紫外-可見分子吸收光譜法

1、 紫外紫外- -可見分子吸收光譜法可見分子吸收光譜法 概述 通過(guò)測(cè)定分子對(duì)紫外-可見光的吸收對(duì)物質(zhì)進(jìn) 行定性和定量分析。 ：190750nm 一、紫外-可見吸收光譜 最大吸收峰最大吸收峰 吸收光譜又稱吸收曲線，是以入射光的波長(zhǎng) 為橫坐標(biāo)，以吸光度a為縱坐標(biāo)所繪制的a-曲線。 1、有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜 從化學(xué)鍵的性質(zhì)看，與紫外-可見吸收光 譜有關(guān)的價(jià)電子主要有三種： 電子 ， 電子 ， n 電子（孤對(duì)電子）。 根據(jù)分子軌道理論，這三種電子的能級(jí)高 低為： n * 104 l mol-1 cm-1 ，為強(qiáng)吸收帶。 例如：含有電子的基團(tuán)： （3） n *躍遷： 近紫外-可見光區(qū)， 104

2、l mol-1 cm-1 2、無(wú)機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜 （1） 電荷轉(zhuǎn)移躍遷： 許多無(wú)機(jī)絡(luò)合物也有電荷轉(zhuǎn)移躍遷 m-中心離子：電子接受體 l-配體：電子給予體 mn+lb-m(n-1) +l(b-1) - h 不少過(guò)渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng) 所生成的絡(luò)合物以及吸收許多水合無(wú)機(jī)離子， 均可產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移躍遷。 例如： 一些具有d10電子結(jié)構(gòu)的過(guò)渡元素所形成的鹵化 物及硫化物，如agbr、pbi2、hgs等，也可產(chǎn)生荷 移光譜。 fescn2+電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜圖 荷移光譜的波長(zhǎng)位置，取決于電子給予體和 電子接受體相應(yīng)的電子軌道的能量差。 中心離子氧化能力越強(qiáng)， 或配體的還原能力越強(qiáng)，則

3、電荷轉(zhuǎn)移躍遷時(shí)所需的能量越小，吸收光譜波長(zhǎng)紅移。 電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜的摩爾吸光系數(shù)較大， 一般 max 104 l mol-1 cm-1 （2） 配位場(chǎng)躍遷： 元素周期表中第4、第5 周期過(guò)渡元素分別含有 3d和4d軌道，鑭系和錒系分別含有4f和5f軌道。 這些軌道的能量通常是相等的。 但在絡(luò)合物中，由于配體的影響，過(guò)渡元素的 d軌道，及鑭系和錒系元素的f軌道分別分裂成幾 組能量不等的d軌道及f軌道。如果軌道是未充滿 的，當(dāng)它們的吸收光能后，可產(chǎn)生d-d躍遷和f-f躍 遷。由于這兩類躍遷必須在配體的配位場(chǎng)的作用 下才有可能產(chǎn)生，因此又稱配位場(chǎng)躍遷。 摩爾吸光系數(shù)小， max 100 l mol-

4、1 cm-1 ，光譜一般位于可見光區(qū) 3、常用術(shù)語(yǔ) （1） 生色團(tuán) 生色團(tuán)是指分子中能吸收紫外或可見光的 基團(tuán)，它實(shí)際上是一些具有不飽和鍵和含有 孤對(duì)電子的基團(tuán)。 例如： 如化合物分子含有數(shù)個(gè)生色團(tuán)，但它們之 間無(wú)共軛作用，那么吸收光譜將包含這些個(gè) 別生色團(tuán)原有的吸收帶。 如兩個(gè)生色團(tuán)彼此相鄰形成共軛體系，那 么原來(lái)各自生色團(tuán)的吸收帶就會(huì)消失，同時(shí) 會(huì)出現(xiàn)新的吸收帶。 （2） 助色團(tuán) 助色團(tuán)是指本身不產(chǎn)生吸收峰，但與生色團(tuán) 相連時(shí)，能使生色團(tuán)的吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)， 并使其吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的基團(tuán)。 例如： nh2 、oh 、or 、sh 、sr 、cl 、br等 （3） 紅移和藍(lán)移 在有機(jī)化合物中

5、，常常因取代基的變更或溶 劑的改變，使其吸收帶的最大吸收波長(zhǎng) 發(fā)生 移動(dòng)。 max 向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱為紅移 max 向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移 max （4） 增色效應(yīng)和減色效應(yīng) 最大吸收帶的max增加，稱為增色效應(yīng) 最大吸收帶的max減小，稱為減色效應(yīng) （5） 強(qiáng)帶和弱帶 （6） r帶 含雜原子的生色團(tuán)的躍遷所產(chǎn)生的吸收 帶。 例如： 特點(diǎn)： 強(qiáng)度弱，一般 100 l mol-1 cm-1 ； 吸收峰通常位于200400nm之間。 （7） k帶 由共軛體系的躍遷產(chǎn)生的吸收帶。 特點(diǎn)： 強(qiáng)度大，一般 104 l mol-1 cm-1 ； 吸收峰一般處于217280nm范圍內(nèi)； k帶的波長(zhǎng)及強(qiáng)度與共

6、軛體系的數(shù)目、位 置、取代基的種類有關(guān)。 共軛體系加長(zhǎng)，增加，強(qiáng)度增加。 （8） b帶 由芳香族化合物的躍遷而產(chǎn)生的精 細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶。 例如： 苯的b帶： 摩爾吸光系數(shù)：200 l mol-1 cm-1 吸收峰的位置：230270nm之間 （9） e帶 芳香族化合物的躍遷所產(chǎn)生的吸收帶， 也是芳香族的特征吸收峰。 苯的紫外吸收光譜 4、影響紫外-可見吸收光譜的因素 分子中價(jià)電子的能級(jí)躍遷； 分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 外部環(huán)境。 （1） 共軛效應(yīng) 共軛不飽和鍵越多 紅移越明顯 吸收強(qiáng)度增強(qiáng) 共軛效應(yīng)使共軛體系形成大鍵，結(jié)果使各能 級(jí)間的能量差減小，從而躍遷所需能量減小，使 吸收波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移。 （2） 溶

7、劑效應(yīng) a. 溶劑極性對(duì)光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響 溶劑極性增加 溶劑與溶質(zhì)之相互作用增強(qiáng) 溶質(zhì)分子的振動(dòng)受到限制 振動(dòng)引起的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失 /nm h cn n n n c h 對(duì)稱四嗪 水中 環(huán)己烷中 蒸汽中 500555 對(duì)稱四嗪的吸收光譜 b. 溶劑極性對(duì)躍遷譜帶的影響 溶劑極性增大時(shí)，由躍遷產(chǎn)生的吸收 帶發(fā)生紅移。 c. 溶劑極性對(duì)躍遷譜帶的影響 溶劑極性增大，由躍遷產(chǎn)生的吸收譜 帶發(fā)生藍(lán)移。 max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水) *230238237243 n*329315309305 躍遷類型 溶劑極性對(duì)異丙叉丙酮的*和n*躍遷譜帶的影響 d. 溶劑的選擇 盡量選用非極

8、性溶劑或低極性溶劑； 能很好的溶解被測(cè)物，且形成的溶液具有 良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性； 溶劑在試樣的吸收光譜區(qū)無(wú)明顯吸收。 （3） ph的影響 如果化合物在不同的ph下存在的型體不 同，則其吸收峰的位置會(huì)隨ph的改變而改變。 苯胺： 苯酚： 二、紫外-可見分光光度計(jì) 1、儀器的基本構(gòu)造 由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器、信號(hào)處理和 讀出裝置五部分構(gòu)成 2、儀器類型 主要有：?jiǎn)喂馐止夤舛扔?jì)、雙光束分光光度計(jì)、 雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)和多通道分光光度計(jì) （1）單光束分光光度計(jì) 光源 單色器 參比池 檢測(cè)器 試樣池 （2）雙光束分光光度計(jì) 光源單色器 參比池 檢測(cè)器 試樣池 斬光器 （3）雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)

9、 )()( 2211 2 1 baba aaaaaaa bcaaa aaaa )( 2121 21 bb aa 只與待測(cè)物有關(guān) 光源 單色器1 檢測(cè)器 試樣池 單色器2 斬光器 1 2 （4）多通道分光光度計(jì) 以光二極管陣列作檢測(cè)器 光源 透鏡 試樣池 光柵 光二極管陣列 三、光吸收定律 1、朗伯-比爾定律 bc i i ta 0 lglgabc i i ta 0 lglg或 2、吸光度的加和性 當(dāng)溶液中含有多種對(duì)光產(chǎn)生吸收的物質(zhì)，且各組分之 間不存在相互作用時(shí)，則該溶液對(duì)波長(zhǎng)光的總吸光度 等于溶液中每一成分的吸光度之和，即吸光度具有加和性。 可用下式表示： bcccc aaaaa nn n

10、)( 332211 321 總 總 a 當(dāng)吸收池的厚度b恒定時(shí)，以吸光度對(duì)濃度作 圖應(yīng)得到一條通過(guò)原點(diǎn)的直線。但在實(shí)際工作中， 測(cè)得的吸光度和濃度之間的線性關(guān)系常出現(xiàn)偏差， 即不再遵守比爾定律。 3、比爾定律的局限性 引起偏離比爾定律的原因 嚴(yán)格的說(shuō)，比爾定律只適用于稀溶液（c0.01mol/l時(shí)，將引起吸收組分間的平均距離減小， 以至于每個(gè)粒子都可影響其相鄰粒子的電荷分布，導(dǎo)致 它們的摩爾吸收系數(shù)發(fā)生改變，從而吸收給定波長(zhǎng)的 能力發(fā)生變化。由于相互作用的程度與其濃度相關(guān)，故 使吸光度和濃度間的線性關(guān)系偏離了比爾定律。 （1）比爾定律本身的局限性 （2）化學(xué)偏離 分析物與溶劑發(fā)生締合、解離、溶

11、劑化反應(yīng)，產(chǎn)生的 生成物與分析物具有不同的吸收光譜，出現(xiàn)化學(xué)偏離。 這些反應(yīng)的進(jìn)行，會(huì)使吸光物質(zhì)的濃度與溶液的示值 濃度不成比例變化，因而測(cè)量結(jié)果將偏離比爾定律。 例如：未加緩沖劑的重鉻酸鉀溶液 2 442 2 72 222crohhcroohocr 引起偏離比爾定律的原因 （3）儀器偏離 是由單色光不純引起的偏離 引起偏離比爾定律的原因 四、紫外-可見吸收光譜法的應(yīng)用 定性分析 結(jié)構(gòu)分析 定量分析 物理化學(xué)常數(shù)的測(cè)定 分子量 絡(luò)合比，穩(wěn)定常數(shù) 酸堿解離常數(shù) 1、定性分析 無(wú)機(jī)元素： 應(yīng)用較少 原子發(fā)射光譜 x射線熒光光譜 icp-ms 經(jīng)典的化學(xué)分析方法 有機(jī)化合物： 應(yīng)用有一定的局限性 簡(jiǎn)

12、單，特征性不強(qiáng) 大多數(shù)簡(jiǎn)單官能團(tuán)只有微弱吸收或無(wú)吸收 主要適用于不飽和有機(jī)物，特別是共軛體系的鑒定 （1） 比較法 （2） 最大吸收波長(zhǎng)計(jì)算法 鑒定依據(jù)：吸收光譜曲線形狀 吸收峰數(shù)目 最大吸收波長(zhǎng) 相應(yīng)摩爾吸光系數(shù) max max 用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算最大吸收波長(zhǎng) max 2、結(jié)構(gòu)分析 順?lè)串悩?gòu)體的判別 互變異構(gòu)體的判別 構(gòu)象的判別 可以確定一些化合物的構(gòu)型和構(gòu)象 3、定量分析 （1） 單組分定量方法 a max 吸收曲線 a c 工作曲線 （2） 多組分定量方法 a. x、y吸收光譜不重疊 b. x、y吸收光譜單向重疊 c. x、y吸收光譜雙向重疊 y y x xyx bcbca 222 y y

13、x xyx bcbca 111 y y x xyx bcbca 222 雙組分混合物中某一組分的測(cè)定，可選擇兩個(gè)雙組分混合物中某一組分的測(cè)定，可選擇兩個(gè) 適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，在這兩個(gè)波長(zhǎng)處干擾組分具有相等的適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，在這兩個(gè)波長(zhǎng)處干擾組分具有相等的 吸光度，因而可達(dá)到消除干擾的效果。吸光度，因而可達(dá)到消除干擾的效果。 若若 , 則則 11 1ba aaa 22 2ba aaa )()( 2121 21bbaa aaaaaaa 21 bb aa 21 aa aaa （3） 雙波長(zhǎng)分光光度法 基本條件：基本條件： （1）干擾組分在這兩個(gè)波長(zhǎng)應(yīng)具有相同的干擾組分在這兩個(gè)波長(zhǎng)應(yīng)具有相同的 吸光度吸光度 （2

14、）待測(cè)組分在這兩個(gè)波長(zhǎng)的吸收差值應(yīng)待測(cè)組分在這兩個(gè)波長(zhǎng)的吸收差值應(yīng) 足夠大，足夠大， a足夠大足夠大 例例1：2,4,6-三氯苯酚存在下苯酚的測(cè)定三氯苯酚存在下苯酚的測(cè)定 1270 nm 2286 or 325 nm 2 2 1 應(yīng)用等吸收法時(shí)，其前提是干擾成分應(yīng)用等吸收法時(shí)，其前提是干擾成分a 1 a 2， 然而對(duì)某些試樣的定量測(cè)定，由于干擾組分的吸收然而對(duì)某些試樣的定量測(cè)定，由于干擾組分的吸收 曲線只呈陡坡而沒(méi)有吸收峰，因而在波長(zhǎng)選擇上受曲線只呈陡坡而沒(méi)有吸收峰，因而在波長(zhǎng)選擇上受 到限制，如到限制，如p35頁(yè)圖。頁(yè)圖。 雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)的改進(jìn)雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)的改進(jìn) 差示信號(hào)差示信號(hào)： s

15、k1a1k2a2 a1a1b2 a2a2b2 sk1(a1b2) k2( a2b2) (k1a1k2a2)+(k1b1k2b2) 若測(cè)定混合物中的若測(cè)定混合物中的a a，消除消除b b的干擾的干擾， 調(diào)節(jié)儀器的信號(hào)放大器調(diào)節(jié)儀器的信號(hào)放大器，使使 k1b1k2b20 s k1a1k2a2 （3） 三波長(zhǎng)光度分析法 基本概念 3 1 2 凈a2和分析成份濃度的關(guān)系 222 ()netaamnn 33 mn a np p 3 npn mnp r3p mnp 又p13n33 3 n amn m n 1 2 ma n mn 31 2 31 22 () nama nama netaaabc mnmn 三

16、波長(zhǎng)光度法分析的應(yīng)用 例： sc氨基酸偶氮膦 la氨基酸偶氮膦 測(cè)la。 (4) 導(dǎo)數(shù)吸收光譜分析 （derivative spectroscopy) 導(dǎo)數(shù)吸收光譜理論 在雙波長(zhǎng)光度計(jì)上，如使用的兩波長(zhǎng)1和2很接近 ，進(jìn)行同時(shí)掃描，并保持兩波長(zhǎng)差不變，便可獲得 一階導(dǎo)數(shù)光譜。 aa1a2 導(dǎo)數(shù)光譜即吸光度隨波長(zhǎng)變化率對(duì)波長(zhǎng)的曲線。 對(duì)n階導(dǎo)數(shù)而言 導(dǎo)數(shù)光譜 n n d a d 導(dǎo)數(shù)吸收光譜分析的優(yōu)點(diǎn): （1）導(dǎo)數(shù)光譜較原吸收光譜譜帶變窄，故其減少了 與干擾譜帶交疊的可能性，減小干擾。 （2）吸收光譜分析的背景光都為斜線，斜線一階導(dǎo) 數(shù)為常數(shù)的，二階導(dǎo)數(shù)為0，故可消除背景干擾。 00 1/ a=

17、-lg(i/i )0.4343ln(/) nnnn d a dd id ii 、和的對(duì)應(yīng)關(guān)系 lnaki 當(dāng)i0為常數(shù) 0.4343dadik di didi d 吸收曲線峰值處 22 22 d ak d i di d 22 222 2 2 22 () () d ak d idikdi di ddid k d ikdi i did 0 d di 3322 3 3322322 32 3 3223 22 ()() 32() d ak d id ik dik dikdi d i di ddidididd k d ik di d ik di i di ddid 33 33 d ak d i di d

18、當(dāng) 時(shí) 以此類推 nn nn d ak d i did 對(duì)上式再求導(dǎo)，得： 0 d di 導(dǎo)數(shù)信號(hào)與被測(cè)物濃度c的關(guān)系 0 2.303 0 lg abc i aabc i iie 2.303 0 2.303 0 ( 2.303) ( 2.303) 2.303 abc abc dii edabc i ebcda ibcda i0為常數(shù) 2.303 dida ibc dd 0.4343dadida bc didd 22 22 2 22 2 2.303 () 2.303(2.303 )() did ada di bc i dddd d ada bcibc i dd 222 2 22 222 0.43

19、43 2.303() d ad id ada bcb c diddd 二階導(dǎo)數(shù)方程式的推導(dǎo)： 當(dāng) 時(shí)，上式為： 222 222 0.4343d ad id a bc didd 三階導(dǎo)數(shù)方程式的推導(dǎo)： 由： 22 22 22 2.303(2.303 )() did ada bcibc i ddd 得： 332 2 332 33 2.3033(2.303) (2.303)() d id adad a bcibci dddd da bci d 0 d da v光強(qiáng)對(duì)波長(zhǎng)的二階和三階導(dǎo)數(shù)與濃度成線性關(guān)系。 v推廣到n階： 3332 223 3332 0.4343 6.9095.304() d ad i

20、d ad ada bcb c didddd 2.303 ( ) nn nn nn nn d id a bci dd abca d ad a bc dd 當(dāng) 時(shí) 333 333 0.4343d ad id a bc didd 0 d da 導(dǎo)數(shù)光譜的獲得 1、 電子學(xué)方法 （1）電子微分法 用rc微分電路將儀器的輸出信號(hào)(i)對(duì)時(shí)間(t) 微分得到(di/dt) / didi d ddtdt / didi k ddt 令波長(zhǎng)掃描速度d/dt為常數(shù)k （2）數(shù)值微分法 將譜線數(shù)據(jù)以數(shù)值形式表達(dá)并用電 子計(jì)算機(jī)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的平滑、平均和微 分等數(shù)值處理，然后輸出導(dǎo)數(shù)信號(hào)。 2、光學(xué)方法 （1）雙波長(zhǎng)分光光度法 在波長(zhǎng)間隔足夠少 dii dk dii d 在掃描時(shí)保持為k （2）波長(zhǎng)調(diào)制 是目前最廣泛應(yīng)用于獲得導(dǎo)數(shù)光譜的技術(shù)，最常見的 是正弦調(diào)制。 在吸收光譜中，透過(guò)光強(qiáng)度是波長(zhǎng)的函數(shù)，若在給定 波長(zhǎng)0處用泰勒收斂展開，則有： 22 (1)(2) 0000 sin () (, )()() sin()() 2! dt itiidti 2 (1)(2) 0 0000 () ( )()()()() 2! iiii 0 sin()dt