《仪器分析》.ppt

1、现代仪器分析Modern Instrumental Analysis,紫外-可见吸收光谱法,分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子,可见光谱的研究对象大多是有色体系。紫外-可见吸收光谱法的主要用途是确定有紫外-可见吸收的物质的组成、含量。,概述,图中处于对角线上的两种单色光为互补色光。例如蓝色光和黄色光、绿色光和紫红色光互补等,光的复合与互补,溶液的颜色与光吸收的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,目视比色法,光源,

2、滤光片,光电池,光电比色法,分光光度法,朗伯-比耳定律,溶液的吸光度与溶液中吸光物质的浓度c及液层厚度L成正比，即：,物质对光吸收的加和性,如果在同一溶液中有多个组分对同一波长的光有吸收作用，溶液总的吸光度等于各组分的吸光度之和。,偏离朗伯-比耳定律的原因,?,1 物理性因素,吸收定律成立的前提条件之一是入射光为单色光，但实际上难以获得真正的纯单色光。,分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带，而复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。,2.化学性因素,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。 当溶液浓度c 10-2 mol/L 时，吸光质

3、点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。,故：朗伯比耳定律只适用于稀溶液,例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： 2 CrO42- 2H = Cr2O72- H2O 溶液中CrO42-、 Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH 对测定有重要影响。,紫外-可见分光光度法的特点,灵敏度高，一般可测定到10-6g级的样品准确度较高，相对误差一般在1-5%以内简单快速可进行多组分分析及对有机物进行结构分析,紫外-可见吸收光谱的基本原理,E = E2 E1 = h,M + h M *,基态 激发态E1 （E） E2,1）吸收光谱（吸收曲线）： 不同波长光对样品作用不同，

4、吸收强度不同 以A作图 2）吸收光谱特征：定性依据 吸收峰max 吸收谷min 肩峰sh 末端吸收饱和-跃迁产生,紫外-可见吸收光谱的基本原理,电子跃迁与分子吸收光谱,物质分子内部三种运动形式： （1）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； （3）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Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即: EEe+Ev+Er evr,能级跃迁,电子能级间跃迁的同时，总伴随有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产生的

5、若干谱线而呈现宽谱带分子内运动涉及三种跃迁能级：电子能级、振动能级、转动能级跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程,讨论：,（1） 转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区（2） 振动能级的能量差v约为：0.05eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区（3） 电子能级的能量差e较大120eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区,吸收曲线(光谱)的讨论,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最大吸收波长max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max则不同。作为物质定性分析的依据之一

6、,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。,讨论：,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max处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。,值得指出的是：紫外吸收光谱只能作为定性的依据之一，而不能仅根据紫外光谱来定性,紫外-可见光谱与分子结构关系,一电子跃迁的类型 有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、电子、n电子。,分子轨道理论：成键轨道反键轨道。,当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)跃迁。主要

7、有四种跃迁所需能量大小顺序为：n n ,跃迁,所需能量最大；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； 吸收波长200 nm；例：甲烷的max为125nm , 乙烷max为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到； 饱和烷烃可在紫外分析时作为溶剂使用；,n跃迁,所需能量较大。 吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n* 跃迁。,所需能量较大。 成键电子由基态跃迁到* 轨道，吸收峰在200nm附近，强吸收。,跃迁,所需能量较少，并且随双键共轭程度增加，所需能量降低

8、。若两个以上的双键被单键隔开，则所呈现的吸收是所有双键吸收的叠加；若双键共轭，则吸收大大增强，波长红移，max和吸收强度均增加。如单个双键，一般max为150-200nm，乙烯的max = 185nm；而共轭双键如丁二烯max = 217nm，己三烯max = 258nm。,n跃迁,n所需能量最低，在近紫外区，有时在可见区。但跃迁几率大，是强吸收带；而n跃迁几率小，是弱吸收带，一般max500。许多化合物既有电子又有n电子，在外来辐射作用下，既有又有n跃迁。如-COOR基团， 跃迁max=165 nm， max=4000；而n*跃迁 max=205nm， max=50。 n*和*跃迁都要求有机

9、化合物分子中含有不饱和基团，以提供轨道。含有键的不饱和基团引入饱和化合物中，使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可见区。,电子跃迁类型小结：,1. *跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高， n * * n *,二、发色团、助色团与吸收带,生色团： 最有用的紫外可见光谱是由和n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NN、乙炔基、腈基CN等。助色团： 有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发

10、生n共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。,红移与蓝移,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吸收波长max和吸收强度发生变化: max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。,吸收带类型和影响因素,1R带：由含杂原子的不饱和基团的n *跃迁产生CO；CN；NN E小，max250400nm，max200nm，max104共轭体系增长，max红移，max溶剂极性，对于(CHCH)n max不变 对于CHCCO max红移,3B带

11、：由 *跃迁产生芳香族化合物的主要特征吸收带 max =230-270nm，宽带，具有精细结构；max=200极性溶剂中，或苯环连有取代基与苯环共轭，其精细结构消失,4E带：由苯环环形共轭系统的 *跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带 E1 185nm max104 （常观察不到）E2 204nm max=7000 强吸收苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并 一起红移（长移）,异丙苯的紫外吸收光谱,苯乙酮的紫外吸收光谱,1溶剂效应：对max影响： n-*跃迁：溶剂极性，max蓝移 -*跃迁：溶剂极性 ，max红移对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性，苯环精细结构消失溶剂的选择极性；纯度高；

12、截止波长邻=时，产生正偏差,测邻时，产生负偏差,测与邻差值越大，偏差越显著,谱带宽1nm和15nmKMnO4的曲线,2）杂散光影响,与所需波长相隔较远的光,难以避免的瑕疵,仪器使用保养不当,光学元件尘染或霉蚀,在强吸收情况下使光谱变形,末端吸收处出现假峰,杂散光,偏离比尔定律的原因,3）散射的影响,真溶液，可通过空白对比消除,大分子溶液，散射强烈，尤其是波长短的光，使A偏大,4）反射的影响,若参比液与被测液折射率相差很大时，使A产生偏差,含未知的折射率较大的组分,被测组分折射率特大且浓度较高,偏离比尔定律的原因,5）非平行光的影响,6）化学因素的影响,Cr2O72- (橙色),Cr2O72-+

13、H2O=2 CrO42-+ 2H+,CrO42- (黄色),Cr2O72-,I2-CCl4,I2-乙醇,控制条件,偏离5，使A偏差0.2%,不同仪器测得的A有差异,测定时注意吸收池放置,偏离比尔定律的原因,紫外吸收光谱的应用,利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如CCCC、CCCO、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为其他鉴定方法的补充。,定性、定量分析,定性分析 max：化合物特性参数

14、，可作为定性依据； 有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性； 计算吸收峰波长，确定共扼体系等 甲苯与乙苯：谱图基本相同； 结构确定的辅助工具； max ， max都相同，可能是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra ,Ultraviolet,2. 定量分析,依据：朗伯-比耳定律 吸光度： A= b c 透光度：-lgT = b c 灵敏度高： max：104105 L mol-1 cm -1；（比红外大）,紫外-可见吸收光谱是进行定量分析最广泛使用的、最有效的手段之一。尤其在医

15、院的常规化验中，95%的定量分析都用此法。其用于定量分析的优点是： 可用于无机及有机体系。 一般可检测10-4-10-5 mol/L的微量组分，通过某些特殊方法(如胶束增溶)可检测10-6-10-7 mol/L 的组分。 准确度高，一般相对误差1-3%，有时可降至百分之零点几。,单组分定量分析,分析条件的选择溶剂,所选择的溶剂应易于溶解样品并不与样品作用，且在测定波长区间内吸收小，不易挥发。下表为某些常见溶剂可用于测定的最短波长。常见溶剂可用于测定的最短波长,分析条件的选择测定浓度,溶液吸光度值在0.2-0.8范围内误差小(A=0.434时误差最小)，因此可根据样品的摩尔吸光系数确定最佳浓度。

16、,T=15-65%,A=0.434,A = KC,A = KC,A= - lgT= - 0.434lnT,dA,光度误差最小,C/C,一般选择最大吸收波长以获得高的灵敏度及测定精度。但所选择的测定波长下其他组分不应有吸收，否则需选择其他吸收峰或采用其它分析方法。,分析条件的选择测定波长,配制不同浓度的标准溶液，由低浓度至高浓度依次测定其吸收光谱，作一定波长下浓度与吸光度的关系曲线，在一定范围内应得到通过原点的直线，即标准曲线。通过标准曲线可求得未知样品的浓度。,定量方法标准曲线法,定量方法标准曲线法,校正曲线只有在建立这条曲线的浓度范围内有效，高或低于这些点都可能引起计算错误.,注意：,样品组

17、成比较复杂，难于制备组成匹配的标样时用标准加入法。将待测试样分成若干等份，分别加入不同已知量0, C1, C2, Cn的待测组分配制溶液。由加入待测试样浓度由低至高依次测定上述溶液的吸收光谱，作一定波长下浓度与吸光度的关系曲线，得到一条直线。若直线通过原点，则样品中不含待测组分；若不通过原点，将直线在纵轴上的截距延长与横轴相交，交点离开原点的距离为样品中待测组分的浓度。,定量方法标准加入法,定量方法标准加入法,二、有机化合物结构辅助解析,1. 可获得的结构信息（1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2） 270-350 nm有吸收峰（=10-100）醛酮 n* 跃迁产生的R 带

18、。（3） 250-300 nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。（4） 200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm ，R带310-330 nm260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。,如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。如果在210250nm有强吸收，表示有K吸收带，则可能含有两个双键的共轭体系，如共轭

19、二烯或，-不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度K吸收带，在表示有三个、四个和五个共轭体系存在。如果在260300nm有中强吸收（2001 000），则表示有B带吸收，体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则可以大于10 000。如果在250300nm有弱吸收带（R吸收带），则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团，如羰基等。,鉴定的方法,（1）与标准物、标准谱图对照：将样品和标准物以同一溶剂配制相同浓度溶液，并在同一条件下测定，比较光谱是否一致。 （2）吸收波长和摩尔吸收系数：由于不同的化合物，如果具有相同的发色基团，也可能具有相同的紫外吸收波长，但是它们的摩尔吸收系数是有差别的。如果样品和标准物的吸收波长相同，摩尔吸收系数也相同，可以认为样品和标准物是同一物质。,纯度检查,如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如：环已烷中（C6H12）混入少量的苯（C6H6）的检验。,异构体的确定,对于异构体的确定，可以通过经验规则计算出max值，与实测值比较，即可证实化合物是哪种异构体。 如: 乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互变异构,Thank You!,