第3章-紫外-可见光度法-.ppt
- 文档编号:10022584
- 上传时间:2023-05-23
- 格式:PPT
- 页数:81
- 大小:4.13MB
第3章-紫外-可见光度法-.ppt
《第3章-紫外-可见光度法-.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第3章-紫外-可见光度法-.ppt(81页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
仪器分析,第3章紫外-可见吸收光谱法,基本原理紫外-可见分光光度计分析方法应用,第3章紫外-可见吸收光谱法(UV-Vis),基本原理紫外-可见分光光度计分析方法应用,基本原理,紫外-可见吸收光谱的产生紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系测量条件的选择及显色反应,基于被测物质的分子对紫外-可见光具有选择吸收的特性而建立的分析方法。
可用来确定物质的组成、含量,推测物质的结构。
朗伯-比尔定律,紫外-可见吸收光谱的产生,紫外-可见吸收光谱:
分子价电子能级跃迁。
波长范围:
100-800nm.
(1)远紫外光区:
100-200nm
(2)近紫外光区:
200-400nm(3)可见光区:
400-800nm,可用于结构鉴定和定量分析。
电子跃迁的同时,伴随着振动、转动能级的跃迁;带状光谱。
电子跃迁与分子吸收光谱,物质分子内部三种运动形式:
(1)电子相对于原子核的运动;
(2)原子在其平衡位置附近的相对振动;(3)分子本身绕其重心的转动。
分子具有三种不同能级:
电子能级、振动能级和转动能级三种能级都是量子化的,且各自具有相应的能量。
分子的内能:
电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即:
EEe+Ev+Erevr,能级跃迁,电子能级间跃迁的同时,总伴随有振动和转动能级间的跃迁。
即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。
紫外-可见电子光谱Ee=1-20eV红外振动光谱0.05-1远红外转动光谱0.005-0.05,物质对光的选择性吸收及吸收曲线,M+热,M+荧光或磷光,E=E2-E1=h量子化;选择性吸收吸收曲线与最大吸收波长max用不同波长的单色光照射,测吸光度;,M+hM*,基态激发态E1(E)E2,吸收曲线的讨论:
同一种物质对不同波长光的吸光度不同。
吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max不同浓度的同一种物质,其吸收曲线形状相似max不变。
而对于不同物质,它们的吸收曲线形状和max则不同。
吸收曲线可以提供物质的结构信息,并作为物质定性分析的依据之一。
不同浓度的同一种物质,在某一定波长下吸光度A有差异,在max处吸光度A的差异最大。
此特性可作作为物质定量分析的依据。
在max处吸光度随浓度变化的幅度最大,所以测定最灵敏。
吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。
紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系,紫外可见吸收光谱有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果:
电子、电子、n电子。
分子轨道理论:
成键轨道反键轨道。
一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。
通常外层电子均处于分子轨道的基态,即成键轨道或非键轨道上。
当外层电子吸收紫外或可见辐射后,就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。
主要有四种跃迁。
所需能量大小顺序为:
nn,1.跃迁,所需能量最大;电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁;饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区;在近紫外区、可见光区内不产生吸收。
吸收波长200nm;例:
甲烷的max为125nm,乙烷max为135nm。
只能被真空紫外分光光度计检测到;可作为溶剂使用;,2n跃迁,所需能量较大,中等强度吸收。
吸收波长为150250nm,大部分在远紫外区,近紫外区仍不易观察到。
含n电子的饱和化合物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n*跃迁。
3跃迁,所需能量较小,吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区,max一般在104Lmol-1cm-1以上,属于强吸收。
凡含有双键或三键的不饱和有机化合物都能产生跃迁,其所需能量与n跃迁相近,吸收峰在200nm附近。
共轭体系中的跃迁,其吸收峰向长波方向移动,落在200700nm的紫外-可见光区。
max=162nm,助色基团取代,*发生红移。
4.n跃迁分子中孤对电子跃迁到轨道,所需能量最低;吸收峰出现在200400nm的紫外区,属于弱吸收;含有杂原子(O,N)的双键的不饱和有机化合物能产生这类跃迁,n及跃迁都需要含有不饱和官能团来提供轨道。
这两类跃迁在有机化合物中具有重要意义,是紫外-可见吸收光谱的主要研究对象(2001000nm范围)。
生色团与助色团和吸收带,1.生色团:
指分子中可吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。
通常指含有不饱和键,能吸收紫外、可见光产生n或跃迁的基团。
简单的生色团由双键或叁键体系组成,如乙烯基、羰基、乙炔基、偶氮基-NN-、腈基-CN等。
2.助色团:
含有未成键n电子的基团(如-OH、-OR、-NH、-NHR、-X等),它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光),但当它们与生色团相连时,就会发生n-共轭作用,增强生色团的生色能力(即使吸收波长向长波方向移动,且吸收强度增加),这样的基团称为助色团。
3.吸收带(absorptionband):
吸收峰在紫外-可见光谱中的波带位置。
根据产生跃迁的价电子和轨道的不同,主要分为四种类型:
(2)K吸收带(源自德文Konjugation,“共轭作用”),是由共轭体系中*跃迁所产生的吸收带;吸收强度较大,通常104Lmol-1cm-1;跃迁所需能量大,吸收峰通常在217280nm之间。
K吸收带的波长及强度与共轭体系的长度、位置、取代基种类有关。
其波长随共轭体系的加长而向长波方向移动,吸收强度也随之加强。
K吸收带是紫外-可见吸收光谱中应用最多的吸收带,用于判断化合物的共轭结构。
(1)R吸收带(来自德文Radikal,“基团”),是由n*跃迁所产生的吸收带;强度较弱,一般102Lmol-1cm-1;吸收峰位于200400nm之间。
(4)E吸收带,也是芳香族化合物的特征吸收。
是苯环结构中三个乙烯的环状共轭系统的*跃迁所产生的,可分为E1带和E2带。
E1带出现在185nm处,为强吸收,104Lmol-1cm-1;E2带出现在204nm处,为较强吸收,103Lmol-1cm-1.,(3)B吸收带(来自德文Benzenoid,“苯”),是由芳香族化合物的*跃迁而产生的精细结构吸收带。
吸收峰在230270nm之间,102Lmol-1cm-1。
B吸收带的精细结构常用来判断芳香族化合物,但苯环上有取代基且与苯环共轭或在极性溶剂中测定时,这些精细结构会简单化或消失。
当苯环上有发色团且与苯环共轭时,E带常与K带合并,并且向长波方向移动,B吸收带的精细结构简单化,吸收强度增加且向长波方向移动。
(图5-4P.66),苯:
E1带180184nm;=47000E2带200204nm,=7000苯环上三个共扼双键的*跃迁特征吸收带;B带230-270nm,=200*与苯环振动引起;含取代基时,B带简化,红移。
羰基双键与苯环共扼:
K带强;苯的E2带与K带合并,红移;取代基使B带简化;氧上的孤对电子:
R带,跃迁受阻,强度弱;,影响紫外-可见吸收光谱的因素,紫外-可见吸收光谱主要取决于分子中价电子的能级跃迁,同时分子的内部结构和外部环境也会产生影响。
(1)共轭效应:
分子中的共轭体系由于大键的形成,使各能级间能量差减小,跃迁所需能量降低。
因此使吸收峰向长波方向移动(红移),吸收强度随之加强(摩尔吸收系数变大)的现象。
在单键、双键相互交替的共轭体系(以及其他类型的共轭体系)中,由于分子中原子间特殊的相互影响,使分子更稳定,内能更小,键长趋于平均化的效应。
例如,普通CC双键的键长为1.34埃,CC单键的为1.54埃,但是苯分子中由于相邻的键电子轨道的交迭而成共轭,使其6个C-C键的键长都是1.39埃。
若化合物中2个发色团产生共轭效应,可使吸收峰红移,吸收带强度增加;若2个发色团由于立体阻碍,妨碍它们处于同一平面则减弱共轭效应。
例如:
顺式结构有立体阻碍,,顺式:
max=280nm;max=10500反式:
max=295.5nm;max=29000,酮式:
max=204nm烯醇式:
max=243nm,
(2)助色效应:
当助色团与发色团相连时,助色团的n电子与发色团的电子共轭,使吸收峰红移,吸收强度增加的现象。
乙烯:
max=162nm,(3)超共轭效应:
由于烷基的电子与共轭体系中的电子共轭,使吸收峰向长波移动,吸收强度增加的现象。
存在于烷基连接在不饱和键上的化合物中,超共轭效应的大小由烷基中-H原子的数目多少而定,甲基最强。
超共轭效应比一般正常共轭效应弱得多,其影响远远小于共轭效应。
(4)溶剂效应:
溶剂的极性强弱能影响紫外-可见吸收光谱的吸收峰的波长、吸收强度以及形状。
所以测定的光谱一般应注明所用溶剂。
溶剂的极性对n*和*跃迁所产生吸收峰的位置有不同的影响:
加大溶剂极性,一般使*跃迁向长波移动,而使n*跃迁向短波移动,后者的移动幅度一般比前者大。
n*跃迁:
紫移;,*跃迁:
红移;,异亚丙基丙酮的溶剂效应,非极性极性n*跃迁:
紫移;*跃迁:
红移;,极性溶剂使精细结构消失,分子的电子光谱的特点:
在波长范围内按一定强度分布的谱带带光谱波长位于紫外-可见区,溶剂的末端吸收以截止波长描述:
指小于截止波长的辐射通过溶剂时,溶剂对此辐射产生强烈吸收,此时溶剂被看作是光学不透明的,严重干扰组分的吸收测量。
而采用大于截止波长的辐射时,该溶剂就对测量无干扰。
如何确定截止波长?
将溶剂装入1cm比色皿,以空气为参比,逐渐降低入射波长,当溶剂的吸光度A=1时的波长,就称为溶剂的截止波长。
中国药典对UV法溶剂的要求:
以空气为空白,溶剂和吸收池的吸收度在200240nm范围内不得超过0.40,在241250nm范围内不得超过0.20,在251300nm范围内不得超过0.10,在300nm以上不得超过0.05.,所选用溶剂应在样品的吸收光谱区内无明显吸收?
红移与蓝移(紫移),有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化:
max向长波方向移动称为红移,向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。
吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应,如图所示。
测定条件的选择,1.选择适当的入射波长一般应该选择max为入射光波长。
但如果max处有共存组分干扰时,则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。
测量条件的选择及显色反应,2.选择合适的参比溶液,为什么需要使用参比溶液?
测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。
参比溶液的选择一般遵循以下原则:
若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收,其它所加试剂均无吸收,用纯溶剂(水)作参比溶液;,若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收,而试液本身无吸收,用“试剂空白”(不加试样溶液)作参比溶液;若待测试液在测定波长处有吸收,而显色剂等无吸收,则可用“试样空白”(不加显色剂)作参比溶液;若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收,则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂,作为参比溶液。
3.控制适宜的吸光度(读数范围),最佳读数范围与最佳值,设:
T=1%,则可绘出溶液浓度相对误差c/c与其透光度T的关系曲线。
如图所示:
当:
T=1%,T在20%65%(吸光度A=0.700.20)。
之间时,浓度相对误差较小,最佳读数范围。
显色反应的选择,1.选择显色反应时,应考虑的因素:
灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收,两种有色物最大吸收波长之差:
“对比度”,要求60nm。
2显色反应:
在比色反应中,可利用的显色反应种类很多,如配合,氧化还原等,应用最广的是络合反应。
1)络合反应:
2)氧化还原:
如测Mn或Cr时,可用氧化剂将其氧化为进行比色。
3.显色剂,无机显色剂:
硫氰酸盐、钼酸铵、过氧化氢等几种。
有机显色剂:
种类繁多偶氮类显色剂:
本身是有色物质,生成配合物后,颜色发生明显变化;具有性质稳定、显色反应灵敏度高、选择性好、对比度大等优点,应用最广泛。
演示:
显色反应和显色剂,铬天青S,邻二氮菲,二苯硫腙,丁二酮肟,磺基水杨酸,4显色反应条件的选择,1)显色剂用量吸光度A与显色剂用量CR的关系会出现如图所示的几种情况。
选择曲线变化平坦处。
2)反应体系的酸度在相同实验条件下,分别测定不同pH值条件下显色溶液的吸光度。
选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的pH范围。
3)显色时间与温度实验确定4)溶剂一般尽量采用水相测定,5共存离子干扰的消除,1)加入掩蔽剂:
选择掩蔽剂的原则是:
掩蔽剂不与待测组分反应;掩蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分的测定。
例:
测定Ti4,可加入H3PO4掩蔽剂使Fe3+(黄色)成为Fe(PO)23-(无色),消除Fe3+的干扰;又如用铬天菁S光度法测定Al3+时,加入抗坏血酸作掩蔽剂将Fe3+还原为Fe2+,消除Fe3+的干扰。
2)选择适当的显色反应条件3)分离干扰离子,6提高光度测定灵敏度和选择性的途径,1.合成新的高灵敏度有机显色剂2.采用分离富集和测定相结合3.采用三元(多元)配合物显色体系由一个中心金属离子与两种(或两种以上)不同配位体形成的配合物,称为三元(多元)配合物。
多元配合物显色反应具有很高的灵敏度,一方面是因为多元配合物比其相应的二元配合物分子截面积更大;另一方面是因为第二或第三配位体的引入,可能产生配位体之间、配位体与中心金属离子间的协同作用,使共轭电子的流动性和电子跃迁几率增大。
紫外-可见分光光度计,一、基本组成,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,1.光源在整个紫外光区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、较长的使用寿命。
可见光区:
钨灯作为光源,其辐射波长范围在3202500nm。
紫外区:
氢、氘灯。
发射185400nm的连续光谱。
2.单色器,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。
入射狭缝:
光源的光由此进入单色器;准光装置:
透镜或返射镜使入射光成为平行光束;色散元件:
将复合光分解成单色光;棱镜或光栅;,聚焦装置:
透镜或凹面反射镜,将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝;出射狭缝。
3.样品室,样品室放置各种类型的吸收池(比色皿)和相应的池架附件。
吸收池主要有石英池和玻璃池两种。
在紫外区须采用石英池,可见区一般用玻璃池。
4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号,常用的有光电池、光电管或光电倍增管。
5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理,二、分光光度计的类型,1.单光束:
简单,价廉,适于在给定波长处测量吸光度或透光度,一般不能作全波段光谱扫描,要求光源和检测器具有很高的稳定性。
这类分光光度计的特点是:
结构简单,价格便宜。
主要适用于定量分析,而不适用于作定性分析。
另外,结果受光源的波动影响较大。
2.双光束:
自动记录,快速全波段扫描。
可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响,特别适合于结构分析。
仪器复杂,价格较高。
双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度,它不受光源(电源)变化的影响。
双光束分光光度计还能进行波长扫描,并自动记录下各波长下的吸光度,很快就可得到试液的吸收光谱。
所以能用于定性分析。
光路图,3.双波长将不同波长的两束单色光(1、2)快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。
产生交流信号。
无需参比池。
=12nm。
两波长同时扫描即可获得导数光谱。
双波长分光光度法,2,1,Y的存在不干扰X的测定,分析方法,max:
化合物特性参数,可作为定性依据;有机化合物紫外吸收光谱:
反映结构中生色团和助色团的特性,不完全反映分子特性;计算吸收峰波长,确定共扼体系等甲苯与乙苯:
谱图基本相同;结构确定的辅助工具;max,max都相同,可能是一个化合物;萨特勒光谱数据:
46000种化合物紫外光谱的标准谱图Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet,一.定性分析,有机化合物结构辅助解析,1)可获得的结构信息
(1)200-400nm无吸收峰。
饱和化合物,单烯。
(2)270-350nm有吸收峰(=10-100)醛酮n*跃迁产生的R带。
可能是一个简单的、非共轭的含有杂原子的双键化合物,如:
羰基、硝基等。
(3)250-300nm有中等强度的吸收峰(=200-2000),芳环的特征吸收(具有精细解构的B带)。
(4)210-250nm有强吸收峰(104),则可推断未知物可能是含有共轭双键的化合物(K)带,如果在260-300nm内有强吸收带,则表明该化合物中含有三个或三个以上共轭双键。
(260nm,300nm,330nm有强吸收峰,3,4,5个双键的共轭体系)。
如果吸收带进入可见区,则该化合物可能是含有长共轭发色基团或是稠环化合物。
共轭二烯:
K带(230nm);不饱和醛酮:
K带230nm,R带310-330nm;,2)光谱解析注意事项,
(1)确认max,并算出,初步估计属于何种吸收带;
(2)观察主要吸收带的范围,判断属于何种共轭体系;(3)乙酰化位移,B带:
262nm(302)274nm(2040)261nm(300),(4)pH值的影响加NaOH红移酚类化合物,烯醇。
加HCl兰移苯胺类化合物。
3)分子不饱和度的计算,定义:
不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。
如:
乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子,不饱和度为1。
计算:
若分子中仅含一,二,三,四价元素(H,O,N,C),则可按下式进行不饱和度的计算:
n4,n3,n1分别为分子中四价,三价,一价元素数目。
作用:
由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键,三键,环,芳环的数目,验证谱图解析的正确性。
例:
C9H8O2=(2+298)/2=6,4)解析示例,有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在,其紫外光谱max=231nm(9000),此化合物加氢只能吸收2克分子H2,确定其结构。
解:
计算不饱和度=3;两个双键;共轭?
加2分子氢max=231nm,可能的结构计算max,max:
232273268268,max=共轭二烯(a,b)+2烷基取代+环外双键=217+25+5=232(231),立体结构和互变结构的确定,顺式:
max=280nm;max=10500反式:
max=295.5nm;max=29000共平面产生最大共轭效应,max大,互变异构:
酮式:
max=204nm;无共轭烯醇式:
max=243nm,取代苯吸收波长计算,二.定量分析,依据:
朗伯-比耳定律吸光度:
A=Lc透光度:
-lgT=Lc灵敏度高:
max:
104105Lmol-1cm-1;(比红外大)测量误差与吸光度读数有关:
A=0.434,读数相对误差最小;,
(一)微量单组分的测定:
配制一系列不同含量的待测组分的标准溶液,以不含待测组分的空白溶液为参比,测定标准溶液的吸光度。
并绘制吸光度浓度曲线,得到标准曲线(工作曲线),然后再在相同条件下测定试样溶液的吸光度。
由测得的吸光度在曲线上查得试样溶液中待测组分的浓度,最后计算得到试样中待测组分的含量。
标准曲线图,1标准曲线法:
演示:
工作曲线法,把未知试样溶液分成体积相同的若干份,除其中的一份不加入待测组分的标准物质外,在其它几份中都分别加入不同量的标准物质。
然后测定各份试液试液的吸光度并绘制吸光度对加入的标准物质的浓度(增量)作图,得一标准曲线:
由于每份溶液中都含有待测组分,因此,标准曲线不经过原点。
将标准曲线外推延长至与横坐标交于一点,则此点到原点的长度所对应的浓度值就是待测组分的浓度。
2标准加入法,在含有多种组分的溶液中,如果要测定多个组分,可以根据情况的不同,采用不同的方法来进行测定。
(二)多组分的同时测定:
如果溶液中各组分之间的吸收曲线互相不干扰,可以选择适当的不同的波长分别测定。
图(a):
X,Y组份最大吸收波长不重迭,相互不干扰,可以按两个单一组份处理。
如果多个组分之间的吸收曲线有干扰则可利用吸光度的加和性,以解联立方程式的方法,求得各个组分的含量或浓度。
图b)和c):
X,Y相互干扰,此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度:
方法:
配制一系列待测组分的浓度相差较小,且待测组分浓度与试液浓度相近的标准溶液,以其中浓度最小的标准溶液(Cs)作参比溶液,测定其它标准溶液的吸光度,以吸光度对测定溶液和参比溶液的浓度差作图,得一过原点的标准曲线。
再在相同的条件下测定试液的吸光度,由曲线上查得试液的浓度与参比溶液浓度的差值,从而求得待测组分的浓度。
Cx=Cs+Cx,(三)高含量组分的测定示差法:
测量原理:
当试样中组份的浓度过大时,则A值很大,会产生较大的读数误差。
此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比,则有:
具体做法:
以浓度为cs的标准溶液调T=100%或A=0(调零),所测得的试样吸光度实际就是上式中的A,然后求出Cx,则试样中该组份的浓度为(Cs+Cx)。
配和物组成的测定平衡常数的测定测量误差,紫外-可见分光光度法的应用,摩尔比率法测定配和比:
mM+nRMmRn,配制:
不同CR/CM的系列溶液:
如CR/CM=1,2,3,n,分别测吸光度:
A1,A2,A3An,作ACR/CM曲线,A,CR/CM,0,D,配和比,A0A,若配合物稳定性差,络合物解离使吸光度下降,转折不明显,据此可以测定络合物不稳定常数。
设:
配合物解离度为,不解离时转折处浓度为C,=,A0-A,A0,K=,MmRn(mC)m(nC)nmmnnm+nCm+n-1,MmRn,(1-)C,1-,=,=,1酸碱离解常数的测定,
(1),设:
b=1cm,A=AHB+AB-,
(二)平衡常数的测定:
同样由
(2)得:
则:
A=AHB+AB-=HBHB+B-B-
(2),(3),(4),将(3)(4)代入
(1)中:
C=HB+B-,定义:
pKa=pH+lg,A-AHB,AB-A,2配合常数测定,(三)、测量误差,00.20.40.60.81.0,相对误差,T,只有当,则,测量误差最小,此时,-logT=loge=0.434=A,即吸光度为0.434时,浓度测量才具有最小相对误差。
紫外-可见光谱法应用举例,高锰酸钾的测定亚铁盐的测定,方法与步骤1.显色2.吸收曲线绘制3.测定吸收度4.数据处理,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 紫外 可见 光度