紫外分光光度法

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  孤影落寒花0 2017-11-26 00:00:00

  在实际测量中，采用在另一等同的吸收池中放入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较，即：A = lg( I溶剂/ I溶液) ≈ lg ( I 0/ I )吸光度具有加和性：A总λ= A1λ+ A2λ+ …Anλ比尔定律应用的局限性：只适用于稀溶液、化学偏离、仪器偏离 -------------------------------------------------------------------------------- Page 8 4.2 紫外一可见分光光度计 -------------------------------------------------------------------------------- Page 9 1. 光源功能：提供能量激发被测物质分子，使之产生电子光谱谱带（提供宽带辐射）。连续光源：广泛应用在吸收和荧光光谱中(气体放电光源) 氘灯、氢灯紫外可见氩灯真空紫外氙灯真空紫外、紫外、可见(热辐射光源) 钨丝灯、卤钨灯可见光区 -------------------------------------------------------------------------------- Page 10 2. 单色器功能：从光源辐射的复合光中分出单色光。3. 吸收池功能：盛放分析试样（一般是液体） -------------------------------------------------------------------------------- Page 11 4. 检测器功能：检测光信号，测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。5. 信号显示系统 -------------------------------------------------------------------------------- Page 12 6. 紫外一可见分光光度计的类型(1) 单波长单光束分光光度计缺点：测量结果受电源波动的影响较大，误差较大。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 13 (2) 单波长双光束分光光度计优点：除了能自动扫描吸收光谱外，还可自动消除电源电压波动的影响，减小放大器增益的漂移。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 14 (3) 双波长分光光度计优点：在有背景干扰或共存组分的吸收干扰的情况下，可以对某组分进行定量测定。还可以获得微分光谱和进行系数倍率法测定。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 15 (4) 多道分光光度计具有快速扫描的特点 -------------------------------------------------------------------------------- Page 16 4.3 化合物电子光谱的产生4.3.1 有机化合物的紫外一可见吸收光谱（一） 跃迁类型在紫外可见光区范围内，有机化合物的吸收带主要由σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*跃迁产生，其相对能量大小次序为：σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 17 σ∗π∗nπσσ σ∗σ π∗π σ∗n σ∗π π∗n π∗有机化合物分子中电子跃迁的能量 -------------------------------------------------------------------------------- Page 18 σ→σ*跃迁：分子中的成键σ电子跃迁到σ*反键轨道上去，这是一切饱和有机化合物都可能产生的电子跃迁类型。n→σ*跃迁：分子中未成键的n电子激发到σ*轨道上去，所有含有杂原子的饱和烃衍生物都可发生这种跃迁。含有σ→σ*、n→σ*跃迁的化合物，如：饱和烷烃、卤代烷烃、醇、醚等是紫外可见吸收光谱测定时的良好溶剂。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 19 •π→π*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Z大摩尔吸光系数εmax很大。•n→π*跃迁：发生在含有杂原子的不饱和化合物中，其Z大摩尔吸光系数εmax比较小。•电荷迁移跃迁：当外来辐射照射某些化合物时，电子从体系具有给予体特性的部分转移到该体系具有电子接受体特性的部分所发生的跃迁。其谱带较宽，吸收强度大，εmax> 104。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 20 NR1R2NR1R2+-hυ电子接受体电子给予体CC+hυ电子接受体电子给予体OROR- -------------------------------------------------------------------------------- Page 21 （二）常用术语1. 生色团：分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。（含有π键的不饱和基团）2. 助色团：有些基团本身没有生色作用，但却能增强生色团的生色能力，即它们与生色团相连时，会使其吸收带是Z大吸收波长发生红移，并且增加其强度。通常是带有非键电子对的基团。3. 红移和紫移：吸收带的Z大吸收波长发生移动，向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为紫移。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 22 （三）有机化合物的紫外、可见光谱1. 饱和烃及其取代衍生物σ→σ*、n→σ*2. 不饱和烃及共轭烯烃σ→σ*、π→π*3. 羰基化合物n→σ*、π→π*和n→π*4. 苯及其衍生物 E1带、 E2带、 B带5. 稠环和杂环 -------------------------------------------------------------------------------- Page 23 4.3.2 无机化合物的紫外一可见吸收光谱（一）电荷迁移跃迁某些分子同时具有电子给体特性的部分和电子受体特性的部分。当电子从给体外展轨道向受体跃迁时就会产生较强的吸收，这样产生的光谱称为电荷迁移光谱。如在金属络合物中配位体具有电子给体的性质，金属离子为电子受体。电子从配位体轨道跃迁到ZX原子的外层轨道，就可以产生电荷迁移光谱。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 24 （二）配位场跃迁1. f-f跃迁镧系和铜系元素的离子对紫外和可见光的吸收是基于内层f电子跃迁而产生的，其吸收光谱是由一些狭窄的特征吸收峰组成，且这些吸收峰不易受金属离子所处的配位环境的影响。2. d-d跃迁过渡金属离子的d轨道在受到配位体场的作用时产生分裂。d电子在能级不同的d轨道间跃迁，吸收紫外或可见光产生吸收光谱。这种光谱的吸收带比较宽，吸收峰强烈地受配位环境的影响。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 25 4.3.3 影响吸收谱带的因素1. 分子结构的变化：（1）饱和化合物中引入生色团和助色团（2）配位体场的改变：八面体、四面体、正方平面等等 -------------------------------------------------------------------------------- Page 26 （3）共轭效应和超共轭效应由于共轭后的电子的运动范围增大，跃迁所需的能量变小，所以由共轭作用产生的吸收峰波长值较大，同时吸收强度增大。共轭的不饱和健越多，红移现象就越显著。1，3—丁二烯在己烷中的λmax= 217nm，εmax = 21，000；1，3，5—己三烯在异辛烷中的λmax= 268nm，εmax = 43，000；1，3，5，7，9—癸五烯在异辛烷中的λmax= 334nm，εmax = 121，000。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 27 （4）空间位阻CH3CH3CH3H3C（a）（b）λmax(b) > λmax(a) 通常情况下，反式异构空间位阻小于顺式异构，其共轭体系共平面性比顺式结构好，跃迁能量较低，λmax较大。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 28 2. 溶剂效应溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 29 改变溶剂的极性还会使Z大吸收波长发生变化：当溶剂极性增大时，由n→π*跃迁产生的吸收带发生紫移，而由π→π*跃迁产生的吸收带发生红移。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 30 3. 温度温度，分子碰撞频率增加，谱带变宽，谱带精细结构消失(热变色效应)。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 31 4.4 分析方法及其应用4.4.1 定性分析吸收光谱比较简单，特征性不强，并且大多数简单官能团在近紫外光区只有微弱吸收或无吸收，所以应用有一定局限性。但可用于鉴定共轭生色团，以此推断未知物的结构骨架，在配合其它结构分析方法时，是有用的辅助方法。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 32 （一）定性方法1. 比较吸收光谱曲线：形状、峰数、λmax位置与相应的εmax。2. 用经验规则计算λmax，然后与实测值比较。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 33 （二）经验规则Woodward规则：计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物π→π*跃迁Z大波长。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 34 Oαβδδ+1γδ+2母体环己酮215nm 同环二烯39nm 增加两个共轭双键60nm 一个β烷基 12nm一个环外双键5nm 三个γ+烷基54nm共计385nm -------------------------------------------------------------------------------- Page 35 AcOABCR母体同环二烯253nm增加两个共轭双键60nm三个环外双键15nm五个取代烷基25nm共计353nm -------------------------------------------------------------------------------- Page 36 4.4.2 定量分析（一）单组分定量方法1．校正曲线法2．标准对比法AS= k CSb AX= k CXb CX = CS AX/ AS -------------------------------------------------------------------------------- Page 37 （二）多组分定量方法A1A+ B= ε1Abc1A+ ε1Bb c2BA2A+ B= ε2Ab c1A+ ε2Bbc2B -------------------------------------------------------------------------------- Page 38 【例】以分光光度法测定合金钢中的锰和铬。称取1.000g钢样，溶解后稀释至50.00mL，将其中的Cr氧化成Cr2O72-，Mn氧化成MnO4-，然后在440nm和545nm用1.0cm吸收池测得吸光度值分别为0.204和0.860。已知ε440Mn= 95.0 L.mol-1cm-1，ε440Cr= 369.0 L.mol-1cm-1，ε545Mn= 2.35×103L.mol-1cm-1， ε545Cr= 11.0 L.mol-1cm-1。求此合金钢中Mn，Cr的质量分数。(MMn=54.94 g.mol-1MCr=52.00 g.mol-1) -------------------------------------------------------------------------------- Page 39 【解】 根据吸光度的加合性列出联立方程：A440 = A440Mn+ A440Cr=ε440Mnb cMn+ ε440Crb cCrA545= A545Mn+ A545Cr=ε545Mnb cMn+ ε545Crb cCr即0.204 = 95.0 × 1 × cMn+ 369.0 × 1 × cCr0.860 = 2.35×103 × 1 ×cMn+ 11.0 × 1 ×cCr解得cMn= 3.64×10-4 mol.L-1cCr= 4.59×10-4mol.L-10.10%1.00054.941050103.64(Mn)－3－4=×××××=ϖ0.24%1.000252.001050104.59(Cr)－3－4=××××××=ϖ -------------------------------------------------------------------------------- Page 40 （三）双波长法1. 等吸收波长法A1 = A1A+ A1BA2= A2A+ A2BΔA = A2 - A1= (A2A- A1A) + (A2B-A1B) 由于A2B= A1BΔA = A2A- A1A= (ε2A- ε1A) bc -------------------------------------------------------------------------------- Page 41 2. 系数倍率法该式表明，信号S只与被测组分的吸光度值有关。AABBBBBABAAKAKSAKAKAAKKKAKAKAKAKSAKAKS1212121122121212211122120λλλλλλλλλλ−==−==−−+=−=λλ用差分放大器可获得混和试样在波长λ2和λ1处的差示信号S -------------------------------------------------------------------------------- Page 42 3. 测定浑浊试样在双波长法测定中，若将λ2设在试样的吸收峰上， λ1设在试样无特征吸收的波长上，此时， λ1和λ2的背景吸收应相等。用双波长法测得两处吸光度的差值即可消除背景吸收，进行定量分析。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 43 （四）导数分光光度法对吸收光谱曲线进行一阶或高阶求导，即可得到各种导数光谱曲线。优点：1. 能够分辨两个或两个以上完全重叠或以很小波长差重叠的吸收峰2. 能够分辨吸光度随波长急剧上升时所掩盖的弱吸收峰3. 能够确认宽阔吸收带的Z大吸收波长，分辨率随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的增加而减小。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 44 定量分析：（可提高检测的灵敏度）Aλ= ελbc，对波长λ 进行n次求导，只有Aλ和ελ是波长λ的函数，于是有：可见n次求导后，吸光度值仍与吸收物的浓度成正比。bcdddAdnnnnλλλλε= -------------------------------------------------------------------------------- Page 45 4.4.3 紫外一可见吸收光谱的应用1. 相对分子质量的测定M = εmb/A m：样品重量在紫外、可见吸收光谱法中，只要化合物具有相同生色骨架，其吸收峰的λmax和εmax 几乎相同。因此，只要求出与待测物有相同生色骨架的已知化合物的ε值，就能求出欲测化合物的相对分子质量。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 46 2. 测定平衡常数例 用分光光度法测定以下反应的平衡常数ZnL22-的λmax为480nm，该处的εmax＝3.00×103 L.mol-1.cm-1， Zn2＋和L2－在480nm处无吸收。用1.00cm的吸收池测得含2.30×10－4mol L－1 Zn2＋和5.00×10-4mol L－1 L2－溶液的吸光度为0.540。试计算平衡常数。−−+⇔+22222ZnLLZn -------------------------------------------------------------------------------- Page 47 解[][ ][][ ][][][ ][ ]()824542222214442221544222143221084.11040.11000.51080.1K1040.11080.121000.521000.51080.11030.21080.100.11000.3540.022×=××××=⋅×=××−×=+=⋅×=×−×=−=⋅×=××=ε=−−−−+−−−−−−−−−−−−+−−−−+LZnZnLLmolZnLCLLmolZnLCZnLmolbAZnLLZn＝则平衡常数为 -------------------------------------------------------------------------------- Page 48 3. 结构分析H3CCH2CCCH3OOOHHHOHH3CCCHCCH3OOH例如，乙酰丙酮存在酮式和烯醇式两种异构体在极性溶剂水中，以酮式异构体为主，形成分子间氢键，λmax为277nm；在非极性溶剂己烷中，以烯醇式异构体为主，形成分子内氢键，λmax为269nm。 -------------------------------------------------------------------------------- Page 49 4. 氢键强度的测定[例] 丙酮 n→π* 的吸收带水（极性）265.4 nm 即452.96 kJ.mol-1己烷 (非极性) 279.0 nm 即429.40 kJ.mol-氢键强度452.96 - 429.40 = 23.56kJ.mol-1 -------------------------------------------------------------------------------- Page 50 思考题1.简述紫外可见吸收光谱的产生。2.朗伯－比尔定律及其数学表达。3.光源的主要作用是什么？4.各种类型紫外可见分光光度计的特点。5.有机化合物的吸收带主要由哪几类跃迁产生？6.影响吸收谱带的因素有哪些？7.用Woodward规则计算计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物π→π*跃迁Z大波长。8.多组分定量方法以及双波长法，导数法的特点9.紫外可见吸收光谱法的应用

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