Transcript 紫外-可见分光光度法
第十二章 紫外—可见分光光度法 §1 基本原理 §2 光度法的误差 §3 显色反应及显色条件的选择 §4 紫外可见分光光度计 §5 定性与定量分析方法 §6 紫外可见吸收光谱与分子结构的关系 Saturday, August 6, 2016 §1 基本原理 利用被测物质的分子对紫外-可见光具有选择 性吸收的特性而建立的分析方法。 一、紫外－可见吸光光度法的特点 （1）具有较高的灵敏度。 （2）有一定的准确度，该方法相对误差为2%-5%， 可满足对微量组分测定的要求。 （3）操作简便、快速、选择性好、仪器设备简单。 （4）应用广泛 Saturday, August 6, 2016 二、物质对光的选择性吸收 1、光的互补性与物质的颜色 单色光：只具有一种波长的光。 混合光：由两种以上波长组成的光，如白光。 黄 橙 绿 白光 红 紫 Saturday, August 6, 2016 青 青蓝 蓝 物质的颜色是由于物质对不同波 长的光具有选择性的吸收作用而 产生的，物质的颜色由透过光的 波长决定。 例：硫酸铜溶液吸收白光中的黄色光而呈蓝色； 高锰酸钾溶液因吸白光中的绿色光而呈紫色。 如果两种适当颜色的光按一定的强度比例混合可以 得白光，这两种光就叫互为补色光。物质呈现的颜色和 吸收的光颜色之间是互补关系。 Saturday, August 6, 2016 /nm 绿 黄 橙 青 白光 红 紫 青蓝 蓝 颜色 400-450 紫 黄绿 450-480 蓝 黄 480-490 绿蓝 橙 490-500 蓝绿 红 500-560 绿 红紫 560-580 黄绿 紫 580-610 黄 蓝 610-650 橙 绿蓝 650-760 红 蓝绿 不同颜色的可见光波长及其互补光 Saturday, August 6, 2016 互补光 2、吸收光谱或吸收曲线 吸收曲线：测定某种物质对不同波长单色光的吸 收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图。 最大吸收波长，max 定量分析的基础：某一波长 下测得的吸光度与物质浓度 关系的有关 KMnO4 的吸收曲线 Saturday, August 6, 2016 Saturday, August 6, 2016 1.0 350 525 545 0.8 0.6 MnO4- 2- Absorbance Cr2O7 收波长 0.4 0.2 300 350 400 500 600 Cr2O72-、MnO4-的吸收光谱 Saturday, August 6, 2016 光谱定性分析基础：吸 收曲线的形状和最大吸 光的吸收定律—朗伯－比尔定律 I0：入射光强度 I：透过光强度 c ：溶液的浓度 b：液层宽度 T－透光率（透射比） A－吸光度 Saturday, August 6, 2016 T= It I0 I0 A lg bc I -A T = 10 I0 A lg bc I κ与入射光波长、溶液的性质及温度有关。当这些条件一定 时，κ代表单位浓度的有色溶液放在单位宽度的比色皿中的吸光 度。 c的单位为g·L-1，b的单位为cm时，κ以a表示，称为吸光系 数，其单位为L·g-1·cm-1， A=abc。 c的单位为mol·L-1，b的单位为cm，κ用ε表示。称为摩尔 吸光系数，其单位为L·mol-1·cm-1， A=εbc。 Saturday, August 6, 2016 摩尔吸光系数ε的讨论 （1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数 （2）不随浓度c和液层厚度b的改变而改变。 在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的 性质有关，与待测物浓度无关； （3）同一吸光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。 Saturday, August 6, 2016 例1 浓度为25.0μg/50mL的Cu2+溶液，用双环已酮草酰二腙分光 光度法测定，于波长600nm处，用2.0cm比色皿测得T=50.1%， 求吸光系数a和摩尔吸光系数ε。已知M(Cu)=64.0。 解 已知T=0.501，则A=－lgT=0.300，b=2.0cm, 25.0 10 6 g 4 1 c 5 . 00 10 （ g L ) 3 50.0 10 L 则根据朗伯—比尔定律 A=abc， A 0.300 -2 -1 1 a 3.00 10 L.g . cm bc 2.0cm 5.00 10 4 g L1 而ε= Ma = 64.0g·mol-1×3.00×102 L·g-1·cm-1 =1.92×104(L·mol-1·cm-1) Saturday, August 6, 2016 例2 某有色溶液，当用1cm比色皿时，其透光度为 T，若改用2cm比色皿，则透光度应为多少？ 解: 由A=-lgT=abc可得 T=10-abc 当b1=1cm时，T1=10-ac=T 当b2=2cm时，T2=10-2ac=T2 Saturday, August 6, 2016 §2 光度法的误差 A 定量分析时，通常 液层厚度是相同的，按照 比尔定律，浓度与吸光度 0.8 之间的关系应该是一条通 0.6 过直角坐标原点的直线。 0.4 但在实际工作中，往往会 0.2 偏离线性而发生弯曲。 0 * 0 1 2 3 工作曲线 Saturday, August 6, 2016 4 mg/mL 一、物理因素 (1)比尔定律的局限性 比耳定律假设了吸收粒子之间是无相互作用 的，因此仅在稀溶液（c < 10-2 mol/L )的情况下才适用。 (2)非单色光引起的偏离 朗伯一比尔定律只对一定波长的单色光才能成立，但 在实际工作中，入射光是具有一定波长范围的。 Saturday, August 6, 2016 二、化学因素 溶质的离解、缔合、互变异构及化学变化也会引起偏离。 例： 测定时，在大部分波长处，Cr2O72-的k值与CrO42的k值是很不相同的。A与c不成线性关系。 例：显色剂KSCN与Fe3+形成红色配合物Fe(SCN)3，存在下列平 衡： Fe(SCN)3 Fe3+ + 3SCN－ 溶液稀释时一倍时，上述平衡向右，离解度增大。所以 Fe(SCN)3的浓度不止降低一半，故吸光度降低一半以上，导致 偏离朗伯—比尔定律。 Saturday, August 6, 2016 测量的误差和测量条件的选择 一、仪器测量误差 误差来源：入射光源不稳定 吸收池玻璃的厚度不均匀 池壁不平行，表面有水迹，油污或划痕 光电池不灵敏，光电流测量不准确 误差影响：透光度读数误差 Saturday, August 6, 2016 二、测量条件的选择 1、入射光波长的选择 测量的入射光波长：最大吸收波长λmax。 若干扰物在λmax 处也有吸收，在干扰最小的条件下 选择吸光度最大的波长。 2、吸光度范围的选择 lg T = A= dcB 0.434dT dlgT ddcB T Saturday, August 6, 2016 两式相除： dcB 0.434dT cB T lgT 不同透光率时测定浓度的相对误差ΔcB/cB(ΔT=0.01) T/% 95 90 80 70 60 50 36.8 30 20 10 5 2 (cB /cB )/% 20.6 10.7 5.6 4.0 3.3 2.9 2.7 2.8 3.2 4.3 6.5 13.0 在 T = 36.8%(A=0.434)时，浓 度测定的相对误差最小。 在 实际测定时，常将吸光度控 制在0.2 ~ 0.7(T=20% ~65%) 之间。 测定相对误差与透光率的关系 Saturday, August 6, 2016 3、参比溶液的选择 样 品 参 比 未考虑吸收池和溶剂对光 子的作用 I0 原则:使试液的吸光度能真正反映待测物的浓度。 利用空白试验来消除因溶剂或器皿对入射光反射和吸收带 来的误差。 Saturday, August 6, 2016 （1）如果仅待测物与显色剂的反应产物有吸收，可用纯溶剂 （或蒸馏水）作参比溶液 （2）如果显色剂或其他试剂略有吸收，应用空白溶液（包括 显色剂或其它试剂不加待测试样溶液）作为参比溶液。 （3）如试样中其它组分有吸收，但不与显色剂反应，则当显 色剂无吸收时，可用试样溶液作为参比溶液；当显色剂略有 吸收时，可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加 显色剂，以此溶液作参比溶液。 Saturday, August 6, 2016 §3 显色反应及其影响因素 显色剂 显色反应：将被测组分转变成有色化合物的 化学反应。 显色剂：能与被测组分反应使之生成有色化合 物的试剂。 Saturday, August 6, 2016 一、对显色反应的要求 选择性好 所用的显色剂仅与被测组分显色而与其它共 存组分不显色，或其它组分干扰少。 灵敏度足够高 有色化合物有大的摩尔吸光系数，一般 应有104~105数量级。 有色配合物的组成要恒定 显色剂与被测物质的反应要 定量进行。 生成的有色配合物稳定性好 色差大 有色配合物与显色剂之间的颜色差别要大，这 样试剂空白小，显色时颜色变化才明显。 Saturday, August 6, 2016 二、影响显色反应的因素 1、显色剂的用量 M+R Saturday, August 6, 2016 MR 2、溶液的酸度 （1）对被测组分存在状态的影响 （2）对显色剂的平衡浓度和颜色的影响 （3）对有色化合物组成的影响 不同的显色反应的适宜 pH 是通过实验确定的。 Saturday, August 6, 2016 pH 与吸光度的关系曲线 Saturday, August 6, 2016 3、显色温度：要求标准溶液和被测溶液在测定过程中温度 一致。 4、显色时间：通过实验确定合适的显色时间，并在一定的 时间范围内进行比色测定。 5、溶 剂：有机溶剂降低有色化合物的解离度，提高显色反 应的灵敏度。 6、共存离子的影响 Saturday, August 6, 2016 §4 紫外—可见分光光度计 光源 系统 单色器 Saturday, August 6, 2016 吸收池 检测器和信号显示 二、单色器 作用：从连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光 束 常用的元件：棱镜、光栅 Saturday, August 6, 2016 一、光源 作用：提供能量，激发被测物质分子，使之产生电子 谱带 要求 ：发射足够强的连续光谱，有良好的稳定性及足 够的适用寿命 类型：可见与近红外区：钨灯 400~1100nm 紫外区：氢灯或氘灯180~400nm Saturday, August 6, 2016 三、吸收池 功能：用于盛放试样，完成样品中待测 试样对光的吸收 常用的吸收池：石英（紫外区） 玻璃（可见区） 吸收池光程：1cm 、2cm、3cm等 注意：为减少光的损失，吸收池的光学 面必须完全垂直于光束方向。吸收池要 挑选配对，因为吸收池材料的本身吸光 Saturday, August 6, 2016 特征以及吸收池的光程长度的精度等对 四、检测系统 作用：接受、记录信号 组成：检测器、放大器和读数和记录系统 常用检测器：光电管和光电倍增管 蓝敏（锑铯）光电管 210~625nm 红敏（氧化铯）光电管 625~1000nm Saturday, August 6, 2016 五、仪器类型 单光束分光光度计 双光束分光光度计 双波长分光光度计（相互重叠多组分分析） Saturday, August 6, 2016 单光束分光光度计 优点：结构简单，价格便宜 缺点：受光源影响波动大 可见: 721 360~800nm，电表读数 722 330~800nm，数字显示 7230 330~900nm，带微处理器，配打印机 紫外、可见： 752 200~800nm 754 200~800nm，带微处理器，配打印机 UV758 190~900nm，扫描功能 紫外、可见及近红外 751G 200~1000nm UV755B 200~100nm ，带微处理器，配打印机 Saturday, August 6, 2016 §5 定性与定量分析方法 化合物母体及取代基 一、定性分析 1. 制作试样的吸收曲线并 与标准紫外光谱对照； 2. 利用Woodward-Fieser 波长/nm 基 数 ： 217 (无环多烯或异环二烯) nm 环内双键 36 增加一个共轭双键 30 环外双键 5 烷基取代基 5 —O— 0 构式后，可通过此类规则 —O—R 6 估算最大吸收波长并与实 —S—R 30 测值对比。 —Cl, —Br 5 —NR2 60 和Scott经验规则求最大吸 收波长。 即，当通过其它方法 获得一系列可能的分子结 Woodward-Fieser规则 Saturday, August 6, 2016 Woodward-Fieser规则估算最大吸收波长的几个实例： 基值 CH 2 217 基值 217 五个烷基取代 四 45 20 五个烷基取代 55 25 二个环外双键 25 10 二个环外双键 25 10 共轭双键延长 0 0 共轭双键延长 130 30 计算值(max) 计算值(max) 247 nm 282 nm 基值 基值 217 217 同环二烯 136 36 四个烷基取代 45 20 三个环外双键 35 15 二个环外双键 25 10 共轭双键延长 230 60 五个烷基取代 55 25 酰氧基取代 10 0 计算值(max) 247 nm 实测值(max) 247 nm Saturday, August 6, 2016 ACO 计算值(max) 353 nm 实测值(max) 355 nm 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。 Saturday, August 6, 2016 2. 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： Ax1 y x1 lc x y1 lc y Ax2 y x2 lc x y2 lc y 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。 Saturday, August 6, 2016 3. 双波长法---等吸收点法 当混合物的吸收曲线重迭时，如右下图所示，可利用双波长法来测定。 具体做法：将 a 视为干扰组份，现要测定 b 组份。 a) 分别绘制各自的吸收曲线； b) 画一平行于横轴的直线分别交于a组份曲线上两点，并与b组分相交； c) 以交于 a 上一点所对应的波长 1 为参比波长，另一点对应的为测量波长 2， 并对混合液进行测量，得到： A1=A1a + A1b + A1s A2 =A2a + A2b + A2s 若两波长处的背景吸收相同，即A1s= A2s 二式相减，得，A=(A2a- A1a)+( A2b- A1b) 由于 a 组份在两波长处的吸光度相等，因此， A=( A2b- A1b)=(2b-1b)lcb 从中可求出cb 同理，可求出ca. Saturday, August 6, 2016 例：用光程为1cm的吸收池，在两个测定波长处测定含 有K2Cr2O7和KMnO4两种物质溶液的吸光度。混合物在 450nm处的吸光度为0.38，在530nm处的吸光度为0.71 ，求混合物的组成。已知1.010-3 mol/L的K2Cr2O7 在 450nm处吸光度为0.20，而在530nm处为0.05； 1.0 10-4mol/L的KMnO4在450nm处无吸收，在530nm处吸光 度为0.42。 Saturday, August 6, 2016 K2Cr2O7 450nm AA1 A1 c A L AA1 0.20 1 1 1 A 200L mol cm c L 1 103 1 A 530nm AA2 A2 c A L A 2 KMnO4 530nm 0.05 1 1 A 50L mol cm c L 1 103 1 AB2 B2 c B L B 2 Saturday, August 6, 2016 AA2 AB2 0.42 1 1 B 4200L mol cm c L 1 104 1 §6 紫外—可见吸收光谱与分子结构的关系 有机化合物的紫外吸收光谱 饱和碳氢化合物：→*，短，远紫外区 化合物 max(nm) →* n→* CH3OH 150 180 CH3Cl 157 173 CH3I 180 255 Saturday, August 6, 2016 不饱和脂肪族化合物 (→*) 孤立双键：CH2=CH2( max=193nm) 共轭双键：CH2=CH—CH=CH2(max=220nm, >104) 最高空轨道 E>E →跃迁几率↑→↑ ; E↓→↑ 最低占有轨道 C=C Saturday, August 6, 2016 共轭 C=C 含孤立助色团和生色团的饱和有机化合物 孤立助色团： n→*跃迁， 长 孤立生色团： n→* (275~295nm), n→* (~190nm), →*(150~180nm) α、β-不饱和醛、酮、酸和酯 共轭C=C：K带(max=200~260nm， >104) C=O：R带(max=310~350nm， <100) 共轭→K带、R带都长移 •酸、酯的K带比醛、酮长移得多 •酸、酯的R带比醛、酮长移得少 Saturday, August 6, 2016 芳香族化合物 苯和取代苯 •苯 吸收带 E1 E2 B（精细结构） max(nm) 180 220 265 max 47000 7000 ~200 取代→吸收带长移，B带精细结构消失 •单取代苯 助色团取代： n→*共轭，E带、B带↑→↑ 生色团取代： E带和K带合并↑，↑ B带↑，有时被K带掩盖 C=O→R带→极性溶剂↓ Saturday, August 6, 2016 不同溶剂对苯酚吸收光谱的影响 环己烷 己醇 Saturday, August 6, 2016 NaOH(0.1mol/L) •双取代苯 各种取代基长移效应强弱次序： 邻、对位定位基：N(CH3)2>NHCOCH3>O->NH2>OCH3 >OH>Br >Cl >CH3 间位定位基：NO2>CHO>COCH3>COOH>COO-, CN>SO2NH2>NH3+ 对位二取代 间位基 NO2 ~200nm 252nm,=52nm 邻、对位基 NH2 230nm,=30nm O2N NH2 381nm， =181nm>>52+30=82nm HOOC NO2 265nm，只比硝基苯(252nm)长13nm Saturday, August 6, 2016 邻、间位二取代 HO NO2 HO NO2 NO 2 317.5nm 273.5nm 芳杂环类（五元或六元）： •饱和： <200nm •不饱和： n→* 、 →* Saturday, August 6, 2016 OH 278.5nm 有机化合物分子结构研究 推断官能团（可能性） 220~800nm无吸收峰：脂肪族饱和化合物或仅含 一个双键的烯烃 270~350nm弱吸收：羰基 250~300nm中等强度吸收，重心~256nm：苯环 210~250nm强吸收：含有两个双键的共轭系统 260~350nm强吸收：3~5个共轭系统 化合物有色：共轭生色团≥5 吸收峰延伸至可见光区：长链共轭或稠环化合物 Saturday, August 6, 2016 推断构型和构象 结构异构体 max(nm) max 松香酸 左旋松香酸 S-trans构型 S-cis构型 283 15100 273 7100 Saturday, August 6, 2016 顺反异构体 H H C C H C C H 位阻效应 maxEtOH(nm) 280 max 10500 顺式： 短， 小 Saturday, August 6, 2016 295.5 29000 反式： 长， 大 共轭↑→ ↑ 互变异构现象 O C CH C CH3 OH O O C CH2 C CH3 ͪ ʽ max Ï©´¼Ê½ 247nm 310nm 确定构象 X O max(直立键） Saturday, August 6, 2016 X > O max(平伏键） 推断化合物骨架 紫外吸收光谱一致：具有相同的生色团 VK1 max(nm) 249， 260，325 lg 4.28，4.26，3.28 Saturday, August 6, 2016 1，4-萘醌 250，330 4.6，3.8 推断化合物结构 水合氯醛可能有两种结构： R带，290nm Cl O Cl C C H H2O Cl (1) Saturday, August 6, 2016 Cl OH Cl C CH Cl OH (2) √