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1、仪器分析课程,第三章,Chapter Three,Ultraviolet and Visible Absorption SpectrumUltraviolet and Visible SpectrophotometryFor Short：UV-VIS,紫外-可见吸收光谱法,3.1 分子光谱概述3.2 光吸收定律3.3 紫外-可见分光光度计3.4 分析条件的选择 3.5 紫外-可见分光光度法的应用,紫外-可见吸收光谱法,第三章,一.分子光谱的产生,1.分子的能级,3.1 紫外可见吸收光谱,分子紫外吸收光谱,分子可见吸收光谱,分子光谱：连续光谱 带光谱,远红外光谱,中红外光谱,紫外-可见光谱,二
2、化合物的电子光谱,一.有机化合物的电子光谱,.跃迁类型,*,*,n*n*,A.*：一般发生在远紫外线区，饱和烃类C-C键,B.*：发生在近紫外线区 200nm,C.n*：发生在远、近紫外线区之间 150nm250nm CX键，XS、N、O、Cl、Br、I 等杂原子,甲烷：max=125 nm 乙烷：max=135 nm因此该类化合物的紫外-可见吸收光谱应用价值很小。,CH2=CH2：max=165 nm、CHCH：max=173 nm 但是随着共扼体系的增大或杂原子的取代，max向长波移动;max104，是强吸收带。,CH3OH：max=183 nm、CH3NH：max=213 nm但是大多数
3、吸收峰max小于200nm。,D.n*：发生在近紫外线区与可见光区之间，是生色团中的未成键孤对电子向*轨道跃迁。属于禁阻助跃迁，max 100，是弱吸收带。,E.电荷迁移跃迁：电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁，发生在近紫外线区与可见光区之间。,吸收谱带较宽、吸收强度大、max104，是强吸收带。,电子接受体,电子接受体,电子给予体,电子给予体,A.生色团(chromophore),2.一些常用名词,是指分子中产生吸收带的主要官能团；吸收带的max210nm,属于*、n*等跃迁类型。生色团为不饱和基团：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色团吸收带的位置受相邻取代基或溶剂效应的影响，吸收
4、峰向长波或短波移动。,B.助色团(auxochrome),是指分子中的一些带有非成键电子对的基团本身在紫外-可见光区不产生吸收，但是当它与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，且吸收强度增大。-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I,C.红移(red shift or bathochromic shift),是指一些带有非成键电子对的基团与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，这种效应成为红移，该基团称为红移基团：-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-Br,E.溶剂的极性效应,溶剂的极性不同也会引起某些化合物的吸收带红移或蓝移，这种作用称为溶剂效应
5、。,无溶剂化作用,有溶剂化作用,蓝移:E n*E n*,红移:E*E*,亚异丙酮的溶剂效应,D.蓝移(hypsochromic shift),是指一些基团与某些生色团(C=O)连接后，使生色团的吸收带向短波移动，这种效应成为蓝移，该基团称为蓝移基团：-CH3、-CH2CH3、-O-COCH3,A.饱和烃及其衍生物：*、n*,3.有机化合物的电子光谱,直接用烷烃获卤代烃的吸收光谱来分析这些化合物的实用价值不大，是极好的溶剂。,*：max 150 nm,n*H2O CH3CI CH3Br CH3Imax/nm：167 173 204 258,取代元素的极性,B.不饱和烃及共轭烯烃：*、*(K 吸收
6、带),C.羰基化合物：n*(R 吸收带)、n*、*,醛、酮:n*max 270300 nm max10-20,不饱和醛酮:n*max310-330 nm max1020*max220-260 nm max10000,羧酸及其衍生物:n*存在助色团：-OH、-OR、-NH2、-Cl 形成 n 共轭，轨道降低，*轨道能量升高 n 轨道能量不受影响，因此 n*蓝移 max210nm,识别,不饱和醛酮,D.苯及其衍生物：*,max180nmmax60000,max204nmmax800,max255nmmax200,二.无机化合物的电子光谱,1.电荷迁移跃迁：与有机物类似，电子从给予体向与接受体相联系
7、的轨道上跃迁，发生在近紫外线区与可见光区之间。,hv,电子接受体,电子给予体,Mn+_Lb-,M(n-1)+_L(b-1)-,Cl-_(H2O)n,Cl _(H2O)n-,hv,Fe3+_OH-,hv,Fe3+_CNS-2+,Fe2+_OH,Fe2+_CNS2+,max104，是强吸收带,2.配位体场跃迁,A.f f 跃迁,镧系-4f,锕系-5f,由于f 轨道被具有高量子数的外层轨道所屏蔽，受外界影响较小，并且不易受外层电子有关的键合性质的影响。,max 100，是弱吸收带,因此，呈现窄带吸收,B.d d 跃迁,3.2 光吸收定律,一.Lambert Beer 定律,布格(Bouguer)和朗
8、伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系：,1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系:,A b,A c,二者的结合称为朗伯-比耳定律，其数学表达式为：,式中：A：吸光度；T:透射率；b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位molL-1；：摩尔吸光系数，单位Lmol-1cm-1；,A lgT lg（It/I0)=b c,（动画）,（动画）,.光吸收定律的表达式及其含义,.吸光度与透射率,A-lgT-lg(It/I0)=b c,T 10 A=10-b c,C,多组分混合体系中，如果各组分分
9、子之间不存在离解、聚合、化学反应等化学平衡时，其吸光度具有加合性，即：,.吸光度的加合性,3.摩尔吸光系数,吸光物质的特征常数()；在最大吸收波长max处，常以max表示。在温度和介质条件一定时，仅与吸光物质的结构与性质有关，可作为定性鉴定的参数；不随浓度c 和光程长度b 的改变而改变：b c/A。吸光能力与测定灵敏度的度量；max越大表明该物质的吸光能力越强，测定的灵敏度越高。105：超高灵敏；C=A/b=0.01/105=10-7 mol/L=(610)104：高灵敏；C=A/b=0.01/5 104=210-7 mol/L 104：不灵敏。C=A/b=0.01/104=10-6 mol/
10、L 在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,Uv-vis 吸收曲线,A-lgT b c,.吸光系数的几种表示方法,C-mol/L-摩尔吸光系数 L mol 1 cm-1,C-g/La-吸光系数 L g 1 cm-1,C-g/100 mLE1%1cm-比吸光系数100mL g1 cm-1,、a、E1%1cm之间的相互换算：,二.Beer 定律的的局限性,.仪器偏离单色光,Lambert Beer定律的前提条件之一是入射光为单色光。但实际上难以获得真正意义上的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光普通带。复合光可导致对朗伯-比耳定律的正或负偏离。,.
11、浓度的限制稀溶液,Beer定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(C 10-2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。,e.g.铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：Cr42-2H=Cr272-H2 Cr42-、Cr272-的吸光性质不同，即()不同。此时溶液pH 对测定有重要影响。,.化学偏离 恒定的化学环境,e.g.光吸收定律的假定：溶液必须使均相体系。胶体、乳胶、悬浮物、沉淀等非均相体系产生的光散射会引起对朗伯-比耳定律的偏离。,.非均
12、相体系偏离 真溶液,.最佳的吸光度测量范围,-ln T bC,dlnT-b d C,0.4343 d T/T-b d C,d C/C=0.4343 d T/(T lgT),A=-lgT 0.4343,T 0.368,C/C 100=0.4343 T/(T lgT)100=0.4343(0.01)/0.368(-0.4343)100=2.7%,最佳的吸光度范围：A0.20.8,当 T=0.01，即透射率的测量误差为1%时：,T=0.01,T=0.01,T=0.005,T=0.005,T=0.001,T=0.001,T=0.0005,T=0.0005,T=0.0001,T=0.0001,d C/C
13、=0.4343 d T/(T lgT),三.吸收光谱的表示方法,1.log nm(或埃),2.log 波数/cm-1,3.log 频率/sec-1,菲的吸收光谱,4.nm(或埃),5.A nm(或埃)最常用的谱图,6.T nm(或埃),菲的吸收光谱,3.4 紫外-可见分光光度计,一.主要组成及部件的功能,1.工作原理基仪器结构框图,光源,碘钨灯,氘灯,单色器,测量池,参比池,样品池,光电倍增管,数据处理和仪器控制,二.光源（辐射源）,1.光源的要求：,发射强度足够且稳定的连续光谱;光辐射强度随波长的变化小;有足够的使用寿命,钨灯（钨的熔点为3680K）；波长范围：3202500nm；工作温度：
14、3000K；Ihv V34,2.白炽光源,常用类型：白炽光源与气体放电光源,卤钨灯：在钨灯中加入卤化物提高白炽灯的使用寿命,3.气体放电光源,氢弧灯（氢灯）：波长范围：165350nm；氢气压力：0.25mmHg。,氘灯：内充气为氘辐射强度比起氢灯达35倍。,三.单色器:平面衍射光栅,四.检测器：PMT-前面已经介绍,光源,碘钨灯,氘灯,单色器,测量池,CCD检测器,数据处理和仪器控制,CCD 光二极管阵列检测器,五.测量池：液池、样品池、比色皿。,1.吸收池的材料,玻璃,360 nm,2.25 mm,石英,200 nm,2.5 mm,2.吸收池的形状,波长范围,3.使用注意事项,容易破碎,六
15、.紫外-可见分光光度计仪器的类型,1.单光束分光光度计,优点：结构简单、价格低廉,缺点：受光源、检测器的波动影响：不能自动记录吸收光谱。,问题：请扼要叙述在非扫描型（单光束）的紫外-可见分光光度计上，人工绘制吸光物质的UV-VIS吸收光谱过程中需要注意的事项。,波长增量的选择；改变波长都要用参比溶液调节T=100%；固定光谱通带与仪器参数；选择合适的溶液浓度与参比。,2.双光束分光光度计,优点：能自动记录吸收光谱（自动扫描）；比切光器的频率慢的光源、检测器的波动不影响；是目前用得最多的分光光度计,优点：可以测定较高浓度的样品溶液；可以扣除背景吸收（样品池、浑浊等）；比切光器的频率慢的光源、检测
16、器的波动不影响；导数吸收光谱曲线（=12nm)。,3.双波长分光光度计,A,A/,双波长分紫外-可见吸收光谱,3.4 分析条件选择,仪器测量条件吸光度测定应控制在0.434左右。通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.151.00范围内。、反应条件选择显色剂的选择原则显色剂用量 溶液酸度显色时间、温度、放置时间等,：,3.4 分析条件选择,参比液选择溶剂参比 试剂参比(不加待测物)试样参比(不能加显色剂)、干扰消除1、控制酸度：配合物稳定性与pH有关；2、选择掩蔽剂3、合适测量波长4、干扰物分离,一.定性分析,1.定性分析的依据,3.5 紫外-可见分光光度法的应用,定性分析、结构
17、分析、定量分析物理化学参数的测定：分子量、配合物的配合比与稳定参数、酸碱离解常数、化学反应动力学常数等.,2.定性分析方法,吸收光谱的形状 吸收峰的数目 max()max,A.用经验规则计算max与测定的max比较,Woodward规则：计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的*最大吸收波长的经验规则。,Scott规则：计算芳香族羰基衍生物的*最大吸收波长的经验规则。,定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色团与助色团；光谱信息在紫外-可见光谱范围重叠现象严重。,伍德沃德（Woodward）规则,1）共轭二烯最大吸收位置的计算值,母体：非环或异环二烯烃 基准值 214nm 同环二烯烃
18、253nm,延伸双键 30 环外双键 5 共轭体系上取代烷基 5 OR 6 SR 30 Cl Br 5,位移增量（nm）,2），不饱和酮最大吸收位置的计算值,六元环或非环，不饱和酮 基准值 215nm）,位移增量（nm）,同环共轭双键 39 环外双键（C=C）5 延伸双键 30,共轭体系上取代基：10；：12；位或更高位：18 OCOR：6 OH：35；：30；：50 Cl：15：12 Br：25；：30 NR2：95,D.Woodward规则 计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的*最大吸收波长的Woodward经验规则。,共轭双键=30nm,环外双键=5nm,烷基取代基=5nm,烷基取代
19、基=5nm,烷基取代基=5nm,同环二烯=253nm共轭双键=30nm环外双键=5nm烷基取代基=35nm,计算值：max=303nm测定值：max=306nm,胆甾-2,4,6-三烯,异环二烯=214nm,环外双键=5nm,烷基取代基=5nm,烷基取代基=5nm,烷基取代基=5nm,异环二烯=214nm环外双键=5nm烷基取代基=35nm,计算值：max=234nm测定值：max=234nm,位烷基取代基=10nm,-烯酮=215 nm同环二烯=39 nm 共轭双键=30 nm 环外双键=5 nm位烷基取代基=10 nm位烷基取代基=18 nm,计算值：max=317 nm测定值：max=3
20、14 nm,计算共轭烯酮的Woodward经验规则。,-烯酮=215nm,共轭双键=30nm,同环二烯=39nm,环外双键=5nm,位烷基取代基=18nm,胆甾-2,4-二烯-6-酮,F.Scott规则 计算芳香族羰基衍生物的*最大吸收波长的经验规则。,PhCOR母体=246 nm对位-OH取代基=25 nm 间位-OH取代基=7 nm,计算值：max=278 nm测定值：max=279 nm,间位-OH取代基=7nm,PhCOR母体=246nm,对位-OH取代基=25nm,PhCOR母体=246nm,间位-Br取代基=2nm,邻位-烷取代基=3nm,PhCOR母体=246 nm邻位-烷取代基
21、=3 nm间位-Br取代基=2 nm,计算值：max=251 nm测定值：max=248 nm,Sadtler.Sdandard Spectra(Ultraviolet).Heyden,London,1978.共收集了46000种化合物的紫外吸收光谱R.A.Friedel and M.Orchin,Ultraviolet Spectra of Aromatic Compounds,Wiley,New York,1951.共收集了579种芳香化合物的紫外吸收光谱Kenzo.Hirayama,Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectr
22、a of Organic Compounds,New York,Plenum,1967.M.J.Kamlet,Organic Electronic Spectra Data,Vol.1,19461952,Interscience,1960.,与标准物质吸收光谱的比较：,B.比较吸收光谱,与标准吸收光谱谱图的比较：,比较未知物与标准物质在相同化学环境与测量条件下的紫外-可见吸收光谱，若吸收光谱的形状、吸收峰的数目、max()、max完全相同，就可以确定未知物与标准物质具有相同的生色团与助色团。,与标准吸收光谱谱图的比较时注意：相同化学环境与测量条件,二.有机化合物构象与构型的确定,乙酰乙酸乙酯的
23、酮式与烯醇式互变异构:,反顺式肉桂酸max=295nm max=7000,顺式肉桂酸max=280nm max=13500,极性溶剂中形成氢键-酮式max=272nm max=16 n*,非极性溶剂中形成分子内氢键-烯醇式max=243nm max大*,反顺式肉桂酸与顺式肉桂酸UV-VIS的差异：,2MAX,1MAX,3MAX,B.光谱信息部分独立,三.定量分析,1.定量分析的依据,A-lgT-lg(It/I0)=b c,Lambert Beer 定律,A.光谱信息完全独立,1MAX,C.光谱信息重叠,解联立方程式:,根据吸光度所具有的加和性:,a,b,等吸收波长法:,A1=Aa1+Ab1,A
24、2=Aa2+Ab2,A=A1-A2=Aa1+Ab1-Aa2-Ab2 Ab2=Ab1A=Aa1-Aa2,2.相对分子量的测定,3.氢键强度的测定,Mr b C/A,C-g/L,a-吸光系数，L g 1 cm-1,要求知道：可以用与待侧物具有相同的生色团与助色团同类化合物的数值代替。,e.g.在极性溶剂水中丙酮的 n*MAX=264.5 nm E=452.96 kJ/mol 在非极性溶剂己烷中丙酮的 n*MAX=279 nm E=429.40 kJ/mol 丙酮在水中的氢键强度为：E=452.96-429.40=23.56 kJ/mol,4.高含量组分的测定示差法：方法：配制一系列待测组分的浓度相
25、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,测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则A值很大，会产生读数误差。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)。,常规法,示差法,Tx,落在测
26、量误差较大的范围,Tr,Ts,Ts,落在测量误差较小的范围,结论：示差法通过提高测量的准确度提高了方法的准确度,5、配合物组成测定1）摩尔比法(饱和法)设配合物的显色反应为：,测得n就得到了配合物的组成。,具体做法：固定cM，增加cR，并测定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值对A作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比 n。,2）等摩尔连续变化法：具体做法：保持cR+cM=c 恒定，但改变cM与cR的相对比例，若以cM/c对吸光度A作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。,6、弱酸离解常数的测定 设有一元弱酸HB，其离解反应如下：,若测出B-和HB，即可求出Ka。测定时，配制三份不同pH值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别在B-和HB的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。第三份为已知pH值的缓冲溶液，分别在B-和HB的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得B-和HB，然后按前式求出pKa或Ka。,
