紫外及可見光譜分析課件

第3章紫外及可見光譜分析

(UltravioletandvisibleSpectroscopy,UV-Vis)研究物質(zhì)在紫外-可見光區(qū)（200-800nm）分子吸收光譜的分析方法。第3章紫外及可見光譜分析(Ultravioletan1紫外及可見光譜分析課件2本章內(nèi)容

分子能級及紫外光譜的產(chǎn)生紫外及可見光譜儀紫外及可見光譜法的應(yīng)用

本章內(nèi)容分子能級及紫外光譜的產(chǎn)生3UV-Vis方法是分子光譜方法，它利用分子對外來輻射的選擇性吸收特性。

UV-Vis涉及分子外層電子的能級躍遷；光譜區(qū)在190~780nm.

UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光譜(UV)為四大波譜之一，是鑒定許多化合物，尤其是有機化合物的重要定性工具之一。UV-Vis方法是分子光譜方法，它利用分子對外來輻射的選擇性43.1分子能級及紫外光譜的產(chǎn)生

3.1.1分子能級

分子有三種運動方式·形成化學(xué)鍵的電子云形狀變化·化學(xué)鍵振動·分子沿某一軸轉(zhuǎn)動

對應(yīng)有三種能級電子能級振動能級轉(zhuǎn)動能級

3.1分子能級及紫外光譜的產(chǎn)生3.1.1分子能級5分子吸收光譜的形成1.過程：運動的分子外層電子--------吸收外來輻射------產(chǎn)生電子能級躍遷-----分子吸收譜。2.能級組成：除了電子能級(Electronenergylevel)外，分子吸收能量將伴隨著分子的振動和轉(zhuǎn)動，即同時將發(fā)生振動(Vibration)能級和轉(zhuǎn)動(Rotation)能級的躍遷！據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振-轉(zhuǎn)躍遷也是量子化的或者說將產(chǎn)生非連續(xù)譜。因此，分子的能量變化

E為各種形式能量變化的總和：其中

Ee最大：1-20eV;

Ev次之：0.05-1eV;

Er最?。?/p>

0.05eV可見，電子能級間隔比振動能級和轉(zhuǎn)動能級間隔大1~2個數(shù)量級，在發(fā)生電子能級躍遷時，伴有振-轉(zhuǎn)能級的躍遷，形成所謂的帶狀光譜。分子吸收光譜的形成6

UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說其分子能級的能量(各種能級能量總和)或能量間隔各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長或能量的外來輻射。定性分析具體做法不同波長的光通過待測物，經(jīng)待測物吸收后，測量其對不同波長光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A為縱坐標(biāo)，輻射波長為橫坐標(biāo)作圖，得到該物質(zhì)的吸收光譜或吸收曲線，據(jù)吸收曲線的特性(峰強度、位置及數(shù)目等)研究分子結(jié)構(gòu)。UV-Vis定性分析的基礎(chǔ)7-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機化合物的分子吸收光譜圖。-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機化合物的分子吸收8·使電子能級變化需要的能量是1~20ev相當(dāng)于紫外及可見光能量范圍·使振動能級變化需要的能量是0.05~1ev相當(dāng)于紅外光能量范圍·使轉(zhuǎn)動能級變化需要的能是為0.05ev以下相當(dāng)于遠(yuǎn)紅外光能量范圍·使電子能級變化需要的能量是1~20ev9紫外及可見光譜分析課件10電子能級振動能級轉(zhuǎn)動能級

電子能級振動能級轉(zhuǎn)動能級113.1.2分子吸收光譜

·用紫外（可見）光照射有機分子，分子吸收紫外（可見）光后，從電子能級基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，得到紫外（可見）吸收光譜·用紅外光照射有機分子，分子從振動能級基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，可產(chǎn)生紅外吸收光譜·用遠(yuǎn)紅外光照射有機分子，分子從轉(zhuǎn)動能級基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，可產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外吸收光譜

3.1.2分子吸收光譜·用紫外（可見）光照射有機分子12·紫外（可見）光譜，紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜是分子能級變化形成的，稱為分子光譜·電子能級變化時，必然伴隨著振動能級的變化，振動能級的變化又伴隨轉(zhuǎn)動能級的變化，因此，分子光譜不是線狀光譜，而是帶狀光譜。

·紫外（可見）光譜，紅外光譜，遠(yuǎn)紅外光譜是分子能級變化形13即：E=Eel+Evib+Erot3)氣相中的多普勒變寬和碰撞變寬也會超過轉(zhuǎn)動譜線間的間距。1)分子對電磁輻射的吸收是分子能量變化的和。即：E=Eel+Evib+Erot分子光譜為什么是帶狀光譜？2)溶液中相鄰分子間的碰撞分子各種能級的一般會失去振動精細(xì)結(jié)構(gòu)。細(xì)微變化譜帶的進(jìn)一步加寬和匯合分子由氣態(tài)到溶液即：E=Eel+Evib+Erot3)氣相中的14原子光譜線狀光譜分子光譜帶狀光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)原子光譜分子光譜15吸收曲線的討論：①同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax。②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。吸收曲線的討論：16③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之173.1.3紫外及可見光譜的產(chǎn)生

·分子外層電子有形成σ鍵的σ電子，形成π鍵的π電子和未成鍵的n電子?！な艿焦獾恼丈浠鶓B(tài)電子吸收能量后變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)π*和σ*電子，同時產(chǎn)生吸收光譜3.1.3紫外及可見光譜的產(chǎn)生·分子外層電子有形成σ18有機分子能級躍遷1.可能的躍遷類型有機分子包括:成鍵軌道、；反鍵軌道

*、*非鍵軌道n

例如H2O分子的軌道：

C

H

H

Ooooo=

=

o=n分子吸收光譜躍遷類型有機分子能級躍遷CHHOoooo=分子吸19各軌道能級高低順序：

n

*

*（分子軌道理論計算結(jié)果）；可能的躍遷類型：

-

*；-

*；-

*；n-*；-

*；n-*各軌道能級高低順序：n**（分子軌道理論計20分子的紫外-可見吸收光譜法是基于分子內(nèi)電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜進(jìn)行分析的一種常用的光譜分析法。

分子在紫外-可見區(qū)的吸收與其電子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

紫外光譜的研究對象大多是具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的分子。分子的紫外-可見吸收光譜法是基于分子內(nèi)電子躍遷產(chǎn)21電子能級和躍遷類型

電子能級和躍遷類型221.σ-σ*躍遷能級差大，產(chǎn)生σ-σ*躍遷需要光波長

max

150nm，飽和有機化合物的電子躍遷在遠(yuǎn)紫外區(qū)，遠(yuǎn)紫外區(qū)或真空紫外區(qū)。2.π-π*躍遷能級差小,產(chǎn)生π-π*躍遷需要光波長

max

160-200nm。一般在紫外區(qū)。雙鍵共軛，波長紅移，吸收增強，

max和

max均增加。1.σ-σ*躍遷能級差大，產(chǎn)生σ-σ*躍遷需要光波長ma23單個雙鍵，一般

max為150-200nm。如果兩個以上的雙鍵被單鍵隔開，則所呈現(xiàn)的吸收是所有雙鍵吸收的疊加。

max=185nm

max=217nm

max=258nm單個雙鍵，一般max為150-200nm。max=243.n-σ*躍遷能級差大,

max

160-250nm，含未共享電子對的取代基可發(fā)生n

*躍遷，遠(yuǎn)紫外區(qū)。4.n-π*躍遷能級差最小,

max

200nm，一般在近紫外區(qū)，有時在可見區(qū)。為弱吸收帶。3.n-σ*躍遷能級差大,max160-250nm，含25紫外及可見光譜分析課件26

*躍遷幾率大，是強吸收帶；n

*躍遷幾率小，是弱吸收帶，一般

max<500。許多化合物既有

電子又有n電子，既可發(fā)生

*又可n

*躍遷。如-COOR基團(tuán)，

*躍遷

max=165nm，

max=4000；而n

*躍遷

max=205nm，

max=50。能產(chǎn)生紫外-可見吸收的官能團(tuán)，如一個或幾個不飽和基團(tuán)，或不飽和雜原子基團(tuán)，C=C,C=O,N=N,N=O等稱為生色團(tuán)（chromophore）;分子中含有非鍵或

鍵的電子體系，能吸收特征外來輻射時并引起n-*和-

*躍遷，可產(chǎn)生此類躍遷或吸收的結(jié)構(gòu)單元，稱為生色團(tuán)。*躍遷幾率大，是強吸收帶；27紫外及可見光譜分析課件28紫外及可見光譜分析課件29紫外及可見光譜分析課件30助色團(tuán)(auxochrome)：本身在200nm以上不產(chǎn)生吸收，但其存在能增強生色團(tuán)的生色能力（改變分子的吸收位置和增加吸收強度）的一類基團(tuán)。含有孤對電子，可使生色團(tuán)吸收峰向長波方向移動并提高吸收強度的一些官能團(tuán)，稱之為助色團(tuán)。常見助色團(tuán)助色順序為：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-含有生色團(tuán)或生色團(tuán)與助色團(tuán)的分子在紫外可見光區(qū)有吸收并伴隨分子本身電子能級的躍遷，不同官能團(tuán)吸收不同波長的光。作波長掃描，記錄吸光度對波長的變化曲線，就得到該物質(zhì)的紫外-可見吸收光譜。生色團(tuán)（和助色團(tuán)）是分子產(chǎn)生紫外-可見吸收的條件?。。。?！助色團(tuán)(auxochrome)：本身在200nm以上不產(chǎn)生313.1.4影響紫外-可見吸收光譜的因素1.

譜帶位移藍(lán)移（或紫移，hypsochromicshiftorblueshift)

吸收峰向短波長移動紅移(bathochromicshiftorredshift)

吸收峰向長波長移動2.

吸收峰強度變化

增色效應(yīng)(hyperchromiceffect)

吸收強度增加減色效應(yīng)(hypochromiceffect)

吸收強度減小3.1.4影響紫外-可見吸收光譜的因素1.

譜帶位移32紫外及可見光譜分析課件333．共軛效應(yīng)的影響

電子共軛體系增大，

max紅移，

max增大共軛效應(yīng)的結(jié)果是電子離域到多個原子之間，使躍遷軌道能量降低，導(dǎo)致

*能量降低。同時躍遷幾率增大，

max增大。3．共軛效應(yīng)的影響電子共軛體系增大，max紅移，ma344.空間阻礙使共軛體系破壞，

max藍(lán)移，

max減小。4.空間阻礙使共軛體系破壞，max藍(lán)移，max減小。35111給電子基：帶有未共用電子對的原子的基團(tuán)。如-NH2,-OH等。未共用電子對的流動性很大，能夠形成p-

共軛，降低能量，

max紅移。給電子基的給電子能力順序為：-N(C2H5)2>-N(CH3)2>-NH2>-OH>-OCH3>-NHCOCH3>-OCOCH3>-CH2CH2COOH>-H111給電子基：帶有未共用電子對的原子的基團(tuán)。36吸電子基：易吸引電子而使電子容易流動的基團(tuán)。如：-NO2,-CO,-CNH等共軛體系中引入吸電子基團(tuán)，也產(chǎn)生

電子的永久性轉(zhuǎn)移，

max紅移。

電子流動性增加，吸收光子的吸收分?jǐn)?shù)增加，吸收強度增加。吸電子基的作用強度順序是：-N+(CH3)3>-NO2>-SO3H>-COH>-COO->-COOH>-COOCH3>-Cl>-Br>-I電子基與吸電子基同時存在時，產(chǎn)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移吸收，

max紅移，

max增加。吸電子基：易吸引電子而使電子容易流動的基團(tuán)。373.2吸收定律

1朗伯一比爾定律

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液對光的吸收程度；

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L－１；

ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol－１·cm－１；或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的濃度，單位g·L－１

a：吸光系數(shù)，單位L·g－１·cm－１

3.2吸收定律1朗伯一比爾定律38εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強，用光度法測定該物質(zhì)的靈敏度越高。ε>105：超高靈敏；

ε=(6～10）×104：高靈敏；

ε<2×104：不靈敏。ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強，用光度法測定該物質(zhì)的靈392朗伯一比爾定律的適用性

入射光為單色光溶液界面無反射，光度計內(nèi)無雜散光（straylight）溶液為真溶液（無溶質(zhì)、溶劑及懸濁物引起的散射）吸收過程中，吸收物質(zhì)的行為互不相關(guān)均一溶液，稀溶液2朗伯一比爾定律的適用性

入射光為單色光403比爾定律的加和性彼此間無相互作用的多組分體系的總吸光度是各物質(zhì)吸光度的總和:Ac=

1bC1+

2bC2+……+

nbCn3比爾定律的加和性411儀器組成：光源：鎢燈氘燈提供激發(fā)能，使待測分子產(chǎn)生吸收。要求：能夠提供足夠強的連續(xù)光譜、有良好的穩(wěn)定性；較長的使用壽命，且輻射能量隨波長無明顯變化。熱輻射光源：利用固體燈絲材料高溫放熱產(chǎn)生的輻射。如鎢燈、鹵鎢燈?？梢妳^(qū)。氣體放電光源：在低壓直流電條件下，氫或氘氣放電所產(chǎn)生的連續(xù)輻射。一般為氫燈或氘燈，紫外區(qū)。

3.3紫外及可見分光光度計光源單色器樣品室檢測器顯示3.3紫外及可見分光光度計光源單色器樣品室檢測器顯示42單色器:入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、物鏡和出射狹縫

分光器：光柵吸收池：石英吸收池檢測器：光電倍增管二極管陣列檢測器2

光路圖單光束雙光束3

工作原理單色器:入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件、物鏡和出射狹縫43紫外光譜儀光路圖

紫外光譜儀光路圖44光源單色器吸收池檢測器氘燈、鎢燈石英棱鏡、光柵石英池光電倍增管光源單色器吸收池檢測器氘燈、鎢燈石英棱鏡、光柵石英池光電倍增45紫外及可見光譜分析課件463.4紫外光譜法應(yīng)用

3.4.1定量分析

1、單組份定量分析2、多組份定是分析3、導(dǎo)數(shù)分光光度法4、光度滴定

3.4紫外光譜法應(yīng)用3.4.1定量分析1、單組份定量471.單組份定量分析

A

A1A2

A3

C1

C2

C3

A

C

1.單組份定量分析AA1A2A3C1C2482.多組份定量分析

A

1

2

122.多組份定量分析A121249：

1處的總吸收：

2處的總吸收：在

1處組分1的摩爾吸收系數(shù)，可測：在

1處組分2的摩爾吸收系數(shù)，可測：在

2處組分1的摩爾吸收系數(shù)，可測：在

2處組分2的摩爾吸收系數(shù)，可測解方程，求出C1，C2

：1處的總吸收503.導(dǎo)數(shù)分光光度法

紫外光譜圖可以對每一點求導(dǎo)數(shù)·隨導(dǎo)數(shù)的階數(shù)增加，帶寬變小，分辨率提高·小峰求導(dǎo)數(shù)后，峰值變大，靈敏度提高導(dǎo)數(shù)分光光度法適用于低含量的測定3.導(dǎo)數(shù)分光光度法紫外光譜圖可以對每一點求導(dǎo)數(shù)514.光度滴定

①被滴定物有吸收②滴定劑有吸收③滴定劑和被滴定物都有吸收

AAA①②③滴定量滴定量滴定量4.光度滴定①被滴定物有吸收AAA①②③滴定量滴定量滴523.4.2定性分析

1各類化合物的紫外吸收1）簡單分子2）含共軛體系的分子軛3）芳香族化合物2紫外光譜法定性分析1）驗證已知物2）判斷異構(gòu)體3）推斷未知物結(jié)構(gòu)

3.4.2定性分析1各類化合物的紫外吸收53各類化合物的紫外吸收1）簡單分子

A飽