紫外-可见吸收光谱

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过渡金属离子(中心离子)具有能量相等的d轨道,而 H2O,NH3之类的偶极分子或Cl-,CN-这样的阴离子(配 位体)按一定的几何形状排列在过渡金属离子周围(配位), 使中心离子的d轨道分裂为能量不同的能级。
若d轨道原来是未充满的,则可以吸收电磁波, 电子由低能级的d轨道跃迁到高能级的d*轨道而产 生吸收谱带。所以这类跃迁吸收能量较小,多出现 在可见光区。
分子轨道 对称 波函数ψ 操作
符号不变 符号改变
g型轨道,ψg,对称波函数 u型轨道,ψu,反对称波函数
允许跃迁要求电子只能在对称性不同性的不同能级之间跃迁
例:g→u 允许 g→g 禁阻 u→u 禁阻
1.3.1 有机化合物的电子跃迁类型
现以羰基C=O为例来说明电子跃迁类型。
HC O n
s
Hp
碳上2个电子,氧上4个电子,形成σ、π、n、π*、σ*轨道
即 E=Ee+Ev+Er ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
(1) ΔEr=0.005~0.050eV λ = 250~25μm 远红外光谱
(2) ΔEv=0.05~1eV λ = 25~1.25μm 红外吸收光谱
(3) ΔEe=1~20eV λ = 0.06~1.25μm 紫外-可见光谱
分子吸收 光谱的产生
紫外-可见吸收 光谱
组员:贺小云 吕丹丹
第一节 紫外光谱基本原理
1.1 概述 1.2 紫外可见吸收光谱的产生 1.3 电子的跃迁类型 1.4 常用光谱术语及谱带分类 1.5 影响因素
1.1 概述
分子吸收紫外-可见光区190~800nm的电磁波,使其电 子从基态跃迁到激发态,从而产生的吸收光谱称紫外-可见 吸收光谱(Ultraviolet-Visible Absorption Spectra)。简称紫 外光谱(UV-Vis)。又称为电子吸收光谱。
n<p
p p
n
p
p
p
CC
非极性 极性
n >p
n → p*跃迁:蓝移; ; p → p*跃迁:红移; ;
pp np
max(正己烷)
230 329
max(氯仿)
238 315
max(甲醇)
237 309
max(水)
243 305
C、溶剂的选择:
☺ 惰性溶剂,形成良好的化学和光化学稳定性。 ☺ 在溶解度许可的条件下,尽量选择极性较小的溶 剂。 ☺ 溶剂在试样的吸收光谱无吸收。
吸收光谱 Absorption Spectrum
h S3
S2
E3
A
E2
纯电子能 S1
E1
态间跃迁 S0
E0
锐线光谱
h S2
S1 分子内电 子跃迁
S0
A 带状光谱
电子基态到激发态的许 多振动(或转动)能级都可 能发生电子跃迁,电子跃迁 一定伴随着振动能级和转动 能级的跃迁。因此会产生一 系列波长间隔对应于振动 (或转动)能及间隔的谱线。 电子跃迁并非仅产生一条波 长一定的谱线,而是产生一 系列谱线。一般分光光度计 分辨率只能观察到较宽的带。 ※ 实际上电子能级间隔比图示大的多,而
原子半径较大的S或I的衍生物n电子的能级较高,n → σ *吸 收光谱的λmax在近紫外区220~250 nm附近;而原子半径较小的O 或Cl衍生物,n电子能级较低,吸收光谱λmax在远紫外区170~180 nm附近。
c、π→π*跃迁
π电子交易激发到π* 轨道,吸收波长处于远紫外区 的近紫外端或近紫外区,其 ε 一般在104L·mol-1·cm-1以上, 在选律上属于允许跃迁,吸收谱带强度较大。不饱和烃、 共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。
转动能级间隔要比图示小得多
Frank-Condon原理
原子核的移动与电子跃迁相比要慢的多,所以分子在 吸收光子的一瞬间,分子保持在基态时的构型和振动能级, 这就是Frank-Condon原理。
能量与距离的关系 激发态键的强度比基态低,
激发态平均核间距也比基态核 间距长。 E0V0 → E1V’0
E0V0 → E1V’1 E0V0 → E1V’2
荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易 程度有关。
例:Fe3+与SCN-形成血红色配合物,在490nm处有强吸 收峰。其实质是发生了反应:
[Fe3+ SCN- ] +hν= [Fe SCN ]2+
b. 配体微扰的金属离子d-d*
配位体场吸收谱带指的是过渡金属水合离子或过渡金 属离子与显色剂(通常是有机化合物)所形成的络合物在外 来辐射作用下获得相应的吸收光谱。
CH2=CH-CH=CH-CH=CH2 λmax 258 nm ε35000
c、B带(Benzenoid band 苯型)
产生:苯的π→π * 跃迁和振动效应的重叠引起 峰形:为一宽峰并出现若干小峰 λmax:230 ~ 270 nm,中心254 nm,εmax :250左右
苯环的特征峰,苯环被取代后,精细结构消失或 部分消失, 常用来识别芳香族化合物。
络合物或分子中的两个体系, D是给电子体,A是受电子体
黄色的四氯苯醌与无色的六甲基苯形成的深红色络合物
O
Cl
Cl
O Cl
=
Cl
Cl
O
(黄色)
(无色)
Cl
Cl
(深O 红色)
电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁,其摩尔吸光 系数一般都较大(10 4左右),因此利用其进行定量分析灵敏 度高,适宜于微量金属的检出和测定。
1.5 影响紫外-可见光谱的因素
1.5.1溶剂效应ห้องสมุดไป่ตู้
a 、溶剂对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性↑,苯环精细结构消失
b、溶剂极性对轨道能量的影响:
极性溶剂对不同轨道的溶剂化作用不同,轨道的极性 顺序:n> p* > p, 因此n轨道溶剂化作用最强,易被极 性溶剂稳定,能量下降最多。
p
p
n
n
p
CO
非极性 极性
a、σ→σ*跃迁
σ→σ*跃迁所需能量最大;相应波长小于200 nm, 属 远紫外区,很少讨论。
饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区;
例:甲烷的λmax为125nm 乙烷的λmax为135nm
只能被真空紫外分光光度 计检测到; 一般可作溶剂使用;
b、n →σ*跃迁
指含杂原子(O,N,S,X)的饱和烃的衍生物,其杂原子上未成键 电子(n-电子)向σ*轨道的跃迁。其所需能量较σ→σ*跃迁低。一 般在200 nm左右。
非共轭π轨道的π→π*跃迁,对应波长范围在 160~190nm。两个或两个以上的π共轭键,随共轭体系 的增大, π→π*跃迁能量降低,对应波长增大至近紫 外光区甚至可见光区。
例:乙烯π→π*跃迁的λ为162 nm, εmax为: 1×104 L·mol-1·cm-1。
d、 n →π*跃迁
n →π*跃迁发生在碳原子或其他原子与带有未成 键的杂原子形成的π键化合物中,如含有C=O、C=S、 N=O等键的化合物分子。n →π* 跃迁,所需能量较 低,对应波长范围在近紫外区。这类跃迁在跃迁在选 律上属于禁阻跃迁,摩尔吸光系数一般为10~100 L·mol-1 ·cm-1,吸收谱带强度较弱。
E =E2- E1 =h =hc/λ
1.2.2 分子的电子光谱
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)分子本身绕其中心的转动 分子具有三种不同能级:电子能级、振动能级和转动能级 分子的内能:电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er
1.4.2 谱带的类型
a、R带 (德文Radikalartin基团型) n→π*跃迁引起的吸收带
产生该吸收带的发色团:p-π共轭体系
如-C=O,-NO2,-CHO等。
谱带特征:强度弱 ε<100 (lgε<2) λmax ≥ 270 nm
CH3CHO CH2=CH-CHO
291 nm ε11 315 nm ε14
例:Ti(H2O)63+水合离子的配位场跃迁吸收带 λmax = 490 nm。
1.4 常用光谱术语及谱带分类
1.4.1 光谱术语
生色团
由于分子中某一基团或体 系的存在而使分子产生吸 收出现谱带 生色基的结构特征:π电子。 常见的生色基:羰基、羧 基、酯基、硝基、偶氮基 及芳香体系等
助色团
某一基团或体系在紫外—可 见光区内不一定有吸收,但 与生色基相连时能使生色基 的吸收带红移,且强度增加。 助色基的结构特征:通常都 含有n电子 常见的助色基:羟基、胺基、 硝基、巯基、卤素等
d、E带(Ethylenic band 乙烯型 分为E1和E2带)
E1带: λmax 184 nm左右,lgε > 4。 E1带为苯环的特征谱带, 吸收强度较大。苯环上有助色团 时,向长波方向移至200 ~ 220 nm。
E2带: λmax 203 nm左右,εmax约为7400。 苯环中共轭二烯引起的π→π* 跃迁。该带相当于K带。 苯环引入发色团与苯环共轭,E2带移至220 ~ 250 nm, ε> l0000,此时亦称K带。
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
紫外-可见吸收光谱的产生:
由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射,分子中价电 子(或外层电子)能级跃迁,使得照射前后的光强度变化 ,将其转变为电信号并记录下来,就可得到光强度变化对 波长的关系曲线,即为紫外可见吸收光谱。
1.2.3 谱线的形状及Franck-Condon原理
原子核位置不变 由基态平衡位置向激发态作一垂线(垂直跃迁),交于
某一振动能级的波函数最大处,此振动能级跃迁几率最大。
当电子从基态向激发态某 一振动能级跃迁时,若跃迁几 率大, 吸收峰也大。
电子从基态 (E0V0) 向激发态 E1 不同振动能级跃迁 会产生精细结构,在溶液中往往见到的是一个很宽的峰。
禁阻跃迁
电子跃迁方式: σ→ σ * 、 σ → π *、 π → σ *、 n → σ *、 π → π *、n → π * , 跃迁能量依次递减 。
实际常见的电子跃迁: σ→σ* 、 n → σ*、 π → π*、n → π*
四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为: n→π* < π→π* < n→σ* < σ→σ*
2、pH值的影响
无论是在紫外或可见区,介质pH值的变化 常引起被测样品的化 学变化,影响其吸收 光谱。
第二节 紫外—可见分光光度计
2.1 分光光度计的基本组成 2.2 分光光度计的类型
2.1 分光光度计的基本组成
光源
单色器 吸收池 检测器 显示
紫外-可见分光光度计组件
光源 单色器 样品池
b、K带 (德文Konjugierte 共轭的)
由π→π* 跃迁引起的吸收带
产生该吸收带的发色团:分子中π-π共轭系统。 特点:强度很强,ε≥10000 (logε≥4)
孤立双键的π → π* 跃迁一般在<200 nm
共轭双键增加,发生红移,强度加强
CH2=CH-CH=CH2
λmax 223 nm ε22600
氘灯(185-395nm);卤钨灯(350-800nm) 基本要求:光源强,能量分布均匀,稳定 棱镜:玻璃,石英 光栅:平面透射光栅,反射光栅 作用:将复合光色散成单色光
红移 λmax向长波方向移动 蓝移 λmax向短波方向移动 增色效应:吸收强度即摩尔吸光系数ε增大 减色效应:吸收强度即摩尔吸光系数ε减小
末端吸收:指吸收曲线随波长 变短而强度增大,直至仪器测 量的极限(190nm),即在仪器 极限处测出的吸收。
肩峰:指吸收曲线在下降或上 升过程中出现停顿,或吸收稍 微增加或降低的峰,是由于主 峰内隐藏有其他峰。
1.3 电子跃迁类型
选择定则—把量子理论应用于激发过程所得
a、电子自旋允许跃迁
根据Pauli原理,处于分子同一轨道的两个 电子自旋方向相反,用±1/2表示,其代数和 S(电子的自旋量子数)=0。
受激 跃迁 电子
自旋方向不变 自旋方向改变
(2S+1)=1 单重激发态 (2S+1)=3 三重激发态
b、对称性允许跃迁
例: 丙酮n →π*跃迁的λ为275nm εmax为22 L·mol-1 ·cm -1(溶剂环己烷)。
1.3.2无机化合物的电子跃迁类型
a.电荷转移跃迁
当分子形成络合物或分子内的两大π体系相互接近时, 可发生电荷由一个部分跃迁到另一部分产生电荷转移吸收光
谱,这种跃迁的一般表达式为:
h
D+A
D+A-
远紫外区 10 ~ l90 nm 紫外可见光 3个区域 紫外区 190 ~ 400 nm
可见区 400 ~ 800 nm
1.2 紫外可见吸收光谱的产生
1.2.1 物质对光的选择性吸收
M + h M*
基态
激发态
M+热 M+荧光或磷光
E1 (△E) E2
由于物质分子的能量是不连续的,即能量是量子化的。 只有当入射光的能量与物质分子的激发态和基态的能量差 相等时才能发生吸收,即:
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