9第九章 紫外吸收光谱法.ppt
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1、第九章第九章 紫外吸收光谱法紫外吸收光谱法Ultraviolet Molecular Absorption Spectrometry 利用紫外吸收光谱进行定量分析的由来已久,公元60年古希腊已知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量。这一古老的方法由于最初是运用人的眼睛来进行检测,所以叫比色法。20世纪30年代产生了第一台光电比色计,40年代出现的 BakmanUV 分光光度计,促进了新的分光光度计的发展。随着计算机的发展,紫外分光光度计已向着微型化自动化在线和多组分同时测定等方向发展。一、分子内部的运动及分子能级一、分子内部的运动及分子能级 分子光谱比原子光谱要复杂得多,在分子中,除了有电子相对
2、于原子核的运动外,还有组成分子的各原子在其平衡位置附近的振动,以及分子本身绕其重心的转动,分子总的能量可以认为是这三种运动能量之和 即:E Ee+Ev+Er 式中Ee为电子能量,Ev为振动能量,Er转动能量。分子中除了电子能级外,还有振动能级和转动能级这三种能级都是量子化的、不连续的。对于简单的双原子分子,Ee Ev Er二、能级跃迁与分子吸收光谱的类型二、能级跃迁与分子吸收光谱的类型 通常情况下,分子处于较低的能量状态,即基态。分子吸收能量具有量子化特征,即分子只能吸收等于二个能级之差的能量。如果外界给分子提供能量(如光能),分子就可能吸收能量引起能级跃迁,而由基态跃迁到激发态能级。E=E1
3、-E2=h=hc/由于三种能级跃迁所需要的能量不同,所以需要不同的波长范围的电磁辐射使其跃迁,即在不同的光学区域产生吸收光谱。1.转动能级跃迁与远红外光谱转动能级跃迁与远红外光谱 转动能级间的能量差Er约为:0.0250.003eV。可计算出 转动能级跃迁产生吸收光谱位于远红外区(50 300mm),称远红外光谱或分子转动光谱。2.振动能级振动能级 振动能级间的能量差Ev 约为:0.025eV。可计算出振动能级跃迁产生的吸收光谱位于红外区(0.7850m),称红外光谱或分子振动光谱。振动能级跃迁时不可避免地会产生转动能级间的跃迁。即振动光谱中总包含有转动能级间跃迁,因而产生光谱也叫振动-转动光
4、谱。3.电子能级电子能级 电子能级的能量差 Ee:201eV。可计算出电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区(200780nm),称紫外可见光谱或分子的电子光谱。电子能级迁时不可避免地会产生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,因而产生的谱线呈现宽谱带。紫外可见光谱实际上是电子-振动-转动光谱。应该指出,紫外光可分为近紫外光(200 400 nm)和真空紫外光(60 200 nm)。由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区(60 200 nm)均有吸收,因此在测定这一范围的光谱时,必须将光学系统抽成真空,然后充以一些惰性气体,如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研
5、究需要昂贵的真空紫外分光光度计,故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外可见分光光度法,实际上是指近紫外、可见分光光度法。三、有机化合物的紫外吸收光谱三、有机化合物的紫外吸收光谱 有机化合物此外吸收光谱(电子光谱)是由分子外层电子或价电子跃迁所产生的。按分子轨道理论,有机化合物分子中有:成键轨道,反键*轨道;成键轨道,反键轨道(不饱和烃);另外还有非键轨道(杂原子存在)。各种轨道的能级不同,如图所示。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子可见吸收光谱,是其分子中外层价电子跃迁的结果(三种):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
6、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吸收紫外或可见辐射后,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 电子跃迁类型:电子跃迁类型:1.*跃迁:跃迁:饱和烃饱和烃(甲烷,乙烷)甲烷,乙烷)E很高,很高,n *n*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
7、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,如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基系组成,如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔乙炔基、腈基基、腈基CN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
8、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。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。
9、分子中孤对电子和吸收谱带强度较弱。分子中孤对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)。vn*跃迁发生在含有杂原子的不饱和化合物中,其最大摩跃迁发生在含有杂原子的不饱和化合物中,其最大摩尔吸光系数尔吸光系数max(表示物质对光吸收能力大小的参量)比较表示物质对光吸收能力大小的参量)比较小,吸收峰随溶剂极性增加而向短波方向移动,即产生小,吸收峰随溶剂极性增加而向短波方向移动,即产生蓝移蓝移,下表列出了一些常见生色团下表列出了一些常见生色团n*跃迁的吸收特性。跃迁的吸收特性。生色团生色
10、团化合物化合物溶剂溶剂羰基羰基正己烷正己烷28016羧基羧基乙醇乙醇20441硝基硝基CH3NO2异辛烷异辛烷28022亚硝基亚硝基C4H9NO乙醚乙醚66520*跃迁可以发生在任何具有不饱和键的有机化合物分子中,跃迁可以发生在任何具有不饱和键的有机化合物分子中,其最大摩尔吸光率很大,吸收峰随溶剂极性增加向长波方向其最大摩尔吸光率很大,吸收峰随溶剂极性增加向长波方向移动,即产生移动,即产生红移红移。下表列出了一些常见生色团。下表列出了一些常见生色团*跃迁的跃迁的吸收特性。吸收特性。生色团生色团 化合物化合物溶剂溶剂羰基羰基正己烷正己烷188900烯烯正庚烷正庚烷17713000炔炔正庚烷正庚烷
11、17810000当当一个分子中含有两个或两个以上的生色团时,按相互间的位置一个分子中含有两个或两个以上的生色团时,按相互间的位置可以分为可以分为共轭共轭和和非共轭非共轭两种情况:非共轭时,各个生色团各自独两种情况:非共轭时,各个生色团各自独立吸收,吸收带由各生色团的立吸收,吸收带由各生色团的吸收带叠加吸收带叠加而成;共轭时,生色团而成;共轭时,生色团原有的原有的吸收峰会发生改变吸收峰会发生改变,可产生新的吸收峰。下表列出了一些,可产生新的吸收峰。下表列出了一些有关共轭结构的化合物的吸收特性。有关共轭结构的化合物的吸收特性。化合物化合物共轭双键数共轭双键数11955000220010000221
12、721000325425000325835000另有一些基团,本身并不产生吸收峰,但与生色团共存于同一分另有一些基团,本身并不产生吸收峰,但与生色团共存于同一分子时,可引起吸收峰的位移和吸收强度的改变,这些基团称为子时,可引起吸收峰的位移和吸收强度的改变,这些基团称为助助色团色团。如苯环的一个氢原子被一些基团取代后,苯环在。如苯环的一个氢原子被一些基团取代后,苯环在254nm处处的吸收带的最大吸收位置和强度就会改变。的吸收带的最大吸收位置和强度就会改变。化合物化合物取代基取代基苯苯254300氯苯氯苯264320溴苯溴苯262325苯酚苯酚2731780苯甲醚苯甲醚2722240 有有机机化化
13、合合物物的的吸吸收收谱谱带带常常常常因因引引入入取取代代基基或或改改变变溶溶剂剂使使最最大大吸吸收收波长波长maxmax和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化:maxmax向向长长波波方方向向移移动动称称为为红红移移,向向短短波波方方向向移移动动称称为为蓝蓝移移 (或或紫紫移移)。吸吸收收强强度度即即摩摩尔尔吸吸光光系系数数增增大大或或减减小小的的现现象象分分别别称称为为增增色色效效应应或或减色效应,如图所示。减色效应,如图所示。红移和蓝移红移和蓝移5红移和蓝移:由于化合物结构变化(共轭、引入助色团取代基)或采用不同溶剂后 吸收峰位置向长波方向的移动,叫红移(长移)吸收峰位置向短波方向移动,叫蓝
14、移(紫移,短移)6增色效应和减色效应 增色效应:吸收强度增强的效应 减色效应:吸收强度减小的效应7强带和弱带:max105 强带 min103 弱带紫外紫外可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律 若在200750nm波长范围内无吸收峰,则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),(n跃迁),则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团,如羰基。若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。若在210250nm波长范围内有强吸收
15、峰,则可能含有2个共轭双键;若在260300nm波长范围内有强吸收峰,则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。若该有机物的吸收峰延伸至可见光区,则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。无机化合物的紫外无机化合物的紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 镧系和锕系元素的离子对紫外和可见光的吸收是基于内层f电子的跃迁而产生的。其紫外可见光谱为一些狭长的特征吸收峰,这些峰几乎不受金属离子的配位环境的影响。1.电子跃迁吸收光谱电子跃迁吸收光谱 过渡金属的电子跃迁类型为d电子在不同d轨道间的跃迁,吸收紫外或可见光谱。这些峰强烈受配位环境的影响。例如 cu2+以水为配位体,吸收峰在794nm处,而以氨为配位体,吸
16、收峰在663nm处。此类光谱吸收强度弱,较少用于定量分析。2.电子跃迁吸收光谱电子跃迁吸收光谱3.3.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轨道上电荷的转移轨道上电荷的转移到配位体到配位体L的轨道,或按相反方向转移,这种跃迁称为电荷转移跃迁,所的轨道,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光谱。产生的吸收光谱称为荷移光谱。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分子的二组分,一个为电子给予体
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- 9第九章 紫外吸收光谱法 第九 紫外 吸收光谱
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