(精品)分光光度法基本原理.ppt
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1、第第10章章 紫外紫外-可见分光光度分析可见分光光度分析法法一、概述一、概述二二、紫外可见吸收光谱、紫外可见吸收光谱三、分子吸收光谱与电三、分子吸收光谱与电子跃迁子跃迁四、光的吸收定律四、光的吸收定律第一节第一节 基本原理基本原理本方法特点仪器设备和操作比较简单,费用少,分析速度快。灵敏度较高有较好的选择性精密度和准确度较高用途广泛一、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(目视法目视法)。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
2、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概述概述: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
3、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。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。光的波动性可用光是一种电磁波,具有波粒二象性。光的波动性可用波长波长、频率、频率、光速、光速c、波数(波数(cm
4、-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
5、)/nm颜色颜色互补光互补光400-450紫黄绿450-480蓝蓝黄黄480-490绿蓝绿蓝橙橙490-500蓝绿蓝绿红红500-560绿绿红紫红紫560-580黄绿黄绿紫紫580-610黄黄蓝蓝610-650橙橙绿蓝绿蓝650-760红红蓝绿蓝绿 不同颜色的可见光波长及其互补光不同颜色的可见光波长及其互补光互补色:两种波长的光按一定的比例形成无色的光,这两种波互补色:两种波长的光按一定的比例形成无色的光,这两种波 长的光称互补光长的光称互补光 黄绿光青青蓝蓝紫红白光橙青青蓝黄橙红紫蓝绿白光 物质的颜色 当一束太阳光照射某一溶液时,太阳光中某一颜色的光被吸收,其互补色光透过溶液,刺激人的眼睛,
6、使人感觉到它的颜色。例:KMnO4是紫红色,原因是KMnO4吸收了紫红色的互补色光(绿光),其互补色光紫红色透过溶液,刺激人的眼睛,使人感觉到它的颜色是紫红色。根据溶液的颜色,可以估计该溶液吸收的光的波长。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
7、互补:蓝:蓝 黄黄基态基态 激发态激发态E1 (E)E2300400500600700/nm350525 545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光谱的吸收光谱350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同。吸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)不同浓度的同一种物质,其吸收曲线形状相似形状相似max不变。而对于不同物质,它们的不变。而对于不同物质,它们的吸收曲线形状和吸
8、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)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。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处吸光度处吸光度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。收曲线是定量分析中选择入射光波长的重
9、要依据。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、转动能量Er 即即 E
10、Ee+Ev+Er evr 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。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,跃迁跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱;产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
11、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;生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。电子跃迁产生电子跃迁产生的吸收光谱在紫外的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可见光谱或分子的电子光谱子光谱讨论: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)吸收光谱的波长分布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,是物质定性能量差所决定,
12、反映了分子内部能级分布状况,是物质定性的依据。的依据。1 (5 5)吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关,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吸光系数尔吸光系数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有时可能有时可能相同,但相同,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,)吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比,定量分析的依据。定量分析的依据。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
13、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。四种主要跃迁所需能量跃迁。四种主要跃迁所需能量大小顺
14、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。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
15、溶剂环己烷)。有机化合物的吸收带R吸收带:生色团的n 跃迁所产生,由于值较小,有时被附近的强吸收带所掩蔽。K吸收带:是由跃迁所产生的,含有共轭生色团的化合物其光谱都出现这类吸收带。B吸收带:芳香族化合物的特征吸收带。230。E吸收带:也是芳香族化合物的特征吸收带。其值为2000。180nm(E1)和200nm(E2)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
16、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、乙炔乙炔基、腈基基、腈基C三三N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
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