紫外-可见分光光度法

nullnull第二章 紫外-可见分光光度法 (Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, UV-Vis)   2.1 紫外-可见吸收光谱 2.2 吸收光谱的测量-----Lambert-Beer 定律 2.3 紫外-可见光度计仪器组成 2.4 条件选择 2.5 UV-Vis分光光度法的应用 UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的吸收特性。 UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在160~780nm. UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定 许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。 null2.1 紫外-可见吸收光谱 一、分子吸收光谱的形成 1. 过程：运动的分子外层电子--------吸收外来外来辐射------产生电子能级跃迁-----分子吸收谱。 2. 能级组成：除了电子能级(Electron energy level)外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动(Vibration)能级和转动(Rotation)能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和： 其中Ee最大：1-20 eV; Ev次之：0.05-1 eV; Er最小：0.05 eV 可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。 null 不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。 定性分析具体做法是让不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。nullnullnull各轨道能级高低顺序： n**； 可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*null-*：C-H共价键，如CH4（125nm）；C-C键，如C2H6(135nm)，处于 真空紫外区； -* 和-*跃迁：尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处于 真空紫外区； n-*：含有孤对电子的分子，如H2O(167nm)；CH3OH(184nm)；CH3Cl (173nm);CH3I(258nm)；(CH3)2S(229nm)；(CH3)2O(184nm) CH3NH2(215nm)；(CH3)3N(227nm)，可见，大多数波长仍小于 200nm，处于近紫外区。 以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关（-*，-*，-*和n-*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。 只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。 null2. 几个概念： 生色团（Chromogenesis group）： 分子中含有非键或键的电子体系，能吸收外来辐射时并引起n-* 和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。 助色团（Auxochromous group） ： 含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。 红移或蓝移（Redshift or blueshift）： 在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。 那么促使分子发生红移或蓝移的因素有哪些呢？null1）共轭体系的存在----红移 如CH2=CH2的-*跃迁，max=165~200nm；而1,3-丁二烯，max=217nm 2）异构现象：使异构物光谱出现差异。 如CH3CHO含水化合物有两种可能的结构：CH3CHO-H2O及CH3CH(OH)2; 已烷中，max=290nm，表明有醛基存在，结构为前者；而在水溶液中，此峰消失，结构为后者。 3）空间异构效应---红移 如CH3I(258nm), CH2I2(289nm), CHI3(349nm) 4）取代基：红移或蓝移。 取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移；取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。 苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。null5）pH值：红移或蓝移 苯酚在酸性或中性水溶液中，有210.5nm及270nm两个吸收带；而在碱性溶液中，则分别红移到235nm和 287nm（p- 共轭）. 6）溶剂效应：红移或蓝移 由n-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成 H 键的能力增加，发生蓝移；由-*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。 随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。null无机物分子能级跃迁 一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括 p-d 跃迁或称电荷转移跃迁以及 d-d, f-f 跃迁或称配场跃迁。 1. 电荷转移跃迁 (Charge transfer transition) 一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。 max 较大 (104以上)，可用于定量分析。null2. 配场跃迁(Ligand field transition) 过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道(Degeneration orbit)，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂，如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。 吸收系数 max 较小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。nullnull2.2 吸收光谱的测量-----Lambert-Beer 定律 一、  几个术语 当强度为I0的入射光束(Incident beam) 通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失，这种损失有时可达10%，那么， I0=Ie + Is +I r 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！null二、Lambert-Beer 定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即 k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。  当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即  当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以 表示，即  比 a 更常用。 越大，表示方法的灵敏度越高。 与波长有关，因此， 常以表示。 null三、偏离 L-B 定律的因素 样品吸光度 A 与光程 b 总是成正比。但当 b 一定时，A 与 c 并不总是成正比，即偏离 L-B 定律！这种偏离由样品性质和仪器决定。 1. 样品性质影响 a）待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射 的吸收能力发生变化--- 变化； b）试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配 体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化； c）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响； d）胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。 nullnullb）谱带宽度与狭缝宽度：“单色光”仅是理想情况，经分光元件色散所得的“单色光”实际上是有一定波长范围的光谱带(即谱带宽度)。单色光的“纯度”与狭缝宽度有关，狭缝越窄，它所包含的波长范围越小，单色性越好。null2.3 紫外-可见光度计仪器组成 紫外-可见光度计仪器由光源、单色器、吸收池和检测器四部分组成。 一、光源 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。 1. 钨及碘钨灯：340~2500 nm，多用在可见光区； 2. 氢灯和氘灯：160~375nm，多用在紫外区。 二、单色器(Mnochromator) 与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解） 三、吸收池(Cell，Container)： 用于盛放样品。可用石英或玻璃两种制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。有些透明有机玻璃亦可用作吸收池。 四、检测器：硒光电池、PMT、PDAnullnullnull3. 分光光度计的校正 当光度计使用一段时间后其波长和吸光度将出现漂移，因此需要对其进行校正。 波长标度校正： 使用镨-钕玻璃（可见光区）和钬玻璃（紫外光区）进行校正。因为二者均有其各自的特征吸收峰。 吸光度标度校正： 采用 K2CrO4 液校正（在25oC时，于不同波长处测定0.04000g/L的 KOH 溶液（0.05mol/L）的吸光度 A，调整光度计使其A 达到教材 P31 中表 2.1 所列的吸光度。nullnull二、反应条件选择 显色剂的选择原则： 使配合物吸收系数  最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。 2. 显色剂用量： 配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。 3. 溶液酸度：配位数和水解等与 pH 有关。 4. 显色时间、温度、放置时间等。 三、参比液选择 溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直 接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比； 2. 试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不 加待测物）； 3. 试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样 作参比（不能加显色剂）。null四、干扰消除 1. 控制酸度： 配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。如在0.5MH2SO4介质中，双硫腙与Hg2+生成稳定有色配合物，而与Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等离子生成的有色物不稳定。 2. 选择掩蔽剂 3. 合适测量波长 4. 干扰物分离 5. 导数光谱及双波长技术nullnull四null二、定量分析 1. 单组份定量方法 1）标准曲线法（略） 2）标准对比法： 该法是标准曲线法的简化，即只配制一个浓度为cs的标准溶液，并测量其吸光度，求出吸收系数k，然后由Ax=kcx求出cx 该法只有在测定浓度范围内遵守L-B定律，且cx与cs大致相当时，才可得到准确结果。null2. 多组分定量方法 由于吸光度具有加合性，因此可以在同一试样中测定多个组份。 设试样中有两组份 X 和 Y，将其显色后，分别绘制吸收曲线，会出现如图所示的三种情况：   图a)：X,Y 组份最大吸收波长不重迭，相互不干扰，可以按两个单一组份处理。 图b)和c) ：X,Y 相互干扰，此时可通过解联立方程组求得X和Y的浓度： 其中，X,Y 组份在波长 1 和 2 处的摩尔吸光系数  可由已知浓度的 X, Y 纯溶液测得。解上述方程组可求得 cx 及 cy。 nullnull4. 系数倍率法 情况同上。但其中一干扰组份 b 在测量波长范围内无吸收峰时，或者说没有等吸收点时可采用该法。 具体做法：同前法可得到下式， A1=A1a + A1b A2 =A2a + A2b 两式分别乘以常数k1、k2并相减，得到， S=k2(A2a+A2b)-k1(A1a+A1b)=(k2A2b-k1A1b)+(k2A2a-k1A1a) 调节信号放大器，使之满足k2/k1=A1b/A2b，则 S=(k2A2a-k1A1a)=(k22-k11)lca 因此，差示信号只与 ca 有关，从而求出 ca。同样可求出cb。nullnullnullnull3）导数峰高测量方法 测量方法有三，如下图： 正切法：相邻峰(极大或极小)切线中点至相邻峰切线(极小或极大)的距离d； 峰谷法：两相邻峰值(极大或极小)间的距离p1或p2； 峰零法：极值峰至零线间的距离。 null7. 配合物组成和稳定常数测定 1）摩尔比法(饱和法) 设配合物的显色反应为： 具体做法：固定cM，增加cR，并测定一系列MRn的吸光度A，以cR/cM比值对A作图，得如图所示曲线。其中，曲线拐点处对应的值为配合比 n。 设MRn电离度为，则null2）等摩尔连续变化法(Job法) 具体做法：保持cR+cM=c 恒定，但改变cM与cR的相对比例，若以cM/c对吸光度A作图，当达最大吸光度时cM/cR之比即为配位比。由两曲线外推的交点所对应的cM/c亦可得出配位比。若比值为0.5，则配位比n为1:1；若比值为0.33，则配位比n为1:2……或者n=(1-cM/c)/(cM/c) 设cM/c=f，则 该法适于离解度小、配合比低的配合物组成测定。null8. 弱酸离解常数的测定 设有一元弱酸HB，其离解反应如下： 若测出[B-]和[HB]，即可求出Ka。 测定时，配制三份不同pH值的溶液。一份为强碱性，一份为强酸性，分别在B-和HB的最大吸收波长处测定吸光度，求出各自的摩尔吸光系数。 第三份为已知pH值的缓冲溶液，分别在B-和HB的最大吸收波长处测得总吸光度，解联立方程求得[B-]和[HB]，然后按前式求出pKa或Ka。