紫外可见吸收光谱法基本原理1

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第二章 紫外-可见吸收光谱法分析法
第一节 基本原理
一、概述 二、紫外–可见吸收光谱 三、光的吸收定律
一、概述
光的基本性质
光是一种电磁波,具有波粒二象性。 单色光:单一波长的光(由具有相同能量的光子组成) 白光:由各种单色光组成的复合光
绿



白光
青蓝



光的互补示意图
表2-1 物质颜色和吸收光颜色之间的关系
物质颜色
黄绿 黄 橙 红 紫红 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
颜色 紫 蓝
绿蓝 蓝绿
绿 黄绿
黄 橙 红
吸收光 波长范围/nm 400-450 450-480 480-490 490-500 500-560 560-580 580-600 600-650 650-700
二、紫外–可见吸收光谱分析法
1.定义
光谱分析法是指在光的作用下,通过测量物质产生的发射 光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。
,吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在,同 时发生n →π* 跃迁。丙酮n →π*跃迁的λ为275nm,εmax
为22 L·mol-1 ·cm -1(溶剂环己烷)。
生色团与助色团
生色团:
最有用的紫外-可见光谱是由π→π*和n→π*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
A ∝b
• 1852年比尔(Beer)又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之 间的关系。
A ∝c
• 二者的结合称为朗伯-比尔定律 A =εb c
朗伯–比尔定律数学表达式
A=lg(I0/It) = εb c 式中A:吸光度;描述溶液对光Байду номын сангаас吸收程度;(A无单位)
b:液层厚度(光程长度),通常以cm为单位;
(5)εmax越大表明该物质的吸光能力越强,用光度法测定该物
质的灵敏度越高。
通常,在λmax处:
ε﹥ 105
超高灵敏的方法
ε=(6~10)×104 高灵敏的方法
ε=(2~6)× 104 中灵敏的方法
ε﹤ 2 × 104
不灵敏的方法
(6)可作为定性鉴定的参数;
2.透光度T
透过度T: 描述入射光透过
吸收光谱与电子跃迁
1.紫外—可见吸收光谱
有机化合物的紫外-可见吸收光谱,是其分子中外层价
电子跃迁的结果(三种):σ电子、π电子、n电子。
分子轨道理论:一个成键轨 道必定有一个相应的反键轨 道。通常外层电子均处于分 子轨道的基态,即成键轨道 或非键轨道上。
外层电子吸收紫外或可见光后,就从基态向激发态(反
朗伯-比尔定律只适用于稀溶液。 (4)为克服非单色光引起的偏离,首先应选择比较好的单色器。
此外还应将入射光波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线 较平坦处。
(2) 化学性因素
• 朗白-比尔定律的假定:所有的吸光质点之间不发生相互作
用;此假定只有在稀溶液(c < 10-2mol/L)时才基本符合。 当溶液浓度c >10-2 mol/L 时,吸光质点间可能发生缔合等相
⑵n →σ*跃迁
所需能量较大。吸收波长为150~250nm,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 →σ*跃迁。如一氯甲烷 、甲醇、三甲基胺n →σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和
227nm。
⑶π→π*跃迁
所需能量较小,吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近
紫外区,摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上,属于
强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁
。如:乙烯π→π*跃迁的λ为162 nm, εmax为: 1×104 L·mol-1·cm-1。
⑷ n →π*跃迁
需能量最低,吸收波长λ>200nm。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10~100L·mol-1·cm-1
含有π键等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-N=N-、 乙炔基、腈基-C㆔N等。 助色团:
有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-X 等),它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光),但 当它们与生色团相连时,就会发生n-π共轭作用,增强生色
度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。
摩尔吸收系数ε的讨论
(1) ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在 某一波长下的吸光度。 (2)吸收物质是在一定温度、波长和溶剂条件下的特征常数。
(3)不随浓度c和光程长度b的改变而改变。ε 仅与吸收物质本
身的性质有关,与待测物浓度无关; (4)同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波 长λmax处的摩尔吸光系数,常以εmax表示。εmax表明了该吸收物质 最大限度的吸光能力,也反映了光度法测定该物质可能达到的最 大灵敏度。
(1)物理性因素
朗白-比尔定律的前提条件之一是入射光为单色光。
难以获得真正的纯单色光。
分光光度计只能获得近似于单色的狭窄光带。复合光可导 致对朗伯-比尔定律的正或负偏离。
非单色光、杂散光、非平行入射光都 会引起对朗白-比尔定律的偏离,最主要的 是非单色光作为入射光引起的偏离。
非单色光作为入射光引起的偏离
假设由波长为λ1和λ2的两单色光 组成的入射光通过浓度为c的溶液,则:
A 1 = lg(Io1 /It1 )=ε1bc
A 2 = lg(Io2 /It2 )=ε2bc
故:
It1 IO1 10ε 1bc ;
It2

I 10ε 2bc O1
式中:Io1、Io2分别为λ1、λ2 的入射光强度; It1、It2分别为λ1、λ2 的透射光强度;
ε1、ε2分别为λ1、λ2的摩尔吸光系数; 因实际上只能测总吸光度A总,并不能分别测得A1和A2,故
A总 = lg(Io总/It总 ) =lg(Io1+Io2)/(It1+It2) = lg(Io1+Io2)/(Io110 -ε1bc +Io210-ε2bc )
令: ε2 –ε1 = ; Io1 =Io2 A总 = lg(2Io1)/It1(1+10- bc ) = A1 + lg2 - lg(1+10- bc )
用不同波长的单色光照射,吸收曲线—测吸光度与吸收波
长之间的关系。
吸收曲线的讨论:
(1)同一种物质对不同波长的光 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λ max
(2)不同浓度的同一种物质,其 吸收曲线形状相似,λ max不变。而 对于不同物质,它们的吸收曲线形状 和λ max则不同。
(b) 使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。
解:
应用举例
某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm 波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300,试 计算(a)吸收系数;(b)使用5cm的吸收池时溶液的百分 透光度。 解: (a)a=A/bc=0.300/2.0×4.5×10-3=33.3L·g-1·cm-1
(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之一.
(4)不同浓度的同一种物质,在每一波长下吸光度 A 有差异,在λ max处吸 光度A 的差异最大,所以测定最灵敏,此特性可作为物质定量分析的依据。
3.紫外-可见吸收光谱与电子跃迁的关系
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
在光谱分析中,依据物质对光的选择性吸收而建立起来的 分析方法称为吸光光度法。
本章主要讲授紫外-可见吸光光度法。
2.物质对光的选择性吸收及其吸收曲线
M + h M*
基态
激发态
E1 (△E)
E2
E = E2 - E1 = h
量子化;选择性吸收; 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同;
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 E = Ee + Ev + Er Εe>Εv>Εr
能级跃迁
紫外-可见光谱属 于电子跃迁光谱。
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 产生的若干谱线而呈现 宽谱带。
c 轴弯曲,即负偏离;反之,则向A轴弯曲,即正偏离。
讨论:
A总 =A1 + lg2 - lg(1+10-ε bc )
(3)||很小时,即ε1≈ε2:
可近似认为是单色光。在低浓度范围内,不发生偏离。若浓度
较高,即使||很小,A总≠A1 ,且随着c值增大, A总与A1的差
异愈大,在图上则表现为A-c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故
键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为:
n →π* < π→π* < n →σ* < σ→σ*
n →π* < π→π* < n →σ* < σ→σ*
⑴σ→σ*跃迁
所需能量最大,σ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
λ<200nm,只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ 为125nm,乙烷λmax为135nm。
溶液的程度:
T = It /I0 吸光度A与透光度T的关系:
A = -lgT
朗伯-比尔定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应
用于各种光度法的吸收测量。
应用举例
某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm 波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300,试 计算
(a)吸收系数;
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。
红移和蓝移
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λmax和吸收强度发生变化: λmax向长波方向移动称为红移
,向短波方向移动称为蓝移。
吸收强度即摩尔吸光系数ε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。
4. 定性和定量分析依据
(1)定性分析依据: 可根据吸收光谱曲线的形状,即曲线上吸收峰的数
目,峰所对应的波长及峰的相对高度来进行定性分析。 (2)定量分析的依据:
根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来 进行定量分析。 A=lg(I0/It)= εb c
三、光的吸收定律
1.朗白-比尔定律
• 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐 明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。
讨论如下:
讨论:
A总 =A1 + lg2 - lg(1+10-εbc )
(1) = 0; 即: 1= 2 =
则: A总 =lg(Io/It)= bc
(2) ≠0 若 <0 ;即 2< 1 ; - bc>0,
lg(1+10 - bc )值随c值增大而增大,则标准曲线偏离直线向
(b)T=10-ab’c=10-A’ T%=10-ab’c×100%=10-A’×100%=17.81%
3. 朗伯-比尔定律偏离的原因
标准曲线法测定未知溶液的浓度 时,发现:标准曲线常发生弯曲(尤 其当溶液浓度较高时),这种现象称 为对朗伯-比尔定律的偏离。
引起这种偏离的因素(两大类): (1)物理性因素, (2)化学性因素。
c:溶液的摩尔浓度,单位 mol·L-1;
ε:摩尔吸光系数,单位L·mol-1·cm-1;在数值上等于浓度为
1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度;
或:
A=lg(I0/It) = a b c
c:溶液的浓度,单位 g·L-1
(A无单位)
a:吸光系数,单位 L·g-1·cm-1,相当于浓度为1g/L、液层厚
互作用,直接影响了对光的吸收。 • 故:朗伯-比尔定律只适用于稀溶液。
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。 例:铬酸盐和重铬酸盐溶液中存在下列平衡:
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。
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