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ppt 紫外-可见分光光度法,郑秀玉,一、光学分析法,光学分析法是根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用而建立起来的一类分析化学方法。,电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。,1、电磁波谱,这些电磁辐射包括从γ射线到无线电波的所有电磁波谱范围,而不只局限于光学光谱区。,2、光学分析法的分类,(2)非光谱法 是基于物质与辐射相互作用时,测量辐射的某些性质,如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。,(1)光谱法 是基于物质与辐射能作用时,测量由物质内部发生量子化的能级之间的跃迁而产生的发射、吸收或散射辐射的波长和强度进行分析的方法。,非光谱法不涉及物质内部能级的跃迁,电磁辐射只改变了传播方向、速度或某些物理性质。,3、光谱法的分类,(2)分子光谱 由分子中电子能级、振动和转动能级的变化产生的。 表现形式:带光谱,(1)原子光谱 由原子外层或内层电子能级的变化产生的。 表现形式:线光谱,4、原子光谱分析法,原子发射光谱法(AES) 原子吸收光谱法(AAS) 原子荧光光谱法(AFS) X射线荧光光谱法(XFS),5、分子光谱分析法,紫外-可见分光光度法(UV-Vis) 红外光谱法(IR) 分子荧光光谱法(MFS) 分子磷光光谱法(MPS),6、电磁辐射的基本性质,波动性 粒子性,(1) 波动性:电磁辐射以波动形式传播,例如:折射、衍射、偏振和干涉等现象。 λν = υ 其中, λ——波长; ν——频率; υ——传播速度 在真空中,辐射的传播速度与频率无关,并达到最大值,以符号c表示。,,(2) 粒子性: 电磁辐射的波动性不能解释辐射的发射和吸收现象,需要把辐射看作是微粒(光子)才能满意地解释。电磁辐射的能量是“量子化”的。这种能量的最小单位即为“光子”。,光子是具有能量的,光子的能量与频率成正比,与波长成反比。 E=hν=hc/λ 其中,E——能量 h——普朗克常数,6.6256×10-34J·s c——光速,2.99792×108m·s-1,二、辐射的吸收与发射 构成物质的每一种基本体系(核、原子、分子)具有一定数量的特定的能级。当它们暴露在辐射束中或被具有一定能量的粒子轰击时,外层电子可以从一个能级跳到另一个能级。当这些体系从高能态跳回到低能态时就发射相应的辐射。,紫外—可见区的光谱是由原子和分子外层电子的跃迁产生的。,三、原子轨道,原子结构示意图,(1)主量子数(n):主量子数就相当于电子层,n可以取任意正整数; (2)角量子数(l):角量子数相当于亚层,l可以取小于n的自然数; (3)磁量子数(ml):磁量子数决定了原子轨道的伸展方向,ml可以取±l; (4)电子自旋量子数(ms):每个原子轨道里都可以填充两个电子,ms都只能取±1/2,两个电子自旋相反。,描述电子运动状态的四个变量:,具有角量子数0、1、2、3的轨道分别叫做s轨道、p轨道、d轨道、f轨道。之后的轨道名称,按字母顺序排列,如l=4时叫g轨道。 s轨道(l=0)上只能填充2个电子; p轨道(l=1)上能填充6个; 一个轨道填充的电子数为4l+2。 例:C原子的外层电子排布:1s22s22p2,1、最低能量原理,电子本身就是一种物质,也具有同样的性质,即它在一般情况下总想处于一种较为安全 (或稳定)的一种状态(基态),也就是能量最低时的状态。当有外加作用时,电子也是可以吸收能量到能量较高的状态(激发态),但是它总有时时刻刻想回到基态的趋势。,一般来说,离核较近的电子具有较低的能量,随着电子层数的增加,电子的能量越来越大;同一层中,各亚层的能量是按s、p、d、f的次序增高的。 这两种作用的总结果可以得出电子在原子核外排布时遵守下列次序:1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p…… 规则:np>(n-1)d>(n-2)f>ns,一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述,即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在,这就是泡利不相容原理。,第一电子层 (K层)中只有1s亚层,最多容纳两个电子;第二电子层(L层)中包括2s和2p两个亚层,总共可以容纳8个电子;第3电子层(M层)中包括3s、3p、 3d三个亚层,总共可以容纳18个电子……第n层总共可以容纳2n2个电子。,2、泡利不相容原理,3、洪特规则,从光谱实验结果总结出来的洪特规则有两方面的含义:一是电子在原子核外排布时,将尽可能分占不同的轨道,且自旋平行;第二个含义是对于同一个电子亚层,当电子排布处于: 全满(s2、p6、d10、f14) 半满(s1、p3、d5、f7) 全空(s0、p0、d0、f0)时比较稳定。,四、分子轨道理论,原子在形成分子时,所有电子都有贡献,分子中的电子不再从属于某个原子,而是在整个分子空间范围内运动。在分子中电子的空间运动状态可用相应的分子轨道来描述。,(1)在原子中,电子的运动只受 1个原子核的作用,原子轨道是单核系统;而在分子中,电子则在所有原子核势场作用下运动,分子轨道是多核系统。,(2)原子轨道的名称用s、p、d…符号表示,而分子轨道的名称则相应地用σ、π、δ…符号表示。,分子轨道和原子轨道的主要区别,分子轨道可以由分子中原子轨道的线性组合而得到。几个原子轨道可组合成几个分子轨道。,成键分子轨道(bonding molecular orbital) 其中有一半分子轨道分别由正负符号相同的两个原子轨道叠加而成,两核间电子的概率密度增大,其能量较原来的原子轨道能量低,有利于成键,称为成键分子轨道。如σ、π轨道(轴对称轨道);,反键分子轨道(antibonding molecular orbital) 另一半分子轨道分别由正负符号不同的两个原子轨道叠加而成,两核间电子的概率密度很小,其能量较原来的原子轨道能量高,不利于成键,称为反键分子轨道,如 σ*、π* 轨道(镜面对称轨道)。,非键分子轨道 若组合得到的分子轨道的能量跟组合前的原子轨道能量没有明显差别,所得的分子轨道叫做非键分子轨道。,有机化合物的紫外-可见吸收光谱决定于分子的结构、分子轨道上的电子性质。根据结构理论,在分子中形成单键的电子称σ电子,形成双键的电子称π电子,未成键的孤对电子称n电子。 分子中的价电子有σ轨道上的σ电子,π轨道上的π电子和未参与成键而仍处于原子轨道中的n电子。,五、基本概念,位于分子轨道中不同轨道的价电子具有不同的能量,处于低能级的价电子吸收一定能量后,就会跃迁到较高能级(反键轨道)。在可见—紫外区的跃迁包括σ σ* 、 n σ* 、 n π*、 π π* 跃迁等。,电子能级和跃迁图,σ,σ*,,,,,σ σ* 跃迁:所需的能量最大,主要发生在真空紫外区,吸收谱带都在200nm以下,饱和烃类只有σ键,因此饱和烃的可见紫外吸收光谱由这类跃迁引起。,,,,,,n π*跃和π π* 跃迁是用可见——紫外光度法研究有机物的最常见的跃迁类型。这类跃迁易发生,所需能量使吸收波长都处在200nm以上的区域,所涉及的基团都具有不饱和的π键。这种含π不饱和键的基团称为生色基团。,n σ* 跃迁:发生在含有未成键孤对电子的杂原子的饱和烃分子中。由于n电子较σ电子易激发,所以这种跃迁所需能量比σ σ* 稍低,但多数还是发生在200nm左右范围内。,(1)生色团 分子中能吸收紫外或可见光的结构单元称为生色团,其含有非键轨道和π分子轨道的电子体系能引起n π*和π π*跃迁。,,,(2)助色团 助色团是一种能使生色团吸收峰向长波位移并增强其强度的官能团,如—OH、—NH2、—SH及一些卤族元素等。这些基团中都含有孤对电子,它们能与生色团中π电子相互作用,使π π*跃迁的能量降低并引起吸收峰位移。,,(3)红移效应 某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团(—NH2、—OH、—Cl、—Br、—NR2、—OR、—SH、—SR等)之后,吸收峰的波长λmax向长波长方向移动,这种效应称为红移效应。这些会使某化合物的λmax向长波长方向移动的基团称为向红基团。,(4)蓝移效应 某些生色团(如C=O)的碳原子一端引入一些取代基(如—CH2、—CH2CH3等)之后,吸收峰的波长会向短波长方向移动,这种效应称为蓝移效应。这些会使某化合物的λmax向短波方向移动的基团称为向蓝基团。,六、物质对光的选择吸收,可见光:从紫色的400nm到红色的760nm,,紫外光: 400nm,红外光: 760nm,互补色光:两种适当颜色光按一定的强度比例混合,就可以得到白光,这两种颜色光叫做互补色光。,,七、郎伯-比耳定律,(一)物质对光的吸收及吸光度,I0= Ia+ It+ Ir I0= Ia+ It(Ir忽略不计),透过光强度It与入射光强度I0之比: T=It/I0 溶液透光度越大,则对光的吸收越小;反之则越大。,2、吸光度A 物质对光的吸收程度: A=-lgT=lg(1/T)= lg(I0/ It),吸光度越大,表示该物质对光的吸收程度越大。,1、透光度(或透光率与透光比) T,A = Kcl 式中,A——吸光度; c——溶液浓度; l——液层总厚度; K——摩尔吸光系数,表明物质对某一特定波长光的吸 收能力。,紫外-可见吸收光谱用于定量分析的理论依据是吸收定律。它由朗伯定律和比耳定律联合而成,故又称朗伯-比耳定律。,(二)朗伯-比耳定律,当一束平行的单色光通过均匀溶液时,由于溶质吸收光能,光的强度就要降低,这种现象称为溶液对光的吸收作用,其吸光度与溶液的浓度和厚度的乘积成正比,这个规律通常称为郎伯-比耳定律,也称作光吸收定律。,(三)吸收曲线,描述了物质对不同波长光的吸收能力,也称吸收光谱。,,,1、不同物质的吸收峰波长不同,反映了物质对光吸收的选择性。,3、浓度越大,光吸收程度越大,吸收峰越高。,2、吸收峰波长与溶液的浓度无关。,由于物质对光的吸收具有选择性,通过缓慢地改变通过某一吸收物质的入射光的波长(通过预先设定初始波长、终止波长、扫描速度),并记录该物质在每一波长处的吸光度(A),然后以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标作图,这种扫描方法称为波长扫描。,1、波长扫描,2、时间扫描,在某一固定的波长下,通过改变扫描时间的范围,并记录物质在该波长下的吸光度,然后以时间为横坐标,以吸光度为纵坐标作图,这种扫描方法称为时间扫描。,八、紫外-可见吸收光谱法的应用,定性分析 定量分析 配合物组成的研究 各类平衡常数的测定,(一)定性分析,1、无机化合物的定性分析 紫外可见分光光度法对无机元素的定性分析应用较少,无机元素的定性分析可用原子发射光谱法或化学分析的方法。在有机化合物的定性鉴定和结构分析中,由于紫外-可见光谱较简单,特征性不强,因此该法的应用有一定的局限性。,2、有机化合物的定性分析 紫外可见吸收光谱鉴定有机化合物时,通常是在相同的测定条件下,比较未知物与已知标准物的紫外光谱图,若两者的谱图相同,则可认为待测试样与已知化合物具有相同的生色团。如果没有标准物,也可借助于标准谱图或有关电子光谱数据表进行比较。,但应注意:紫外吸收光谱相同,两种化合物有时不一定相同,因为紫外吸收光谱通常只有2~3个较宽的吸收峰,具有相同生色团的不同分子结构,导致不同分子结构产生相同的紫外吸收光谱,但它们的吸光系数是有差别的,所有在比较λmax的同时,还有比较它们的εmax。如果待测物和标准物的吸收波长相同、吸光系数也相同,则可认为两者是同一物质。,在一般的比色法或分光光度法中,进行定量分析的基本程序是: (1) 做基线:以溶剂或试剂空白等作为参比溶液置入光路中。 (2)将被测溶液置入光路中,仪器就可以指示出这一溶液的吸光度。,紫外-可见分光光度定量分析的依据是Lambert-Beer定律,即在一定波长处被测物质的吸光度与它的浓度呈线性关系。因此,通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度,即可求出该物质在溶液中的浓度和含量。,(二)定量分析,(1)比较法,它是在相同的条件下,即相同的波长、光程、温度等,分别测定标准溶液及待测溶液的吸光度值A0及Ax。测定所采用的波长通常应选被测物质吸收光谱中的吸收峰处,以提高灵敏度并减少测量误差。被测物如有几个吸收峰,可选无其他物质干扰的、较高的吸收峰。一般不选光谱中靠短波长末端的吸收峰的波长来作测定。 A0= Kc0l Ax= Kcxl,,1、单组分样品的分析,(2)标准曲线法,标准溶液:浓度分别为c1,c2,c3,c4,c5 ,c6,测定各自的吸光度(设分别为A1,A2,A3,A4,A5 ,A6),待测溶液Ax,在标准曲线上查得其对应的浓度cx。,从待测物质的吸收光谱图上选定某一最大吸收波长,用一系列不同浓度的标准溶液在该波长处分别测得它们的吸光度,用吸光度对浓度作图。若待测物质对光的吸收符合朗伯 - 比尔定律,应得到一条通过原点的直线,即标准曲线。在同样条件下测定样品溶液的吸光度,在标准曲线上可读出样品溶液的浓度。,吸光度的加和性:,若某一波长的光束连续通过若干具有相同厚度,而浓度及摩尔吸光系数分别为c1、c2、c3………cn与ε1、ε2、ε3………εn的溶液时,相应的透过光强度分别为I1、I2、I3………In。根据朗伯-比耳定律,各溶液的吸光度分别为 A1=lg(I0/I1);A2=lg(I0/I2);A3=lg(I0/I3) ……… An=lg(I0/ In) 所有相同厚度各溶液的总吸光度等于上述各溶液吸光度之总和,即 A总= A1+ A2+ A3+……+ An 如果溶液中同时含有n种吸光物质,只要各组分之间无相互作用,则上述关系同样成立,即溶液的总吸光度等于各组分吸光度之和。根据朗伯-比耳定律,溶液总吸光度A总可写为 A总=ε1lc1+ε2lc2+ε3lc3+………+εnlcn,2、多组分样品的分析,二组分混合物的分析 假设试样中含有x,y两种组分,在一定条件下将它们转化为有色化合物,分别绘制其吸收光谱,会出现三种情况.,(1)两组分互不干扰,可分别在λ1和λ 2处测量溶液的吸光度。,(2)组分x对组分y的吸光度测定有干扰,但组分y对x无干扰。这时可以先在λ1处测量溶液的吸光度A λ1并求得x组分的浓度。然后再在λ2处测量溶液的吸光度A λ2x+y和纯组分x和y 的ε λ2x和ε λ2y值,根据吸光度的加和性原则,可列出下式: A λ2x+y= ε λ2xlcx+ ε λ2ylcy 纯组分: A λ2x0