紫外-可见吸收光谱法基本原理.ppt

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1、第二章第二章 紫外可见吸收光谱法分析法紫外可见吸收光谱法分析法第一节第一节 基本原理基本原理一、概述一、概述二、紫外二、紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 三、光的吸收定律三、光的吸收定律 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。光是一种电磁波，具有波粒二象性。单色光：单一波长的光单色光：单一波长的光(由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成)白光：由各种单色光组成的复合光白光：由各种单色光组成的复合光一、概述一、概述白光紫绿红橙蓝青蓝青黄光的光的互补示意图互补示意图白光白光表表2-1 物质颜色和吸收光颜色之间的关系物质颜色和吸收光颜色之间的关系 物质颜色物质颜色吸吸 收收

2、 光光颜色颜色波长范围波长范围/nm黄绿黄绿紫紫400-450黄黄蓝蓝450-480橙橙绿蓝绿蓝480-490红红蓝绿蓝绿490-500紫红紫红绿绿500-560紫紫黄绿黄绿560-580蓝蓝黄黄580-600绿蓝绿蓝橙橙600-650蓝绿蓝绿红红650-700 在在光光谱谱分分析析中中，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的分析方法称为分析方法称为吸光光度法吸光光度法。1.1.定义定义 光光谱谱分分析析法法是是指指在在光光的的作作用用下下，通通过过测测量量物物质质产产生生的的发发射射光、吸收光或散射光的光、吸收光或散射光的波长波长和和强度强度来进行分析的方法

3、。来进行分析的方法。本章主要讲授本章主要讲授紫外紫外-可见吸光光度法可见吸光光度法。二二、紫外紫外可见吸收光谱分析法可见吸收光谱分析法2.2.物质对光的选择性吸收及其吸收曲线物质对光的选择性吸收及其吸收曲线 E E=E E2 2 -E E1 1=h h 量子化；选择性吸收量子化；选择性吸收;分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；用不同波长的用不同波长的单色光单色光照射，照射，吸收曲线吸收曲线测吸光度与吸收波测吸光度与吸收波长之间的关系长之间的关系。M +M +h h M M*基态基态 激发态激发态E E1 1 （E E）E E2 2吸收

4、曲线的讨论：吸收曲线的讨论：（1 1）同一种物质对不同波长的光）同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最大处对应的的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为波长称为最大吸收波长最大吸收波长maxmax（2 2）不同浓度的同一种物质，其吸）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，收曲线形状相似，maxmax不变。而对不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和于不同物质，它们的吸收曲线形状和maxmax则不同。则不同。（3 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 4）不同浓度的同一种物质，在每一波长

5、下吸光度）不同浓度的同一种物质，在每一波长下吸光度 A A 有差异，在有差异，在maxmax处吸处吸光度光度A A 的差异最大的差异最大，所以测定最灵敏，所以测定最灵敏，此特性可作为物质定量分析的依据。此特性可作为物质定量分析的依据。3.3.紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱与与电子跃迁电子跃迁的关系的关系 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

6、有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是三种能级都是量子化量子化的，且各自具有相应的能量。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、转动能量Er 即即 E Ee+Ev+Er evr 紫外紫外-可见光谱属于可见光谱属于电子跃迁光谱。电子跃迁光谱。电子能级间跃迁的电子能级间跃迁的同时总伴随有振动和转同时总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现产生的若干谱线而呈现宽谱带。宽谱带。能级跃迁能级跃迁吸收光谱与电

7、子跃迁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，是其分子中外层价电可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：子跃迁的结果（三种）：电子、电子、电子、电子、n n电子电子。分子轨道理论：分子轨道理论：一个成键轨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。通常外层电子均处于分道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。或非键轨道上。外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态外层电子吸收紫外或可见光后，就从基态向激发态(反反键轨道键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能

8、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 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。跃迁。饱和烷烃饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长吸收波长200nm200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的。如甲烷的为为125125nm,nm,乙烷乙烷maxmax为为135135nmnm。n n 跃迁跃迁 所需能量较大。吸收波长为所需能量较大。吸收波长为150150250250nmnm，大部分在远紫外大部分在远紫外区，近紫外区仍不易

9、观察到。含区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子非键电子的饱和烃衍生物的饱和烃衍生物(含含N N、O O、S S和卤素等杂原子和卤素等杂原子)均呈现均呈现n n*跃迁。如一氯甲烷、甲跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺醇、三甲基胺n n*跃迁的跃迁的分别为分别为173173nmnm、183nm183nm和和227227nmnm。n n 200nm200nm。这类跃迁在跃迁选律这类跃迁在跃迁选律上属于上属于禁阻禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为跃迁，摩尔吸光系数一般为1010100100LmolLmol-1-1cmcm-1 1，吸收谱带强度较弱。吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和分子中孤对电子和键键同时存在

10、，同同时存在，同时发生时发生n n 跃迁。丙酮跃迁。丙酮n n 跃迁的跃迁的为为275275nm,nm,maxmax为为22 22 LmolLmol-1-1 cm cm-1-1（溶剂环己烷溶剂环己烷)。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 n跃迁产生跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团不饱和基团。这类这类含有含有键等不饱和基团称为键等不饱和基团称为生色团生色团。简单的生色团由双键或简单的生色团由双键或叁键体系组成，叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基如乙烯基、羰基、亚硝基

11、、偶氮基-N-NN-N-、乙炔基、腈基乙炔基、腈基-C-CN N等等。助色团助色团：有一些含有有一些含有n n电子的基团电子的基团(如如-OHOH、-OR-OR、-NH-NH、-NHR-NHR、-X-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，但当它们与生色团相连时，就会发生它们与生色团相连时，就会发生n n-共轭作用，增强生色团共轭作用，增强生色团的生色能力的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为这样的基团称为助色团助色团。红移红移和和蓝移蓝移 有机化合物的吸收谱带

12、常常因有机化合物的吸收谱带常常因引入引入取代基取代基或改变或改变溶剂溶剂使最大吸收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。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。4.定性和定量分析依据定性和定量分析依据（1 1）定性分析依据）定性分析依据：可根据吸收光谱曲线的形状，即曲线上吸收可根据吸收光谱曲线的形状，即曲线上吸收峰的数峰的数目目，峰所对应的，峰所对应的

13、波长波长及及峰的相对高度峰的相对高度来进行定性分析。来进行定性分析。（2 2）定量分析的依据）定量分析的依据：根据某一特征根据某一特征峰的高度峰的高度与与物质浓度物质浓度成成正比正比的关系来的关系来进行定量分析。进行定量分析。Alg(I0/It)=b c 三、三、光的吸收定律光的吸收定律 1.1.朗白朗白-比尔定律比尔定律 布格布格(BouguerBouguer)和朗伯和朗伯(Lambert)Lambert)先后于先后于17291729年和年和17601760年阐年阐明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。A A b b 18521852年比尔年比尔(Beer)

14、Beer)又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之间的关系。间的关系。A A c c 二者的结合称为二者的结合称为朗伯朗伯-比尔定律比尔定律 A=b c 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；（A无单位无单位）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-1；：摩摩尔尔吸吸光光系系数数，单单位位Lmol-1cm-1；在在数数值值上上等等于于浓浓度度为为1mol/L、液层厚度为液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸

15、光度；时该溶液在某一波长下的吸光度；或或:Alg(I0/It)a b c （A无单位无单位）c：溶液的浓度，单位溶液的浓度，单位 gL-1 a：吸吸光光系系数数，单单位位 Lg-1cm-1，相相当当于于浓浓度度为为1g/L、液液层层厚厚度为度为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。朗伯朗伯比尔定律数学表达式比尔定律数学表达式摩尔吸收系数摩尔吸收系数的讨论的讨论（1）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时该溶液在时该溶液在某一波长下的吸光度。某一波长下的吸光度。（2 2）吸收物质是在一定吸收物质是在一定温度温度、波长波长和和溶剂

16、溶剂条件下的条件下的特征常数。特征常数。（3 3）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。仅与吸收物质本仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；身的性质有关，与待测物浓度无关；（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。在最大吸收波值是不同的。在最大吸收波长长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表明了该表明了该吸收物质吸收物质最大限度的吸光能力最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。大灵敏度。（5 5）max越大表明该物质的吸光能

17、力越强，用光度法测定该物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。质的灵敏度越高。通常，在通常，在通常，在通常，在maxmax处：处：处：处：10 105 5 超高灵敏的方法超高灵敏的方法超高灵敏的方法超高灵敏的方法 （6 61010）10104 4 高灵敏的方法高灵敏的方法高灵敏的方法高灵敏的方法 （2 26 6）10 104 4 中灵敏的方法中灵敏的方法中灵敏的方法中灵敏的方法 2 10 2 104 4 不灵敏的方法不灵敏的方法不灵敏的方法不灵敏的方法（6）可作为定性鉴定的参数；可作为定性鉴定的参数；透过度透过度T T:描述入射光透过描述入射光透过溶液的程度溶液的程度:

18、T=I T=It /I/I0 0吸光度吸光度A A与透光度与透光度T T的关系的关系:A A=-lgTlgT 朗伯朗伯-比尔定律比尔定律是是吸光光度法吸光光度法的理论基础和的理论基础和定量测定定量测定的依据。应的依据。应用于各种光度法的吸收测量。用于各种光度法的吸收测量。2.2.透光度透光度T T应用举例应用举例 某有色物质溶液的浓度为某有色物质溶液的浓度为4.5104.510-3-3gLgL-1-1,在在530nm530nm波长下用波长下用2.0cm2.0cm的吸收池所测得的吸光度为的吸收池所测得的吸光度为0.3000.300，试计算，试计算 （a a）吸收系数；）吸收系数；（b)b)使用使

19、用5cm5cm的吸收池时溶液的百分透光度。的吸收池时溶液的百分透光度。解：解：应用举例应用举例 某有色物质溶液的浓度为某有色物质溶液的浓度为4.5104.510-3-3gLgL-1-1,在在530nm530nm波长下用波长下用2.0cm2.0cm的吸收池所测得的吸光度为的吸收池所测得的吸光度为0.3000.300，试计算，试计算(a)(a)吸收系数；吸收系数；(b)(b)使用使用5cm5cm的吸收池时溶液的的吸收池时溶液的百分透光度。百分透光度。解：解：（a a）a=A/a=A/bcbc=0.300/2.04.510=0.300/2.04.510-3-3=33.3Lg=33.3Lg-1-1cm

20、cm-1-1（b b）T=10T=10-abc-abc=10=10-A-A T%=10 T%=10-abc-abc100100=10=10-A-A100100=17.81=17.813.3.朗伯朗伯-比尔定律比尔定律偏离偏离的原因的原因 标准曲线法测定未知溶液的浓度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时，发现：标准曲线常发生弯曲(尤尤其当溶液浓度较高时其当溶液浓度较高时)，这种现象称，这种现象称为对朗伯为对朗伯-比尔定律的偏离。比尔定律的偏离。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）物理性因素，物理性因素，（2 2）化学性因素。化学性因素。（1

21、 1）物理性因素物理性因素朗白朗白-比尔定律的前提条件之一是入射光为比尔定律的前提条件之一是入射光为单色光单色光。难以获得真正的纯单色光难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近似于单色的狭窄光带。复合光可导分光光度计只能获得近似于单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯致对朗伯-比尔定律的正或负偏离。比尔定律的正或负偏离。非单色光非单色光、杂散光杂散光、非平行入射光非平行入射光都都会引起对会引起对朗白朗白-比尔定律比尔定律的偏离，最主要的的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。是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

22、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 1 lg(o1/t1）1bc A 2 lg(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 A总总 lg(Io总总/It总总)lg(Io1+Io2)/(It1+It2）lg(Io1+Io2)/(Io110-1bc+Io210-2bc

23、)令：令：2 1 ；Io1 Io2 A总总 lg(2Io1)/It1(110-bc)A1+lg2-lg(110-bc)讨论如下: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，则标准曲线偏离直线向值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c 轴弯曲，即轴弯曲，即负偏离负偏离；反之，则向；反之，则向A轴弯曲，即轴弯曲，即正偏离。正偏离。讨论讨论:A A总总=A A1 1+lg2-lg(1+lg2-lg(11010-bcbc )(3)(3)很小时，即很小时，即1 12

24、 2：可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度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，即使较高，即使很小，很小，A A总总1 1 ，且随着，且随着c c值增大，值增大，A A总总与与A A1 1的差的差异愈大，在图上则表现为异愈大，在图上则表现为A-cA-c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。故故朗伯朗伯-比尔定律只适用于稀溶液比尔定律只适用于稀溶液。(4)(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射光波长选定在待测物质的此外还应将入射光波长选定在待测物质的

25、最大吸收波长最大吸收波长且吸收曲线且吸收曲线较较平坦处平坦处。(2)(2)化学性因素化学性因素 朗白朗白-比尔定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作比尔定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用用；此假定只有在稀溶液；此假定只有在稀溶液(c c 1010 10-2 2 mol/L mol/L 时，吸光质点间可能发生时，吸光质点间可能发生缔合缔合等相等相互作用，直接影响了对光的吸收。互作用，直接影响了对光的吸收。故：朗伯故：朗伯-比尔定律只适用于稀溶液比尔定律只适用于稀溶液。溶液中存在着溶液中存在着离解离解、聚合聚合、互变异构互变异构、配合物的形成配合物的形成等化学等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。例：铬酸盐和重铬酸盐溶液中存在下列平衡：例：铬酸盐和重铬酸盐溶液中存在下列平衡：CrOCrO4 42-2-2 2H H =Cr Cr2 2O O7 72-2-H H2 2O O 溶液中溶液中CrOCrO4 42-2-、CrCr2 2O O7 72-2-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液时溶液pHpH对测定有重要影响。对测定有重要影响。