選擇試樣的溶劑作為參比液；試樣參比：試樣的基體溶液有吸收，顯色劑不與基體顯色時(shí)，選擇試樣的基體溶液作為參比液；試劑參比：顯色劑有吸收，則這時(shí)選擇加顯色劑而不加試樣的溶液作為參比；平行操作參比：用不含被測(cè)定組分的試樣在相同的操作條件下進(jìn)行參比； (四) 紫外-可見光光度法的應(yīng)用 *定性分析的理論依據(jù)是化合物分子中的發(fā)色團(tuán)與助色團(tuán)具有特征吸收； *不同化合物分子中如果具有相同的發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)，往往具有相似的吸收特性（峰位

14、、峰數(shù)、峰形、峰強(qiáng)）； *紫外-可見光譜反映的是發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)的特性，而不是反映分子的特性； *由于有些有機(jī)物在紫外（近）光區(qū)不產(chǎn)生吸收，或產(chǎn)生較寬的吸收帶，因此對(duì)分子特性的測(cè)定遠(yuǎn)不如紅外吸收光譜靈敏； *紫外-可見光譜能提供發(fā)色基團(tuán)和助色基團(tuán)及其共軛程度的信息，所以對(duì)有機(jī)物結(jié)構(gòu)的推斷有重要的幫助； *具有電子和共軛雙鍵的化合物，在紫外光區(qū)具有強(qiáng)烈的吸收，因而，定量分析有很高的靈敏度和準(zhǔn)確度；1、化合物純度的測(cè)定 乙醇經(jīng)常含有痕量的苯，苯在256nm有特征吸收，乙醇在此波長無吸收；乙醇通常含有雜質(zhì)醛，乙醇在270290nm沒有吸收，乙醛在290nm有特征吸收-雜質(zhì)檢測(cè)。 化合物有吸收，而雜

15、質(zhì)沒有吸收-純度測(cè)定。2、未知物的定性測(cè)定 對(duì)未知物進(jìn)行定性測(cè)定時(shí)，通常在相同條件下，測(cè)得的試樣吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)比； -比較被測(cè)物與標(biāo)準(zhǔn)物的特征吸收譜帶； -比較被測(cè)定物與標(biāo)準(zhǔn)物在不同的溶劑條件下的吸收系數(shù)（兩種物質(zhì)有可能具有相同的發(fā)色基團(tuán)，但分子結(jié)構(gòu)不同，吸收吸收不同）3、分子結(jié)構(gòu)的推斷 對(duì)未知物進(jìn)行定性測(cè)定時(shí)，通常在相同條件下，測(cè)得的試樣吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)比； -比較被測(cè)物與標(biāo)準(zhǔn)物的特征吸收譜帶； -比較被測(cè)定物與標(biāo)準(zhǔn)物在不同的溶劑條件下的吸收系數(shù)（兩種物質(zhì)有可能具有相同的發(fā)色基團(tuán)，但分子結(jié)構(gòu)不同，吸收吸收不同）*紫外-可見光區(qū)無吸收：不含雙鍵或環(huán)狀共軛體系；*210250n

16、m有強(qiáng)吸收帶（K帶）含有2個(gè)雙鍵的共軛體系；*250300nm有吸收，弱吸收帶（R帶），表示有n*躍遷，可能是具有n電子的生色團(tuán)；若有強(qiáng)吸收，表示有35個(gè)雙鍵共軛體系；*260300nm有強(qiáng)吸收，且有精細(xì)結(jié)構(gòu)，可能有苯環(huán)。4、定量分析（1）校正曲線法： 配制一系列不同含量的標(biāo)準(zhǔn)試樣溶液，以不含試樣的空白溶液作為參比，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，并繪制吸光度-濃度曲線；未知試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣在相同條件下進(jìn)行測(cè)定，然后根據(jù)校正曲線求出未知試樣含量；是定量測(cè)定最常規(guī)的方法；（2）標(biāo)準(zhǔn)加入法： 取幾份等量的被測(cè)液，其中一份不加被測(cè)組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，其它被測(cè)液加入不同量的被測(cè)組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容到一定的體積，形成標(biāo)準(zhǔn)加入的濃度系列，然后分別測(cè)定其吸光度值，繪制吸光度-濃度的校正曲線，再將該曲線外推與濃度軸相交，交點(diǎn)與原點(diǎn)