紫外可见分光光度分析法精品文稿.ppt

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1、紫外可见分光光度分析法第1页，本讲稿共30页一、概述一、概述 基基于于物物质质光光化化学学性性质质而而建建立立起起来来的的分分析析方方法法称称之之为为光光化化学分析法。学分析法。分为分为:光谱分析法和非光谱分析法。光谱分析法和非光谱分析法。光光谱谱分分析析法法是是指指在在光光（或或其其它它能能量量）的的作作用用下下，通通过过测测量量物物质质产产生生的的发发射射光光、吸吸收收光光或或散散射射光光的的波波长长和和强强度度来来进进行行分析的方法。分析的方法。吸收光谱分析吸收光谱分析发射光谱分析发射光谱分析分子光谱分析分子光谱分析原子光谱分析原子光谱分析第2页，本讲稿共30页概述概述:在在光光谱谱分分

2、析析中中，依依据据物物质质对对光光的的选选择择性性吸吸收收而而建建立立起起来来的分析方法称为吸光光度法的分析方法称为吸光光度法,主要有主要有:红红外外吸吸收收光光谱谱：分分子子振振动动光光谱谱，吸吸收收光光波波长长范范围围2.5 1000 m,主要用于有机化合物结构鉴定。主要用于有机化合物结构鉴定。紫紫外外吸吸收收光光谱谱：电电子子跃跃迁迁光光谱谱，吸吸收收光光波波长长范范围围200 400 nm（近紫外区）近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。，可用于结构鉴定和定量分析。可可见见吸吸收收光光谱谱：电电子子跃跃迁迁光光谱谱，吸吸收收光光波波长长范范围围400 750 nm，主要用于有色物质的定

3、量分析。主要用于有色物质的定量分析。本章主要讲授紫外可见吸光光度法。本章主要讲授紫外可见吸光光度法。第3页，本讲稿共30页二、紫外可见吸收光谱二、紫外可见吸收光谱 1 1光的基本性质光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长长、频率、频率、光速、光速c、波数（波数（cm-1）等参数来描述：等参数来描述：=c ；波数波数=1/=/c 光是由光子流组成，光子的能量：光是由光子流组成，光子的能量：E=h =h c/（Planck常数：常数：h=6.626 10-34 J S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。光的波长越短（频率

4、越高），其能量越大。白光白光(太阳光太阳光)：由各种单色光组成的复合光：由各种单色光组成的复合光 单色光单色光：单波长的光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成)可见光区可见光区：400-750 nm 紫外光区紫外光区：近紫外区：近紫外区200-400 nm 远紫外区远紫外区10-200 nm（真空紫外区）真空紫外区）第4页，本讲稿共30页2.2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线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 量子化量子化；选择性吸收；选择性吸收;分子结构的复杂性使其对不同波分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；长光的

5、吸收程度不同；用不同波长的单色光照射，测吸光用不同波长的单色光照射，测吸光度度 吸收曲线与最大吸收波长吸收曲线与最大吸收波长 max；M +h M*光的互补光的互补：蓝：蓝 黄黄基态基态 激发态激发态E1 （E）E2第5页，本讲稿共30页吸收曲线的讨论：吸收曲线的讨论：（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸）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光度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大吸收波长max （2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似）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不变。而对于不同物质，它们的吸

6、收曲线形状和max则不同。则不同。（动画动画）（3）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。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。（4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在有差异，在max处处吸光度吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。（5）在在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。量分析中选择入射光波长的重要

7、依据。第6页，本讲稿共30页3.3.紫外紫外可见分子吸收光谱与电子跃迁可见分子吸收光谱与电子跃迁 物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动）电子相对于原子核的运动 （2）原子核在其平衡位置附近的相对振动）原子核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：电子能量分子的内能：电子能量Ee、振动能量振动能量Ev、转动能量、转

8、动能量Er 即即 EEe+Ev+Er evr 第7页，本讲稿共30页能级跃迁能级跃迁 紫外紫外-可见光谱属于电子可见光谱属于电子跃迁光谱。跃迁光谱。电子能级电子能级间跃迁的同时间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。宽谱带。第8页，本讲稿共30页讨论：讨论：1（1 1）转动能级间的能量差）转动能级间的能量差E Er r：0.0050.0050.0500.050eVeV，跃迁产跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动

9、光谱；生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；1（2 2）振动能级的能量差）振动能级的能量差E Ev v约为：约为：0.050.05eVeV，跃迁产生跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；1（3 3）电子能级的能量差）电子能级的能量差E Ee e较大较大1 12020eVeV。电子跃迁产生的电子跃迁产生的吸收光谱在紫外吸收光谱在紫外 可见光区，紫外可见光区，紫外 可见光谱或分子的电子可见光谱或分子的电子光谱光谱第9页，本讲稿共30页讨论：讨论：1 （4 4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能）吸收光谱的波长分布

10、是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。依据。1 （5 5）吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数吸光系数max也作为定性的依据。也作为定性的依据。不同物质的不同物质的max有时可能相有时可能相同，但同，但max不一定相同不一定相同；1 （6 6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正

11、比，定量分析的依据。量分析的依据。第10页，本讲稿共30页三、分子吸收光谱与电子跃迁三、分子吸收光谱与电子跃迁1 1紫外紫外 可见吸收光谱可见吸收光谱 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：电子跃迁的结果（三种）：电子、电子、电子、电子、n电子电子。分子轨道理论分子轨道理论：一个成一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。轨道或非键轨道上。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态外层电子

12、吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为：大小顺序为：n n n n 第11页，本讲稿共30页跃迁跃迁 所需能量最大，所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生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跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长吸收波长200nm。这类跃迁在跃迁选律这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100 Lmol-1 cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和吸收谱带强度较弱。分子中孤对

13、电子和键同时存在键同时存在时发生时发生n 跃迁。丙酮跃迁。丙酮n 跃迁的跃迁的为为275nm max为为22 Lmol-1 cm-1（溶剂环己烷溶剂环己烷)。第13页，本讲稿共30页生色团与助色团生色团与助色团生色团：生色团：最有用的紫外最有用的紫外可见光谱是由可见光谱是由和和n跃迁产生的。跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔乙

14、炔基、腈基基、腈基CN等等。助色团：有一些含有有一些含有n n电子的基团电子的基团(如如 OH、OR、NH、NHR、X等等)，它们本身没有生色功能它们本身没有生色功能(不能吸收不能吸收200nm200nm的光的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生，但当它们与生色团相连时，就会发生n n共轭作用，共轭作用，增强生色团的生色能力增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加度增加)，这样的基团称为助色团。，这样的基团称为助色团。第14页，本讲稿共30页红移与红移与蓝移蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因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

15、吸收引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长波长maxmax和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化:maxmax向长波方向移动称为红移，向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移向短波方向移动称为蓝移(或紫移或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数。吸收强度即摩尔吸光系数增增大或减小的现象分别称为增色效应大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。或减色效应，如图所示。第15页，本讲稿共30页2.2.金属配合物的紫外金属配合物的紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子离金属离子(水合离子水合离子)和配位

16、体本身的颜色。金属配合物的和配位体本身的颜色。金属配合物的生色机理主要有三种类型：生色机理主要有三种类型：配位体微扰的金属离子配位体微扰的金属离子d d一一d d电子跃迁和电子跃迁和一一电子跃迁电子跃迁 摩尔吸收系数摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。很小，对定量分析意义不大。金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子微扰的配位体内电子跃迁 金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若静电引力结合，变化一般很小。若变化与成键性质有关，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合，则变化非常明显。共价键和配位键结合

17、，则变化非常明显。电荷转移吸收光谱电荷转移吸收光谱 在分光光度法中具有重要意义。在分光光度法中具有重要意义。第16页，本讲稿共30页电荷转移吸收光谱电荷转移吸收光谱1 当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配位体轨道上电荷的转移到配位体L的的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。光谱。1 电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱

18、的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。1 电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大(10 4左右左右)，适宜于微量金属的检出和测定。，适宜于微量金属的检出和测定。1 电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。与电荷转移的难易程度有关。例：例：Fe3与与SCN形成血红色配合物，在形成血红色配合物，在

19、490nm处有强吸收峰。其实质是发生了处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：如下反应：Fe3 SCN h=Fe SCN 2 第17页，本讲稿共30页四、光的吸收定律四、光的吸收定律 1.1.朗伯朗伯 比耳定律比耳定律 布格布格(Bouguer)Bouguer)和朗伯和朗伯(Lambert)Lambert)先后于先后于17291729年和年和17601760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A Ab b （动画（动画1）（动画（动画2）18521852年比耳年比耳(Beer)Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也

20、具有类似的关系。浓度之间也具有类似的关系。A A c c 二者的结合称为朗伯二者的结合称为朗伯 比耳定律，其数学表达式为：比耳定律，其数学表达式为：第18页，本讲稿共30页朗伯朗伯比耳定律数学表达式比耳定律数学表达式 Alg（I0/It)=b c 式中式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；吸光度；描述溶液对光的吸收程度；b：液层厚度液层厚度(光程长度光程长度)，通常以，通常以cm为单位；为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位溶液的摩尔浓度，单位molL；：摩尔吸光系数，单位摩尔吸光系数，单位Lmolcm；或或:Alg（I0/It)=a b c c：溶液的浓度，单位溶液的浓度，单位gL a：吸光系数

21、，单位吸光系数，单位Lgcm a与与的关系为：的关系为：a=/M （M为摩尔质量）为摩尔质量）第19页，本讲稿共30页透光度透光度(透光率透光率)T T透过度透过度T:描述入射光透过溶液的程度描述入射光透过溶液的程度:T=I t /I0吸光度吸光度A与透光度与透光度T的关系的关系:A lg T 朗伯朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数摩尔吸光系数在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度液层厚度为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；时该溶液在某

22、一波长下的吸光度；吸光系数吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为相当于浓度为1 g/L、液层厚度液层厚度为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。第20页，本讲稿共30页2.2.摩尔吸光系数摩尔吸光系数的讨论的讨论 （1 1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数特征常数；（2 2）不随浓度不随浓度c c和光程长度和光程长度b b的改变而改变的改变而改变。在温度和波。在温度和波长等条件一定时，长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；物浓度无关；（3 3）可作为）可作为定性鉴

23、定的参数定性鉴定的参数；（4）同一吸收物质在不同波长下的同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大值是不同的。在最大吸收波长吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以处的摩尔吸光系数，常以max表示。表示。max表明了表明了该该吸收物质最大限度的吸光能力吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。质可能达到的最大灵敏度。第21页，本讲稿共30页摩尔吸光系数摩尔吸光系数的讨论的讨论（5 5）max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。该物质的灵敏度越高。105：超高灵敏；：超高灵敏

24、；=(610）104：高灵敏；：高灵敏；2104 ：不灵敏。：不灵敏。（6）在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为液层厚度为1cm时该时该溶液在某一波长下的吸光度。溶液在某一波长下的吸光度。第22页，本讲稿共30页3.3.偏离朗伯偏离朗伯比耳定律的原因比耳定律的原因 标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯朗伯 比耳定律的偏离。比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：引起这种偏离的因素（两大类）：（1 1）物理性

25、因素，即仪器的非理想引起的；）物理性因素，即仪器的非理想引起的；（2 2）化学性因素。）化学性因素。第23页，本讲稿共30页（1）物理性因素物理性因素 难以获得真正的纯单色光难以获得真正的纯单色光。朗朗 比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯致对朗伯 比耳定律的正或负偏离。比耳定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯光都会引起对朗伯 比耳定律的偏离，比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起最主

26、要的是非单色光作为入射光引起的偏离的偏离。第24页，本讲稿共30页非单色光作为入射光引起的偏离非单色光作为入射光引起的偏离 假设由波长为假设由波长为1和和2的两单色光的两单色光组成的入射光通过浓度为组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：的溶液，则：A 1lg（o1/t1）1bc A 2lg(o2/t2）2bc故：故：式中：式中：o1、o2分别为分别为1、2 的入射光强度；的入射光强度；t1、t2分别为分别为1、2 的透射光强度；的透射光强度；1、2分别为分别为1、2的摩尔吸光系数；的摩尔吸光系数；因实际上只能测总吸光度因实际上只能测总吸光度A总总，并不能分别测得，并不能分别测得A1和和A2，故故

27、第25页，本讲稿共30页 A总总 lg（o总总/t总总)lg(Io1+o2)/(t1+t2）lg(Io1+o2)/(o110-1bc+o210-2bc）令：令：1-2 ；设：设：o1 o2 A总总 lg(2Io1)/t1(110-bc）A 1+lg2-lg(110-bc)讨论:因实际上只能测总吸光度因实际上只能测总吸光度A总总，并不能分别测得，并不能分别测得A1和和A2，故：故：第26页，本讲稿共30页讨论讨论:A总总=A1+lg2-lg(110 bc)(1)=0；即：即：1=2=则：则：A总 lg（o/t）bc(2)0 若若 0；即即 20,lg(110 bc)值随值随c值增大而增大，则标准

28、曲线偏离直值增大而增大，则标准曲线偏离直线向线向c 轴弯曲，即负偏离；反之，则向轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。轴弯曲，即正偏离。第27页，本讲稿共30页讨论讨论:A总总=A1+lg2-lg(110 bc)(3)很小时，即很小时，即12：可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使浓度较高，即使 很小，很小，A总总 1，且随着，且随着c值增大，值增大，A总总 与与A 1的差异愈大，在图上则表现为的差异愈大，在图上则表现为Ac曲线上部曲线上部(高浓度区高浓度区)弯曲愈严重。弯曲愈严重。故朗伯故朗伯比耳定律只适用

29、于稀溶液比耳定律只适用于稀溶液。(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。收曲线较平坦处。第28页，本讲稿共30页(2)(2)化学性因素化学性因素 朗朗比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；作用；假定只有在稀溶液假定只有在稀溶液(c10 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等时，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。相互作用，直接影响

30、了对光的吸收。故：朗伯故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液比耳定律只适用于稀溶液。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等溶液中存在着离解、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。化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。例：例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：CrO42-2H=Cr2O72-H2O 溶液中溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液同。故此时溶液pH 对测定有重要影响。对测定有重要影响。第29页，本讲稿共30页请选择内容：请选择内容：第一节第一节 基本原理基本原理第二节第二节 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计第三节第三节 显色与测量条件的选择显色与测量条件的选择第四节第四节 分光光度测定方法分光光度测定方法第五节第五节 有机合物紫外光谱解析有机合物紫外光谱解析结束结束第30页，本讲稿共30页