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《仪器分析》教案6紫外可见吸收光谱法
第九章紫外-可见吸收光谱法
9.1教学建议
一、从光谱定性分析和定量分析的依据和方法入手,介绍紫外-可见吸收光谱原理、有
机和无机化合物的紫外-可见吸收光谱特征。
二、在通用光谱分析仪器结构的总框架下,介绍紫外-可见分光光度计结构组成、特点及应用。
9.2主要概念
一、教学要求:
(一)、掌握紫外-可见吸收光谱法的基本原理;
(二)、掌握物质分子结构与紫外-可见吸收光谱的关系;
(三)、了解紫外-可见分光光度计结构组成与应用。
二、内容要点精讲
§9-1概述
利用紫外可见分光光度计测量物质对紫外可见光的吸收程度(吸光度)和紫外可见吸收
光谱来确定物质的组成、含量,推测物质结构的分析方法,称为紫外可见吸收光谱法或紫外
可见分光光度法(ultravioletandvisiblespectrophotometry,UV-VIS)。
它具有如下特
占:
八、、♦
(1)灵敏度高适于微量组分的测定,一般可测定10-6g级的物质,其摩尔吸收系数
可以达到104~105数量级。
(2)准确度较高其相对误差一般在1%~5%之内。
(3)方法简便操作容易、分析速度快。
(4)应用广泛不仅用于无机化合物的分析,更重要的是用于有机化合物的鉴定及结构
分析(鉴定有机化合物中的官能团)。
可对同分异构体进行鉴别。
此外,还可用于配合物的
组成和稳定常数的测定。
紫外可见吸收光谱法也有一定的局限性,有些有机化合物在紫外可见光区没有吸收谱带,有的仅有较简单而宽阔的吸收光谱,更有个别的紫外可见吸收光谱大体相似。
例如,甲苯和乙苯的紫外吸收光谱基本相同。
因此,单根据紫外可见吸收光谱不能完全决定这些物质
的分子结构,只有与红外吸收光谱、核磁共振波谱和质谱等方法配合起来,得出的结论才会
更可靠。
§9-2紫外可见吸收光谱法的基本原理
当一束紫外可见光(波长范围200~760nm)通过一透明的物质时,具有某种能量的
光子被吸收,而另一些能量的光子则不被吸收,光子是否被物质所吸收既决定于物质的内部
结构,也决定于光子的能量。
当光子的能量等于电子能级的能量差时(即△E电=hf),
则此能量的光子被吸收,并使电子由基态跃迁到激发态。
物质对光的吸收特征,可用吸收曲
线来描述。
以波长入为横坐标,吸光度A为纵坐标作图,得到的A-入曲线即为紫外可见吸收光谱(或紫外可见吸收曲线)。
它能更清楚地描述物质对光的吸收情况(图9-1)。
从图9-1中可以看出:
物质在某一波长处对光的吸收最强,称为最大吸收峰,对应的波
长称为最大吸收波长(入max);低于高吸收峰的峰称为次峰;吸收峰旁边的一个小的曲折称
为肩峰;曲线中的低谷称为波谷其所对应的波长称为最小吸收波长(入min);在吸收曲线波
长最短的一端,吸收强度相当大,但不成峰形的部分,称为末端吸收。
同一物质的浓度不同时,光吸收曲线形状相同,最大吸收波长不变,只是相应的吸光度大小不同。
物质不同,其分子结构不同,则吸收光谱曲线不同,入max不同,所以可根据吸收光谱
曲线对物质进行定性鉴定和结构分析。
物质吸光的定量依据为朗伯-比尔定律:
A=KcL。
表明物质对单色光的吸收强度A与溶液的浓度c和液层长度L的乘积成正比,K为摩尔吸收系数,其单位为L•mol-1•cm-1,它与入射光的波长、溶液的性质以及温度有关。
K反映吸光物质对光的吸收能力,也反映定量测定的灵敏度。
K值越大,说明该物质在
某特定条件的吸收能力越强,测定的灵敏度越高。
它是描述物质紫外可见吸收光谱的主要特征,也是物质定性分析的重要依据。
§9-3紫外可见吸收光谱与分子结构的关系
一、电子跃迁的类型
紫外可见吸收光谱是由于分子中价电子能级跃迁而产生的。
因此,有机化合物的紫外可
见吸收光谱取决于分子中价电子的性质。
根据分子轨道理论,在有机化合物分子中与紫外可见吸收光谱有关的价电子有三种:
形
成单键的Z电子,形成双键的n电子和分子中未成键的孤对电子,称为n电子。
当有机化合物吸收了可见光或紫外光,分子中的价电子就要跃迁到激发态,其跃迁方式主要有四种类
型,即ZtZ*,mZ*,mn*,ntn*。
各种跃迁所需能量大小为:
ZZ*>nfZ*》nTn*>ntn*。
电子能级间位能的相对大小见图9-2所示。
一般未成键孤对电子n容易跃迁到激发态。
成键电子中,n电子较Z电子具有较高的能级,而反键电子却相反。
故在简单分子中的nTn*跃迁需要的能量最小,吸收峰出现在长波段;nt冗*跃迁的吸收峰出现在较短
波段;而ZtZ*跃迁需要的能量最大,出现在远紫外区。
1.ZTZ*跃迁
成键Z电子由基态跃迁到Z*轨道;在有机化合物中,由单键构成的化合物,如饱和烃类能产生ZTZ*跃迁。
引起ZTZ*跃迁所需的能量很大。
因此,所产生的吸收峰出现在远紫外区,即在近紫外区、可见光区内不产生吸收,故常采用饱和烃类化合物做紫外可
见吸收光谱分析时的溶剂(如正己烷、正庚烷)。
2.ntz*跃迁
分子中未共用n电子跃迁到Z*轨道;凡含有n电子的杂原子(如0、N、X、S等)的饱和化合物都可发生nTZ*跃迁。
此类跃迁比ZTZ*所需能量小,一般相当于150-250nm的紫外光区,但跃迁概率较小,K值在102~103L•mol-1•cm-1,属于中等强度吸收。
3.ntn*跃迁
成键n电子由基态跃迁到n*轨道;凡含有双键或三键的不饱和有机化合物(如〉C=C
V、一C^C—等)都能产生ntn*跃迁。
其所需的能量与nTn*跃迁相近,吸收峰在200nm附近,属强吸收。
共轭体系中的ntn*跃迁,吸收峰向长波方向移动,在200-700nm的紫外可见光区。
nT冗*跃迁
未共用n电子跃迁到n*轨道。
含有杂原子的双键不饱和有机化合物能产生这种跃迁。
如含有>C=O>C=S—N=O—N=N-等杂原子的双键化合物。
跃迁的能量较小,吸收峰出现在200-400nm的紫外光区,属于弱吸收。
nTn*及nTn*跃迁都需要有不饱和官能团存在,以提供n轨道。
这两类跃迁在有机化合物中具有非常重要的意义,是紫外可见吸收光谱的主要研究对象,因为跃迁所需的能量使吸收峰进入了便于实验的光谱区域(200-1000nm)。
二、发色团、助色团和吸收带
1.发色团
含有不饱和键,能吸收紫外、可见光产生n^n*或n^n*跃迁的基团称为发色团(或生色团)。
例如>C=C<、一C=C—、>C=O>C=I—、一N=l—、一COOH等。
2.助色团
含有未成键n电子,本身不产生吸收峰,但与发色团相连,能使发色团吸收峰向长波方
向移动,吸收强度增强的杂原子基团称为助色团。
例如一NH2—OH—OR—SR—X等。
3.吸收带
在紫外可见吸收光谱中,吸收峰的波带位置称为吸收带,通常分以下四种。
(1)R吸收带这是与双键相连接的杂原子(例如C=OC=NS=O等)上未成键电子的孤对电子向n*反键轨道跃迁的结果,可简单表示为n^n*。
其特点是强度较弱,一般K<102L•mol-1•cm-1;吸收峰位于200-400nm之间。
(2)K吸收带是二个或二个以上双键共轭时,n电子向n*反键轨道跃迁的结果,
可简单表示为n^n*。
其特点是吸收强度较大,通常K>104L•mol-1•cm-1;跃迁所需
能量大,吸收峰通常在217-280nm。
K吸收带的波长及强度与共轭体系数目、位置、取代基的种类有关。
其波长随共轭体系的加长而向长波方向移动,吸收强度也随之加强。
K吸收带
是紫外可见吸收光谱中应用最多的吸收带,用于判断化合物的共轭结构。
(3)B吸收带也是由于芳香族化合物苯环上三个双键共轭体系中的n^n*跃迁
和苯环的振动相重叠引起的精细结构吸收带,但相对来说,该吸收带强度较弱。
吸收峰在
230-270nm之间,K~102L•mol-1•cm-1oB吸收带的精细结构常用来判断芳香族化合物,但苯环上有取代基且与苯环共轭或在极性溶剂中测定时,这些精细结构会简单化或消失。
(4)E吸收带由芳香族化合物苯环上三个双键共轭体系中的n电子向n*反键轨道
n^n*跃迁所产生的,是芳香族化合物的特征吸收。
E1带出现在185nm处,为强吸收,K
>104L•mol-1•cm-1;E2带出现在204nm处,为较强吸收,K>103L•mol-1•cm-1。
当苯环上有发色团且与苯环共轭时,E1带常与K带合并且向长波方向移动,B吸收带的精细结构简单化,吸收强度增加且向长波方向移动。
例如苯乙酮和苯的紫外吸收光谱(见图9-3)。
以上各吸收带相对的波长位置大小为:
R>B>KE1、E2,但一般K和E带常合并成一
个吸收带。
三、影响紫外可见吸收光谱的因素
紫外可见吸收光谱主要取决于分子中价电子的能级跃迁,但分子的内部结构和外部环境
都会对紫外可见吸收光谱产生影响。
了解影响紫外可见吸收光谱的因素,对解析紫外光谱、鉴定分子结构有十分重要的意义。
1.共轭效应
共轭效应使共轭体系形成大n键,结果使各能级间能量差减小,跃迁所需能量减小。
因此共轭效应使吸收的波长向长波方向移动,吸收强度也随之加强。
随着共轭体系的加长,吸收峰的波长和吸收强度呈规律地改变。
2.助色效应
助色效应使助色团的n电子与发色团的n电子共轭,结果使吸收峰的波长向长波方向移动,吸收强度随之加强。
3.超共轭效应
这是由于烷基的Z键与共轭体系的n键共轭而引起的,其效应同样使吸收峰向长波方向移动,吸收强度加强。
但超共轭效应的影响远远小于共轭效应的影响。
4.溶剂的影响
溶剂的极性强弱能影响紫外可见吸收光谱的吸收峰波长、吸收强度及形状。
如改变溶
剂的极性,会使吸收峰波长发生变化。
表9-1列出了溶剂对异亚丙基丙酮CH3COCH=C(CH3)2
紫外吸收光谱的影响。
从表9-1可以看出,溶剂极性越大,由n^n*跃迁所产生的吸收峰
向短波方向移动(称为短移或紫移),而n^n*跃迁吸收峰向长波方向移动(称为长移或
红移)。
表9-1异亚丙基丙酮的溶剂效应
剂
溶
己烷
正
氯仿
甲醇
水
n
230
238n
237n
243n
向长波
tn
*
nm
m
m
m
移动
nT
329
315n
309n
305n
向短波
n*
nm
m
m
m
移动
因此,测定紫外可见光谱时应注明所使用的溶剂,所选用的溶剂应在样品的吸收光谱区
内无明显吸收。
四、各类有机化合物的紫外可见特征吸收光谱
1.饱和有机化合物
饱和碳氢化合物只能产生ZtZ*跃迁,所需能量较高,只有远紫外光的能量才行,在
所研究的近紫外、可见光区不产生吸收,因此常被用于做紫外可见光谱分析时的溶剂。
2.不饱和有机化合物
(1)含有孤立双键的化合物烯烃能产生n^n*跃迁,吸收峰位于远紫外区。
当烯
烃双键上的碳原子被杂原子取代时(如〉C=O>C=S等基团),可产生n^n*、n^n*及
n^Z*跃迁。
(2)含有共轭双键的化合物共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物中由于存在共轭效应,使n^n*跃迁所需能量减小,从而使其吸收波长和吸收程度随着共轭体系的增加
而增加。
其最大吸收波长除可以用紫外可见分光光度计测量外,还可利用经验公式推算,有
时将计算结果与实验结果相比较,可确定待测物质的结构。
a,3—不饱和醛酮等化合物的入max可根据进行计算。
1Woodward-Fieser规则
链状及环状共轭多烯的入max计算时,首先从母体得到一个最大吸收的基本值,然后对
连接在母体n电子体系上的不冋取代基以及其它结构因素加以修正。
表9-2共轭多烯类化合物最大吸收波长计算法*(以己烷为溶剂)
母体基本值
入max
举例说明
链状共轭二烯
/nm
单环共轭二烯
217
异环共轭二烯同环共轭二烯
217
214
Jco
253
o
增加值
延伸一个共轭双键增加一个烷基或环基
+30
+5
O
取代
+5
增加一个环外双键
O7
助色团取代
—OCOR酯基)
+0
—Cl或Br
+5
—OR烷氧基)
+6
—NR2
+60
—SR(烷硫基)
+30
*同环二烯与异环二烯同时并存时,按同环二烯计算。
2Fieser-Kuhn规则
如果一个多烯分子中含有四个以上的共轭双键,则它们在己烷中的吸收光谱的入max
值和emax值分别由Fieser-Kuhn规则计算
入max=114十5M十n(48.0—1.7n)—16.5R1—10R2
emax=1.74x104n
式中,M是双键体系上烷基取代的数目;n是共轭双键的数目,R1是具有桥环双键的环
数;R2是具有环外双键的环数。
3Scott规则
f1
SY3a
a,3-不饱和羰基化合物(醛酮)的n^n*跃迁吸收波长入max计算法如表9-3所示。
表9-3a,3-不饱和醛酮最大吸收波长计算法(以乙醇为溶剂)
母体基本值
链状a,3-不饱和醛
直链及六元环a,3-不饱和酮五元环a,3-不饱和酮
a,3-不饱和酸酯
ntn*
207
215
202
193
跃迁
入max/nm
增加值
同环共轭二烯
+39
增加一个共轭双键
+30
增加一个环外双键、
五元及七元环内双
键
+5
烯基上取代
a
位
3位丫位
烷基或环残基取代
S位
烷氧基取代一OR
10
12
18
18
羟基取代一0H
35
30
17
31
酰基取代一OCOR
35
30
50
50
卤素Cl
6
6
6
6
卤素Br
15
12
12
12
含硫基团取代一SR
25
30
25
25
氨基取代一NRR
80
95
3.芳香族化合物
由前所述可知,E带和B带是芳香族化合物的特征吸收,它们均由n^n
表9-4苯及其衍生物的吸收特征
e2吸收帯
H吸收带
mol1*cm1
A^/nm
k/L*mol1*cm1
H
204
7900
254
204
—NH2
203
7500
254
L60
—CH,
206
7000
261
225
—I
207
7000
257
700
—Cl
209
7400
263
L90
—OCH5
217
6400
269
—Br
210
7900
261
192
—OH
210
6200
270
1450
—COCH3
245
1300C
278
1100
—CHO
249
H4W
为强E带掩盖
—
230
11G00
273
970
—o
235
9400
287
2600
跃迁产生,当苯环上的取代基不同时,其E2带和B带的吸收峰也随之变化,故可由此
来鉴定各种取代基。
苯及其衍生物的吸收特征见表9-4。
§9-4紫外可见分光光度计
用于测量和记录待测物质对紫外光、可见光的吸光度及紫外-可见吸收光谱,并进行定
性定量以及结构分析的仪器,称为紫外可见吸收光谱仪或紫外可见分光光度计。
一、仪器的基本构造
紫外可见分光光度计,其波长范围200〜100Onm,构造原理与可见光分光光度计(如
721型分光光度计)相似,都是由光源、单色器、吸收池、检测器和显示器五大部件构成,见图9-4。
图9-4紫外町见分光光度计结构示意图
1.光源
光源是提供入射光的装置。
要求在所需的光谱区域内,发射连续的具有足够强度和稳定的紫外及可见光,并且辐射强度随波长的变化尽可能小,使用寿命长。
在可见区常用的光源为钨灯,可用的波长范围350〜1000nm。
在紫外区常用的光源
为氢灯或氘灯,它们发射的连续光波长范围为180〜360nmo其中氘灯的辐射强度大,稳定
性好,寿命也长。
2.单色器
单色器是将光源辐射的复合光分成单色光的光学装置。
单色器一般由狭缝、色散元
件及透镜系统组成。
最常用的色散元件是棱镜和光栅。
棱镜通常用玻璃、石英等制成。
玻璃适用于可见光区,石英材料适用于紫外光区。
3.吸收池
用于盛装试液的装置。
吸收池材料必须能够透过所测光谱范围的光,一般可见光区
使用玻璃吸收池,紫外光区使用石英吸收池。
4.检测器
是将光信号转变成电信号的装置。
要求灵敏度高,响应时间短,噪声水平低且有良
好的稳定性。
常用的检测器有硒光电池、光电管、光电倍增管和光电二极管阵列检测器。
硒光电池构造简单,价格便宜,使用方便,但长期曝光易“疲劳”,灵敏度也不高。
光电管灵敏度比硒光电池高,它能将所产生的光电流放大,可用来测量很弱的光。
常用的光电管有蓝敏和红敏光电管两种。
前者是在镍阳极表面沉积锑和铯,适用波长范围210〜
625nm;后者是在阴极表面沉积银和氧化铯,适用范围625〜1000nm。
光电倍增管比普通光电管更灵敏,是目前高中档分光光度计中常用的一种检测器(其工
作原理见第八章中“光电转换器”)。
光电二极管阵列检测器(photo-diodearraydetector)是紫外可见光度检测器的一个重要进展。
这类检测器用光电二极管阵列作检测元件,阵列由数百个光电二极管组成,各
自测量一窄段即几十微米的光谱。
通过单色器的光含有全部的吸收信息,在阵列上同时被检
测,并用电子学方法及计算机技术对二极管阵列快速扫描采集数据,由于扫描速度非常快,可以得到三维(A,入,t)光谱图。
5.显示器
常用的装置有电表指示、图表指
显示器是将检测器输出的信号放大并显示出来的装置。
示及数字显示等。
二、仪器的类型
紫外可见分光光度计主要有单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计
以及光电二极管阵列分光光度计。
1.单光束分光光度计
单光束分光光度计光路示意图如前面的图9-4所示,一束经过单色器的光,轮流通过参
比溶液和样品溶液来进行测定。
这种分光光度计结构简单,价格便宜,主要用于定量分析。
但这种仪器操作麻烦,如在不同的波长范围内使用不同的光源、不同的吸收池,且每换一次
波长,都要用参比溶液校正等等,也不适于作定性分析。
国产的751型和WFD-8A型分光光
度计都是单光束分光光度计。
2.双光束分光光度计
双光束分光光度计的光路设计基本上与单光束相似,如图9-5所示,经过单色器的光被
斩光器一分为二,一束通过参比溶液,另一束通过样品溶液,然后由检测系统测量即可得到
样品溶液的吸光度。
由于采用双光路方式,两光束同时分别通过参照池和测量池,使操作简单,同时也消除了因光源强度变化而带来的误差。
国产的双光束分光光度计有710型和730型。
图9-6
是一种双光束记录式分光光度计光路系统图。
W9-5双光朿分光尤度订测罐示息图
9-6一种双光束、门动记碱式紫外町见分光比度计比程原理图
3.双波长分光光度计
闰9-7或波长分光光度计示意图
单光束和双光束分光光度计,就测量波长而言,都是单波长的。
双波长分光光度计是用
两种不同波长(入1和入2)的单色光交替照射样品溶液(不需使用参比溶液)。
经光电倍增
管和电子控制系统,测得的是样品溶液在两种波长入1和入2处的吸光度之差△A,△A=
A入1—A入2,只要入1和入2选择适当,△A就是扣除了背景吸收的吸光度。
仪器原理方框图如图9-7所示。
双波长分光光度计不仅能测定高浓度试样、多组分混合试样,并能测定混浊试样(见
§9-5中“用双波长分光光度法进行定量分析”)。
双波长分光光度计在测定相互干扰的混
合试样时,不仅操作简单,而且精确度高。
4.光电二极管阵列分光光度计
一种利用光电二极管阵列作多道检测器,由微型电子计算机控制的单光束紫外可见分光
光度计,具有快速扫描吸收光谱的特点。
从光源发射的复合光,通过样品吸收池后经全息光栅色散,通过一个可移动的反射镜使
光束通过几个吸收池,色散后的单色光由光电二极管阵列中的光电二极管接受,光电二极管
与电容耦合,当光电二极管受光照射时,电容器就放电,电容器的带电量与照射到光电二极
管上的总光量成正比。
由于单色器的谱带宽度接近于光电二极管的间距,每个谱带宽度的光
信号由一个光电二极管接受,一个光电二极管阵列可容纳400个光电二极管,可覆盖200〜
800nm波长范围,分辨率为1〜2nm其全部波长可同时被检测而且响应快,在极短时间内(2s)
给出整个光谱的全部信息。
§9-5紫外可见吸收光谱法的应用
一、定性分析
以紫外可见吸收光谱进行定性分析时,通常是根据吸收光谱的形状,吸收峰的数目以及
最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数进行定性鉴定。
一般采用比较光谱法,即在相同
的测定条件下,比较待测物与已知标准物的吸收光谱曲线,如果它们的吸收光谱曲线完全等
同(入max及相应的K均相同),则可以认为是同一物质。
进行这种对比法时,也可借助前人汇编的标准谱图进行比较。
二、结构分析
1.根据化合物的紫外可见吸收光谱推测化合物所含的官能团
例如,某化合物在紫外可见光区无吸收峰,则它可能不含双键或环状共轭体系,它可能
是饱和有机化合物。
如果在200〜250nm有强吸收峰,可能是含有两个双键的共轭体系;在260〜350nm有强吸收峰,则至少有3〜5个共轭发色团和助色团。
如果在270〜350nm区域
内有很弱的吸收峰,并且无其它强吸收峰时,则化合物含有带n电子的未共轭的发色团(>
C=O—NO2—N=N—等),弱峰由n~n*跃迁引起的。
如在260nm附近有中吸收且有一定的精细结构,则可能有芳香环结构(在230〜270nm的精细结构是芳香环的特征吸收)。
2.利用紫外可见吸收光谱来判别有机化合物的同分异构体
例如,乙酰乙酸乙酯的互变异构体:
酮式烯醇式
酮式没有共轭双键,在206nm处有中吸收;而烯醇式存在共轭双键,在245nm处有强
吸收(K=18000L•mol-1•cm-1)。
因此根据它们的吸收光谱可判断存在与否。
一般在极性溶剂中以酮式为主;非极性溶剂中以烯醇式为主。
又如,1,2-二苯乙烯具有顺式和反式两种异构体:
由于顺反异构体的入max及K不同,可用紫外可见光谱判断顺式或反式构型。
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